目前大跨空间结构的发展现状和趋势

邵志伟　许立英

[摘要]目前我国经济飞速发展，与此同时，建筑行业也取得了显著的成就，尤其是近几年来，国内的大跨空间结构取得了非凡的成果。当今在世界建筑行业，大跨空间结构技术已经成为衡量一个国家建筑发展水平极其重要的指标。本文主要讲述了目前国内外大跨空间结构的形式和发展现状，并进一步对其发展前景做出相应展望。

[关键词]目前；大跨空间结构；发展现状；趋势

1.大跨空间结构的主要结构形式和应用

1.1网架结构

网架结构是目前大跨空间结构的一种常用刚性空间结构形式，它是通过节点把钢管或型钢焊接而成的结构。如果进一步细化，按照其弦干层数来分，可分为双层网架和三层网架；若按其形式来分又可分为平面桁架系网架、三角锥形体网架和四角锥形体网架。网架结构是多次超静定结构，计算时所用的主要方法是空间杆系有限元法。因此其设计不仅要有扎实的力学基础还要有多年的设计经验。网架结构最主要的优点就是传力十分明确、自重小、抗震性能力良好。并且，由于该结构施工时快速便捷且能够大批量工厂生产，因此，目前已成为国内最为常用的一种大空间结构形式。例如，韩国的首尔世界杯体育场和我国上海世界杯主题馆都采用的是网架结构。

1.2网壳结构

网壳结构是以杆件为主要受力构件，然后按照一定的形式连接成曲面形式的网格。它也是一种常用的大跨度结构形式，主要分为单层网壳和双层网壳。同上述网架结构相比而言，这种结构形式更加节省钢材。网壳结构最为明显的优点是受力合理、结构变形小且极其稳定，适合中小型民用或工业建筑，而且能做成超长跨度的建筑物，最为重要的是设计计算方便。当今世界上已有多款软件应用于网壳结构的设计之中。因此，网壳结构也是目前一种极为常用的大跨度空间结构之一。例如，北京体院体育馆采用的就是带斜撑的四块组合型双层网壳建成的。

1.3膜结构

膜结构是从上世纪中叶才开始兴起的一类新型的结构形式，虽然它出现的相对较晚，但由于其具备特殊的优越性，所以近几十年来发展迅速。它主要是用性能良好的软组织物为主要建材，能在柔然悬索或是钢性支撑下产生一定的预应力，并在此基础上具有一定刚度和稳定性的空间结构。空间结构自重轻、结构形式多样美观，是力与美的完美结合。而且施工简单、安全可靠、采光性能好。除此之外，它还具有抗震性能好、抗变形能力强等突出优点。目前世界上已有大量的膜结构建筑物，比较出名的有我国的“水立方”和英国的千年穹顶。

1.4悬索结构

悬索结构是一种历史较为悠久的结构形式，早在我国明朝时期就出现了历史上有名的霁虹桥。在此之后又出现了很多的悬索式桥类，比如泸定桥。所以说悬索结构对我们来说相对熟悉。而世界上第一个现代化的悬索屋盖雷里竞技馆于上世纪中期在美国建成，而我国建造的北京工人体育馆，在当时已处于国际先进水平。悬索结构是由高强的柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构，悬索结构在自然状态下是没有或者说是只有很小的钢度，并且其形状也难以确定，必须采用施加预应力等一系列措施才能使之具备结构特性。该结构属于一个平面受力体系，时常用于大跨度的屋盖体系中，通常情况下该结构的最大跨度可达到160m左右。悬索结构的受力特点是它主要依靠悬索的拉应力来承担主要荷载，因此，他能充分利用材料性能，具有自重小、跨度较大和成本低等优点。而且其施工较为方便，有利于建筑物造型的设计，能够满足各类建筑平面的要求。但是由于其受力特征的原因，导致其稳定性相对较差。

1.5壳体结构

壳体结构中绝大多数是属于薄壳结构，其结构出现的灵感来自我们日常生活的蛋壳，蛋壳虽薄但抗压能力很强，其设计领域涉及到仿生学。总的来说，壳体结构用于建筑方面起源较早，我国是世界上较早将壳体结构用于建筑的国家。早在上世纪五十年代，在国内就建成了一定数量的实用性强、外观优美的以壳体结构为主体的建筑。但与其他大跨度结构相比，壳体结构由于计算复杂等原因，使其发展速度相对较慢。但即使是这样，随着我国经济的快速发展，近几年来壳体结构在我国也得到了迅速發展。壳体结构设计灵活飘逸，且能满足不同项目的要求，因此被广泛应用于大跨度屋顶结构中。它具有非常好的空间传力性能，能够充分利用材料的受力性能，以较薄的构件承担较大的荷载，并且它所建成的大跨度结构不需要中间支柱，因此很容易满足对空间的要求，非常适合建筑体育馆、大剧院院等一些对空间要求相对较高的公共建筑物。世界上著名的悉尼歌剧院就是一个典型的壳体结构，我国的国家大剧院也同样是壳体结构的代表。

2.大跨结构的发展前景与展望

从目前来说，大跨结构已经有了很大的发展，但由于种种原因的限制，它的发展速度还是相对缓慢的。就目前来看，我国大跨度空间结构的水平还与国际水平有些差距，单就结构形式来讲，我国大跨度结构的形式还处于相对保守阶段，缺少大胆创新之作。除此以外，结构的材料与技术问题也是限制其发展的一个瓶颈。

3.结语

综上所述，在接下来的一个新阶段中，我国从事科研工作的人员与专家们应该共同努力，从各个方面大力推动我国大跨空间结构的发展，在技术和理论方面进行深入研究和探索，使大跨空间结构取得全面、可持续的进步，从而使我国大跨度空间结构技术步入到全球顶尖水平的行列之中。