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大跨空間結(jié)構(gòu)的開(kāi)展----回顧與展望沈世釗土木工程學(xué)報(bào) 

摘要：大跨空間結(jié)構(gòu)是現(xiàn)在開(kāi)展最快的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。 

大跨度修建及作為其中心的空間結(jié)構(gòu)技能的開(kāi)展?fàn)顩r是代表一個(gè)國(guó)家修建科技水平的重要標(biāo)志之一。膜結(jié)構(gòu)就空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和張力結(jié)構(gòu)兩大類(lèi)介紹了國(guó)內(nèi)外（但首要是國(guó)外）空間結(jié)構(gòu)的開(kāi)展現(xiàn)狀和遠(yuǎn)景。對(duì)這一范疇?zhēng)讉€(gè)重要理論問(wèn)題，包含空間結(jié)構(gòu)的形狀剖析理論、大跨柔性屬蓋的動(dòng)力風(fēng)效應(yīng)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震功能等問(wèn)題的研討提出了觀點(diǎn)。 

一、概 述

在這實(shí)踐的三維世界里，任何結(jié)構(gòu)物本質(zhì)上都是空間性質(zhì)的，只不過(guò)出于簡(jiǎn)化規(guī)劃和締造的意圖，人們?cè)谠S多場(chǎng)合把它們分化成一片片平面結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和核算。與此同時(shí)，無(wú)法進(jìn)行簡(jiǎn)略分化的真實(shí)意義上的空間系統(tǒng)也一直沒(méi)有中止其本身的開(kāi)展，并且日益顯示出一般平面結(jié)構(gòu)無(wú)法比擬的五光十色和發(fā)明潛力，體現(xiàn)出大自然的美麗和奇特?？臻g結(jié)構(gòu)的杰出作業(yè)功能不僅僅體現(xiàn)在三維受力，并且還因?yàn)樗鼈兺ㄟ^(guò)合理的曲面形體來(lái)有用反抗外荷載的作用。當(dāng)跨度增大時(shí)，空間結(jié)構(gòu)就愈能顯示出它們優(yōu)異的技能經(jīng)濟(jì)功能。事實(shí)上，當(dāng)跨度到達(dá)必定程度后，一般平面結(jié)構(gòu)往往已難于成為合理的挑選。從國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐來(lái)看，大跨度修建大都選用各種方式的空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。 

近二十余年來(lái)，各種類(lèi)型的大跨空間結(jié)構(gòu)在美、日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)展很快。修建物的跨度和規(guī)劃越來(lái)越大，現(xiàn)在，標(biāo)準(zhǔn)達(dá)150m以上的超大規(guī)劃修建已非單個(gè)；結(jié)構(gòu)方式五光十色，選用了許多新資料和新技能，開(kāi)展了許多新的空間結(jié)構(gòu)方式。例如1975年建成的美國(guó)新奧爾良"超級(jí)穹頂"（Superdome），直徑207m，長(zhǎng)時(shí)間被認(rèn)為是世界上最大的球面網(wǎng)殼；現(xiàn)在這一位置已被1993年建成夏徑為222m的日本福岡體育館所替代，但后者更聞名的特點(diǎn)是它的可開(kāi)合性：它的球形屋蓋由三塊可旋轉(zhuǎn)的扇形網(wǎng)殼組成，扇形沿圓周導(dǎo)軌移動(dòng)，體育館即可呈全關(guān)閉、敞開(kāi)1／3或敞開(kāi)2／3等不同狀況。1983年建成的加拿大卡爾加里體育館選用雙曲拋物面索網(wǎng)屋蓋，其圓形平面直徑135m，它是為1988年冬季奧運(yùn)會(huì)修建的，外形極為漂亮，迄今仍是世界上最大的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。70年代以來(lái)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)運(yùn)用織物資料的改善，膜結(jié)構(gòu)或索-膜結(jié)構(gòu)（用索加強(qiáng)的膜結(jié)構(gòu)）獲得了開(kāi)展，美國(guó)締造了許多規(guī)劃很大的氣承式索-膜結(jié)構(gòu)；1988年?yáng)|京建成的"后樂(lè)土"棒球館，也選用這種結(jié)構(gòu)技能尤為先進(jìn)，其近似圓形平面的直徑為204m；美國(guó)亞特蘭大為1996年奧運(yùn)會(huì)修建的"佐治亞穹頂"（Geogia Dome，1992年建成）選用新穎的全體張拉式索一膜結(jié)構(gòu)，其準(zhǔn)橢圓形平面的概括尺度達(dá)192mX241m。許多雄偉而賦有特征的大跨度修建已成為當(dāng)?shù)氐臉?biāo)志性標(biāo)志和聞名的人文景觀。 

