大跨空间建筑工程结构的发展

网壳结构的出现早于平板网架结构。在国外，传统的肋环型穹顶已有一百多年历史，而 第一个平板网架是1940年在德国建造的（采用Mero体系）。中国第一批具有现代意义的网壳 是在 50和 60 年代建造的，但数量不多。当时柱面网壳大多采用菱形 \"联方\"网格体系， 1956 年建成的天津体育馆钢网壳

（跨度52m和1961年同济大学建成的钢筋混凝土网壳

（跨度40n）

可作为典型代表。 球面网壳则主要采用助环型体系， 19年建成的重庆人民礼堂半球形穹顶 （跨度46.32m）和1967年建成的郑州体育馆圆形钢屋盖

相对而言自第一个平板网架

（跨度m）习能是仅有的两个规模

较大的球面网壳。自此以后直到 80年代初期，网壳结构在我国没有得到进一步的发展。

（上海师范学院球类房，31.5mx40.5m）于19年建成以来，

65kg每平米（1kg每平

110m厚6m,采

网架结构一直保持较好发展势头。 1967 年建成的首都体育馆采用斜放正交网架， 其矩形平面 尺寸为99mx112m厚6m采用型钢构件，高强螺栓连接，用钢指标

米~ 9.8pa ）。1973年建成的上海万人体育馆采用圆形平面的三向网架净架

用圆钢管构件和焊接空心球结点， 用钢指标 47kg 每平米。 当时平板网架在国内还是全新的结 构形式，这两个网架规模都比较大，即使从今天来看仍然具有代表性，因而对工程界产生了 很大影响。在当时体育馆建设需求的激励下，国内各高校、研究机构和设计部门对这种新结 构投入了许多力量，专业的制作和安装企业也逐渐成长，为这种结构的进一步发展打下了较 坚实的基础。改革开放以来的十多年里是我国空间结构快速发展的黄金时期而平板网架结构 就自然地处于捷足先登的优先地位。甚至 80 年代后期北京为迎接 1990 年亚运会兴建的一批 体育建筑中，多数仍采用平板网架结构。在这一时期，网架结构的设计已普遍采用计算机， 生产技术也获得很大进步，开始广泛采用装配式的螺栓球结点，大大加快了网架的安装。

但事物总是存在两个方面。在平板网架结构一枝独秀地加快发展的同时，随着经济和文 化建设需求的扩大和人们对建筑欣赏品位的提高， 在设计日益增多的各式各样大跨度建筑时， 设计者越来越感觉到结构形式的选择余地有限，无法满足日益发展的对建筑功能和建筑造型 多样化的要求。这种现实需求对网壳结构、悬索结构等多种空间结构形式的发展起了良好的 刺激作用。由于网壳结构与网架结构的生产条件相同，国内已具备现成的基础，因而从

80

年代后半期起，当相应的理论储备和设计软件等条件初步完备，网壳结构就开始了在新的条 件下的快速发展。建造数量逐年增加，各种形式的网壳，包括球面网壳、柱面网壳、鞍形网 壳（或扭网壳） 、双曲扁网壳和各种异形网壳，以及上述各种网壳的组合形式均得到了应用； 还开发了预应力网受、斜拉网壳（用斜拉索加强网壳）等新的结构体系。近几年来建造了一 些规模相当宏大的网壳结构。 例如 1994年建成的天津体育馆采用肋环斜杆型 双层球面网壳，其圆形平面净跨

接空心球结点，用钢指标55kg每平米。1995年建成的黑龙江省速滑馆用以覆盖

（Schwedler 型）

400m速滑跑

108m,周边伸出13.5m,网壳厚度3m,采用圆钢管构件和焊

道，其巨大的双层网壳结构由柱面壳部分和两端半球壳部分组成，轮廓尺寸 86.2mx191.2m，覆盖面积达15000平米，网壳厚度2.1m，采用圆钢管构件和螺栓球结点，用 钢指标 50kg 每平米。 1997 年刚建成的长春万人体育馆平面呈桃核形，由肋环型球面网壳切 去条形部分再拼合而成, 体型巨大, 如果将外伸支腿计算在内, 轮廓尺寸达 146mx191.7m, 网壳厚度2.8m，其桁架式”网片”的上、下弦和腹杆一律采用方（矩形）钢管，焊接连接，是 我国第一个方钢管网壳。这一网壳结构的设计方案是由国外提出的,施工图设计和制作安装 由国内完成。

