可以說大跨度空間結構是近三十年來發展最快的結構形式。國際雜誌《空間結構》的主編Z.S.Makowski說:“在20世紀60年代,空間結構還被認為是壹種有趣但陌生的非傳統結構,但今天它已經被全世界廣泛接受。”從今天來看,大跨度和超大跨度建築及其核心空間結構技術的發展已經成為代表壹個國家建築科技水平的重要標誌之壹。
大跨度空間結構的類型和形式非常豐富多彩,習慣上分為以下幾種:鋼筋混凝土薄殼結構;扁平網格結構;網殼結構;懸索結構;膜結構和索膜結構;近年來在國外廣泛應用的索穹頂實際上是索膜結構的壹種特殊形式。混合結構通常是柔性構件和剛性構件的聯合應用。
在上述空間結構類型中,我國於50年代末60年代初發展了鋼筋混凝土薄壁結構。當時建造了壹些中等跨度的球殼、圓柱殼、雙曲扁殼和扭曲殼,在理論研究方面投入了大量的精力,並制定了相應的設計規程。然而,這種類型的結構最近很少使用,主要原因可能是施工費時費力。平面網格結構和網殼結構還包括壹些不能單獨分類的特殊形式,如折疊網格結構、多平面網格結構、多層多跨框架網格結構等。,壹般可稱為空間網格結構。這種結構在中國發展很快,而且還在繼續增長。索結構、膜結構、索膜結構等柔性體系都是通過拉力來抵抗外荷載的作用,可稱為張力結構。這種結構有著廣闊的發展前景。下面根據這兩類簡要介紹壹下中國空間結構的發展。
第二,空間網格結構
網殼結構的出現早於平面網格結構。在國外,傳統肋環穹頂已有100多年的歷史,1940年德國建成第壹個平面網格(采用梅羅體系)。我國第壹批具有現代意義的網殼建於五六十年代,但數量不多。當時的柱面網殼大多采用菱形“立方體”網格體系,1956年建成的天津體育館鋼網殼(跨度52m)和1961年建成的同濟大學鋼筋混凝土網殼(跨度40m)可以作為典型的例子。球面網殼主要采用環輔助體系。建於1954的重慶人民會堂半球穹頂(跨度46.32m)和建於1967的鄭州體育館圓形鋼屋蓋(跨度64m)是僅有的兩個大型球面網殼。此後直到20世紀80年代初,網殼結構在中國沒有得到進壹步的發展。
相對而言,自1964年建成第壹座平面網架結構(上海師範大學球室,31.5mx40.5m)以來,網架結構壹直保持著良好的發展勢頭。首都體育館,建於1967,采用斜交網格結構,矩形平面尺寸為99mx112m,厚6m。由鋼構件和高強度螺栓連接,鋼指數為每平方米65kg(每平方米1kg≈9.8 pa)。建於1973的上海萬人體育館采用110m的圓形平面三向網格網架,厚度6m。采用圓鋼管構件和焊接空心球節點,用鋼量指標為每平方米47kg。當時的平板網架在國內還是壹種全新的結構形式,兩種網架的規模都比較大,即使在今天也仍然具有代表性,從而在工程領域產生了很大的影響。在當時體育館建設需求的鼓勵下,國內高校、研究機構和設計部門對這種新型結構投入了大量的資金,專業的生產安裝企業也逐漸成長起來,為這種結構的進壹步發展奠定了堅實的基礎。改革開放以來的十年是中國空間結構快速發展的黃金期,扁平網格結構自然處於領先他人的優先地位。即使在上世紀80年代末,北京為迎接1990亞運會而修建的體育建築,大部分仍采用平面網格結構。在此期間,計算機被廣泛應用於網格結構的設計,生產技術也取得了很大的進步。裝配式螺栓球節點的廣泛應用,大大加快了網架結構的安裝速度。
但是事情總是有兩面性的。在加快發展平面網格結構的同時,隨著經濟文化建設需求的擴大和人們對建築欣賞水平的提高,設計人員在設計越來越多的大跨度建築時,越來越感到結構形式的選擇受到限制,不能滿足日益增長的建築功能和建築造型多樣化的要求。這種現實需求對網殼結構、懸索結構等各種空間結構形式的發展起到了很好的刺激作用。因為網殼結構和網架結構的生產條件是壹樣的,國內的基礎已經做好了。因此,自20世紀80年代後半期,相應的理論儲備和設計軟件初步完備後,網殼結構開始在新的條件下迅速發展。建設數量逐年增加,各種形式的網殼,包括球面網殼、柱面網殼、鞍形網殼(或扭曲網殼)、雙曲扁網殼和各種異形網殼及其組合得到應用;預應力網殼、斜拉網殼等新型結構體系也得到了發展。近年來,建造了壹些大型的網殼結構。如建於1994的天津體育館,采用了帶肋環斜桿的雙層球面網殼(Schwedler型)。其圓形平面凈跨度為108米,外圍延伸13.5米,網殼厚度為3米,由圓形鋼管構件和焊接空心球節點組成,每平方米含鋼指數為55公斤。黑龍江速滑館,建於1995,用於覆蓋400米速滑跑道。其巨大的雙層網殼結構由中央圓柱殼和兩端半球殼組成,外形尺寸為86.2mx191.2m,覆蓋面積為15000平方米,網殼厚度為2.1m。它由圓鋼管構件和螺栓球組成。1997新建的長春萬人體育館,呈桃核狀,由帶肋環形球面網殼的中心帶切掉拼接而成。若含伸臂架,外形尺寸為146mx191.7m,網殼厚度為2.8m,該網殼結構設計方案由國外提出,施工圖設計、制作、安裝均在國內完成。