因?yàn)榻?jīng)濟(jì)和文化開(kāi)展的需求，人們還在不斷尋求掩蓋更大的空間，例如有人想象將整個(gè)街區(qū)、整個(gè)廣場(chǎng)、乃至整個(gè)山溝掩蓋起來(lái)構(gòu)成一個(gè)可人工操控氣候的人聚環(huán)境或休閑環(huán)境；為了發(fā)掘和維護(hù)古代墳?zāi)购椭匾孥E，也有人想象選用超大跨度結(jié)構(gòu)物將其掩蓋起來(lái)構(gòu)成關(guān)閉的環(huán)境?，F(xiàn)在某些發(fā)達(dá)國(guó)家正在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)為300m以上的超大跨度空間結(jié)構(gòu)的規(guī)劃方案討論。 

能夠這樣說(shuō)，大跨空間結(jié)構(gòu)是最近三十多年來(lái)開(kāi)展最快的結(jié)構(gòu)方式。世界《空間結(jié)構(gòu)》雜志主編馬考夫斯基（Z.S.Makowski）說(shuō)：在60年代"空間結(jié)構(gòu)還被認(rèn)為是一種興趣但仍屬生疏的非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但是今日已被全世界廣泛承受。"從今日來(lái)看，大跨度和超大跨度修建物及作為其中心的空間結(jié)構(gòu)技能的開(kāi)展?fàn)顩r已成為代表一個(gè)國(guó)家修建科技水平的重要標(biāo)志之一。 

世界各國(guó)為大跨度空間結(jié)構(gòu)的開(kāi)展投入了很多的研討經(jīng)費(fèi)。例如，早在20年前美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)曾組織了為期 10年的空間結(jié)構(gòu)研討方案，投入經(jīng)費(fèi) 1550萬(wàn)美元。同一時(shí)期，西德由斯圖加特大學(xué)掌管組織了一個(gè)"大跨度空間結(jié)構(gòu)歸納研討方案"，每年研討經(jīng)費(fèi)100萬(wàn)馬克以上。這些研討作業(yè)為各國(guó)大跨度修建的蓬勃開(kāi)展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技能條件。世界殼體和空間結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)（IASS）每年定時(shí)舉辦年會(huì)和各種學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，是現(xiàn)在最受歡迎的聞名學(xué)術(shù)團(tuán)體之一。 

我國(guó)大跨度空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)本來(lái)比較單薄，但跟著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)和社會(huì)開(kāi)展的需求，近十余年來(lái)也取得了比較迅猛的開(kāi)展。工程實(shí)踐的數(shù)量較多，空間結(jié)構(gòu)的類(lèi)型和方式逐步趨向多樣化，相應(yīng)的理論研討和規(guī)劃技能也逐步完善。以北京亞運(yùn)會(huì)（1990）、哈爾濱冬季亞運(yùn)會(huì)（1996）、上海八運(yùn)會(huì)（1997）的許多體育修建為代表的一系列大跨空間結(jié)構(gòu)--作為我國(guó)修建科技進(jìn)步的某種標(biāo)志在國(guó)內(nèi)外都取得了必定影響。 ?? 　　種種痕跡闡明，我國(guó)盡管尚是一個(gè)開(kāi)展中國(guó)家，但因?yàn)閲?guó)大人多，跟著國(guó)力的不斷增強(qiáng)，要締造更多更大的體育、休閑、展覽、航空港、機(jī)庫(kù)等大空間和超大空間修建物的需求十分旺盛，并且這種需求量在必定程度上可能超過(guò)許多發(fā)達(dá)國(guó)家。這是我國(guó)空間結(jié)構(gòu)范疇面對(duì)的巨大機(jī)會(huì)。 