在网壳结构的应用日益扩大的同时,平板网架结构并未停止其自身的发展。这种目前来 看已比较简单的结构有它自己广泛的使用范围,跨度不拘大小；而已近几年在一些重要领域 扩大了应用范围。例如在机场维修机库方面， 广州白云机场80m机库（199年）、成都机场140m 机库（1995年）、首都机场2Zmx150m机库（1996年）等大型机库都采用平板网架结构。这些

三边支承的平板网架规模巨大，且需承受较重的悬挂荷载，常采用较重型的焊接型钢（或钢 管）结构，有时需采用三层网架；其单位面积用钢指标可达到一般公用建筑所用网架的一倍 或更多。单层工

业厂房也是近几年来平板网架获得迅速发展的一个重要领域。为便于灵活安 排生产工艺，厂房的柱网尺寸有日益扩大的趋向，这时平板网架结构就成为十分经济适用的 理想结构方案。 1991 年建成的第一汽车制造厂高尔夫轿车安装车间面积近

（1.2mx421.6m ）,柱网21mx12 m采用焊接球结点网架，用钢指标 （108m x 5m），柱网36m x 18m,采用螺栓球结点网架，用钢指标

目前世界上面积的平板网架结构。 1992 年建成的天津无缝钢管厂加工车间面积为

8 万平米

31kg每平米。该厂房是

6 万平米

32kg每平米，与传统的

平面钢桁架方案比较，节省了 47％。鉴于这类厂房的巨大圆积，它们确实为平板网架结构的 发展提供了广阔的新领域。十分明显，包括网架和网壳在内的空间网格结构是我国近十余年 来发展最快，应用最广的空间结构类型。这类结构体系整体刚度好，技术经济指标优越，可 提供丰富的建筑造型，因而受到建设者和设计者的喜爱。我国网架企业的蓬勃发展也为这类 结构提供了方便的生产条件。据估计，近几年我国每年建造的网架和网壳结构达

\" 这一称号，难怪国外有关企业对这一巨大市场垂涎欲滴。

如此大的发展势头自然也会带采一些问题。与国际水平相比，我国目前网架生产的工艺 水平和质量管理水平尚有一定距离。尤其是在市场需求带动下，大量小型网架企业雨后春笋 般成立起来，难免良莠不齐，设计也非总由有经验人士担任。因而大力加强行业管理，切实 把握住设计制作和安装质量，是促进我国空间结构进一步健康发展的重要课题。

三、张力结构 中国现代悬索结构的发展始于 50年代后期和 60年代，北京的工人体育馆和杭州的浙江 人民体育馆是当时的两个代表作。 北京工人体育馆建成于 1961 年，其圆形屋盖采用车辐式双 层悬索体系，直径达 94m浙江人民体育馆建成于 1967年，其屋盖为椭圆平面，长径 短径60m采用双曲抛物面正交索网结构。

世界上最早的现代悬索屋盖是美国于 1953年建成的 Raleigh 体育馆，采用以两个斜放的 抛物线拱为边缘构件的鞍形正交索网。我国建造的上述两个悬索结构无论从规模大小或技术 水平来看在当时都可以说是达到国际上较先进水平的。但此后我国悬索结构的发展停顿了较 长一段时间， 一直到 80 年代，由于大跨度建筑的发展而提出的对空间结构形式多样化的要求， 这种形式丰富的轻型结构重新引起了人们的热情，工程实践的数量有较大增长，应用形式趋 于多样化理论研究也相应地开展起来形势相当喜人。

柔性的悬索在自然状态下不仅没有刚度，其形状也是不确定的。必须采用敷设重屋面或 施加预应力等措施，才能赋予一定的形状，成为在外荷作用下具有必要刚度和形状稳定性的 结构。值得称道的是，我国的科技人员在学习和吸收国外先进经验的同时，在结合工程具体 条件创造更加符合中国国情的结构应用形式方面做了不少尝试和创新。

例如，山东省淄博等地把悬索结构应用于中小型屋盖结构中，颇具特色。他们主要采用 单层平行索系或伞形辐射索系加钢筋混凝土屋面板的构造方式。施工时先将屋面板挂在索上

（使索正好位于板缝中） ，在板上临时加载使索伸长， 然后在板缝中浇灌细石混凝土， 待达到 一定强度后卸去临时荷载，即形成具有一定预应力的 \" 悬挂薄壳 \"。这种构造和施工方法不需 要复杂的技术和设备，造价也比较低。