但與世界先進(jìn)水平相比，我國(guó)大跨空間結(jié)構(gòu)的開(kāi)展仍存在必定距離。首要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)方式還比較拘束，較少斗膽立異之作，闡明新穎的修建構(gòu)思與先進(jìn)的結(jié)構(gòu)發(fā)明之間尚缺乏理想的有機(jī)結(jié)合，尤其是150m以上的超大跨度空間結(jié)構(gòu)的工程實(shí)踐還比較少；結(jié)構(gòu)類(lèi)型相對(duì)地集中于網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，懸索結(jié)構(gòu)用得比較少，而一些有巨大遠(yuǎn)景的新穎結(jié)構(gòu)方式如膜結(jié)構(gòu)和索-膜結(jié)構(gòu)、全體張拉結(jié)構(gòu)、可開(kāi)合結(jié)構(gòu)等在國(guó)外已有不少成功的工程實(shí)踐，在我國(guó)則還處于空白或困難起步階段。狀況看來(lái)是，我國(guó)空間結(jié)構(gòu)的開(kāi)展通過(guò)十余年來(lái)在較為平整的草原上的奔馳之后，好像遇上了一個(gè)需求盡力躍上的新臺(tái)階。這一新臺(tái)階包含資料和生產(chǎn)條件等技能問(wèn)題，也包含沒(méi)有很好處理的一些理論問(wèn)題。為促進(jìn)我國(guó)空間結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的更高層次的開(kāi)展，有待科技作業(yè)者和企業(yè)家盡力發(fā)明條件，以求得這些技能問(wèn)題和理論問(wèn)題較快較好地處理。 

大跨空間結(jié)構(gòu)的類(lèi)型和方式十分五光十色，習(xí)慣上分為如下這些類(lèi)型：鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)；平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；懸索結(jié)構(gòu)；膜結(jié)構(gòu)和索膜結(jié)構(gòu)；近年來(lái)國(guó)外用的較多的"索穹頂"（Cable Dome)實(shí)踐上也是一種特別方式的索－膜結(jié)構(gòu)；混合結(jié)構(gòu)(Hybrid Structure)，通常是柔性構(gòu)件和剛性構(gòu)件的聯(lián)合使用。 　　在上述各種空間結(jié)構(gòu)類(lèi)型中，鋼筋混凝土薄壁結(jié)構(gòu)在50年代后期及60年代前期在我國(guó)有所開(kāi)展，其時(shí)締造過(guò)一些中等跨度的球面殼、柱面殼、雙曲扁殼和扭殼，在理論研討方面還投入過(guò)許多力氣，制定了相應(yīng)的規(guī)劃規(guī)程。但這種結(jié)構(gòu)類(lèi)型日前使用較少，首要原因可能是施工比較費(fèi)時(shí)費(fèi)事。平板網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，還包含一些未能獨(dú)自歸類(lèi)的特別方式，如折板式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、多平面型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、多層多跨框架式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等，總起來(lái)可稱為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這類(lèi)結(jié)構(gòu)在我國(guó)開(kāi)展很快，且繼續(xù)不衰。懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)和索膜結(jié)構(gòu)等柔性系統(tǒng)均以張力來(lái)反抗外荷載的作用，可總稱為張力結(jié)構(gòu)。這類(lèi)結(jié)構(gòu)賦有開(kāi)展遠(yuǎn)景。