为了提高单层悬索的形状稳定性，在单层平行索系上设置横向加劲梁（或桁架）的办法 也是十分有效的。横向加劲构件的作用有二：一是传递可能的集中荷载和局部荷载使之更均 匀地分配到各根平行的索上；二是通过下压横向加劲构件的两端到预定位置或通过对索进行 张拉使整个体系建立预应力，从而提高屋盖的刚度。从安徽体育馆等几个工程的实践来看这 种混合结构体系施工方便，用料经济，是一种成功的创造。

由一系列承重索和曲率相反的稳定索组成的预应力双层索系，是解决悬索结构形状稳定 性的另一种有效形式。 其工作机理与预应力索网有类似之处。 1966 年瑞典工程师 Jawerth 首 先在斯德哥尔摩滑冰馆采用由一对承重索和稳定索组成被称为 \"索桁架 \" 的专利体系，其后这 种平面双层索系在各国

80m, 800万平方

米建筑面积，相应钢材用量约 20 万 t 。这么大的数字是任何其它国家无法比拟的，无愧于 \" 网架王国

获得相当广泛刚用。我国无锡体育馆也采用了这种体系。作为对这种 体系的改进，吉林滑冰馆采用了一种新型的空间双层索系，它的承重索与稳定索在不同一阵 平面内，而是错开半个柱距，从而创造了新颖的建筑造型，而且很好地解决了矩形平面悬索 屋盖通常遇到的屋面排水问题。这一新颖结构参加了 1987 年在美国举行的国际先进结构展 览。

我国悬索结构发展的另一个特点是在许多工程中运用了各种组合手段。主要的方式是将 两个以上预应力索网或其它悬索体系组合起来， 并设置强大的拱或刚架等结构作为中间支承， 形成各种形式的组合屋盖结构。例如四川省体育馆和青岛市体育馆的屋盖是由两片索网和作 为中间支承的一对钢筋混凝土拱组合起来的。 北京朝阳体育馆由两片索网和被称为

\" 索拱体系

\" 的支承结构组成。 索拱体系由两条悬索和两个钢拱组成， 本身是一种混合结构， 其 概念也具有创新意义。采用各种组合式屋盖不仅进一步丰富了建筑造型，而且往往能更好地 满足某些建筑功能上的要求， 例如为体育馆建筑提供了 \"\" 的内部空间。 单纯从技术经济角度， 单片索网或其它悬索体系可以经济地跨越很大的跨度，本非必须采用中间支承结构。所以， 采用组合式屋盖在很多场合毋宁说主要是出于建筑造型和使用功能方面的考虑。从我国这几 年的实践效果来看，它在这方面是起到了预期作用的。

将斜拉体系引用到屋盖结构中来，可形成一系列混合结构形式。这种体系利用由塔柱顶 端伸出的斜拉索为屋盖的横跨结构 （主梁、 桁架、 平板网架等） 提供了一系列中间弹性支承， 使这些横跨结构不需靠增大结构高度和构件截面即能跨越很大的跨度。前面提到的斜拉网壳 也属于这类混合结构。

尽管十余年来悬索结构取得了可喜的发展，但与网架和网壳结构比较其发展相对较慢， 分析起来可能有两方面的原因： （ 1）悬索结构的设计计算理论相对复杂一些，又缺少具有较 高商品化程度的实用计算程序，因而难于为一般设计单位普遇采用； （ 2）尽管悬索结构的施 工并不复杂，但一般施工单位对它不够熟悉，更没有形成专业的悬索结构施工队伍，这也影 响建设单位和设计单位大胆采用这种结构形式。

与此同时， 同属于张力结构体系、 在国外应用很广的膜结构或索 - 膜结构在我国则处于艰 难起步阶段。除了设计理论储备和生产条件方面的原因外，缺少符合建筑要求的国产膜材是 一个主要的制约因素。 从国外情况看， 1970 年大阪万国博览会上的美国馆采用气承式膜结构

（俗称充气结构），首次使用以聚氯乙烯（PVC为涂层的玻璃纤维织物，受到广泛注意，其 准椭圆平面的轴线尺寸达 140m x 835m, —般认为是第一个现代意义的大跨度膜结构。 代初杜邦公司开发出以聚四氟乙烯（ 年，美国建造了一批尺度为

70年

PTFE商品名称Teflon ）为涂层的玻璃纤维织物，这种 138m-235m的体育馆，均采用气承式索 -膜结构，取得

膜材强度高,耐火性、自洁性和耐久性均好,为膜结构的应用起到了积极推动作用。从那时 起到1984了极佳的技术经济效果。但这种结构体系也出现了一些问题,主要是田于意外漏气或气压控 制系统不稳定而使屋面下瘪,或由于暴风雪天气在屋面形成局部雪兜而热空气融雪系统又效 能不足导致屋面下瘪甚至事故。这些问题使人们对气承式膜结构的前途产生怀疑,美国自 1985年以后在建造大型体育馆时没有再使用这种结构形式。 人们把更多的注意力转到张拉式 的膜结构或索 -膜结构。但如前面所提,日本在 1988 年建成的东京后乐园棒球馆仍然采用气 承式索 - 膜结构, 不过应用了极为先进的自动控制技术, 而且采用双层膜结构, 中间可通热空 气融雪；计算机自动监测风速、雪压、室内气压、膜和索的变形及内力,并自动选择方 法来控制室内气压和消除积雪。

张拉式膜（或索 - 膜）结构自 80 年代以来在发达国家获得极大发展。这种体系与索网结 构类似，张紧在刚性或柔性边缘构件上，或通过特殊构造支承在若干支点上，通过张拉 建立预应力，并获得确定形状。1985年建成的沙特阿拉伯利雅得体育场外径

288m,其看台挑

蓬由 24 个连在一起的形状相同的单支柱帐篷式膜结构单元组成。每个单元悬挂于支柱， 外缘通过边缘索张紧在若干的锚固装置上，内缘则蹦紧在直径为

133m的环索上。

1993年建成的美国丹佛国际机场候机大厅采用完全封闭的张拉式膜结构平面尺寸

，

305mx67m

由17个连成一排的双支柱帐篷式单元组成， 每个长条形的单元由相距 45.7m的两根支柱撑起。 这两个工程是比较典型的大型张拉式膜结构的例子。另外还有一类骨架支承式膜结构。例如 日本秋田县的”天穹”（Sky dome）是一个切去两边的球面穹顶（ 水（雪）沟槽。这种骨架是支承式膜结构的例子也是很多的。

D=130n），其主要承重结构是 然而由美国工程师 Geiger

一系列平行的格构式钢拱架，蒙以膜材后，用设在两拱中间的钢索向下拉紧，并在屋面上形 成V形排根据Fuller的张拉集合体（Tensegrity）概念发展起来的所谓\"索穹顶”（Cable Dome，也许 是近 10 年来最为脍炙人口的一种新颖张拉体系。 Tensegrity 原是指由连续的拉杆与分散的 压杆组成的自平衡体系，其指导思想是充分发挥杆件的受拉作用。然而严格意义上的

Tensegrity 体系未能在工程中实现。 Geiger 进行了适当改造， 提出了支承在圆形刚件周边构 件上的预应力拉索 -压杆体系， 索沿辐射方向布置， 并利用膜材作为屋面， 他称之为 \"索穹顶 \"， 并首先用于1988年汉城奥运会的两个体育馆工程。美国的 馆，其平面呈准椭圆形，尺寸达

Levy进一步发展这种体系，改用

联方形拉索网格， 使屋面膜单元呈菱形的双曲抛物面形状， 并用于 1996 年亚特兰大奥运会体 育

24lmx192m。这类张拉式索-压杆-膜体系，重量极轻，安

装方便，在大跨度和超大跨度建筑中极具应用前景。

与世界先进水平相比，中国在膜结构方面的差距是十分明显的。几年来在理论研究方面 做了不少工作，应该说已建立起一定的理论储备。在膜结构应用方面近年来也开始呈现比较 活泼的势头。上海为迎接八运会于 1997 年建成的体育场其看台挑篷采用钢骨架支承的膜结 构，总覆盖面积 36100 平米，是我国首次在大型建筑上采用膜结构；但所用膜材是进口的， 施工安装也由外国公司进行，价格较昂贵。值得指出的是，中国已出现了专门从事膜结构制 作与安装的企业，他们已兴建了几个较小型的膜结构。国产膜材的质量也正在改进。各种迹 象表明，膜结构这一族富有潜力的大跨空间结构新成员在我国的发展已露出桅尖。