隨著網殼結構的應用越來越多,平面網格結構並沒有停止自身的發展。這種簡單的結構目前有其廣泛的用途,不管跨度的大小;近年來,它在壹些重要領域擴大了應用範圍。例如,在機場維修機庫方面,廣州白雲機場80m機庫(199)、成都機場140m機庫(1995)、首都機場2Zmx150m機庫(1996)均采用平面網格結構。這些三面支撐的平板網架結構規模龐大,需要承受較重的懸掛荷載,且往往采用重型焊接鋼(或鋼管)結構,有時需要采用三層網架結構;其單位面積用鋼量指標可達到壹般公共建築用網架的兩倍甚至更多。單層工業廠房也是近年來平板網架結構發展較快的壹個重要領域。為了靈活安排生產過程,廠房的柱網尺寸趨於日益擴大,於是平面網格結構成為壹種非常經濟適用的理想結構方案。1991建設的第壹汽車廠高爾夫車安裝車間,占地面積近8萬平方米(189.2mx421.6m),柱網21mx12m,焊接球節點網架,每平方米鋼號31kg。該廠房是目前世界上最大的平面網格結構。建於1992的天津無縫鋼管廠車間面積為60000平方米(108m×564m),柱網為36m×18m,鋼材消耗指標為每平方米32kg。與傳統平面鋼桁架方案相比,節約47%。鑒於這類廠房巨大的圓形產品,它們確實為平板網架結構的發展提供了廣闊的新領域。顯然,空間網格結構,包括網格結構和網殼結構,是近十年來我國發展最快、應用最廣的空間結構類型。這種結構體系整體剛度好,技術經濟指標優越,能提供豐富的建築造型,因此受到建設者和設計者的喜愛。我國電網企業的蓬勃發展也為這種結構提供了便利的生產條件。據估計,近年來我國每年建成的網架網殼結構建築面積達800萬平方米,相應的用鋼量約為20萬t,如此龐大的數字是其他任何國家都無法比擬的,無愧於“網格王國”的稱號。難怪國外相關企業對這個巨大的市場垂涎三尺。
這麽大的發展勢頭,自然會帶來壹些問題。與國際水平相比,我國電網生產的技術水平和質量管理水平還有壹定的距離。尤其是在市場需求的驅動下,大量小電網企業如雨後春筍般湧現,難免良莠不齊,設計也不總是由有經驗的人來服務。因此,加強行業管理,抓好設計、制造和安裝質量,是促進我國空間結構進壹步健康發展的重要任務。
第三,張力結構
中國現代索結構的發展始於20世紀50年代末和60年代。北京的工人體育館和杭州的浙江人民體育館是當時的兩個代表作品。北京工人體育館建於1961,其圓形屋面采用直徑94m的輪輻式雙層懸索體系。浙江人民體育館建於1967。屋頂為橢圓形平面,長徑80米,短徑60米..采用雙曲拋物面正交索網結構。
世界上最早的現代斜拉屋蓋是1953年在美國建成的羅利體育館,采用兩個斜拋物線拱作為邊緣構件的鞍形正交索網。我國建造的上述兩種索結構,無論是規模還是技術水平,都可以說達到了當時的國際先進水平。但此後,索結構在中國的發展長期停滯。直到20世紀80年代,由於大跨度建築的發展,空間結構形式多樣化的需求重新激起了人們的熱情,工程實踐的數量大大增加,應用形式多樣化的理論研究也隨之展開。
柔性懸索不僅在自然狀態下沒有剛度,而且形狀不確定。必須采取鋪設重屋面或施加預應力等措施,賦予其壹定的形狀,成為在外荷載作用下具有必要剛度和形狀穩定性的結構。難能可貴的是,中國科技人員在學習和吸收國外先進經驗的同時,結合具體工程情況,創造了更加符合中國國情的結構應用形式,並進行了許多嘗試和創新。
為了提高單層懸索的形狀穩定性,在單層平行索系上設置橫向加勁梁(或桁架)也是非常有效的。橫向加勁構件有兩個作用:壹個是轉移可能的集中荷載和局部荷載,使其更均勻地分布到平行索上;其次,通過將橫向加勁構件的兩端壓至預定位置或通過拉緊拉索來對整個系統施加預應力,以提高屋頂的剛度。從安徽體育館等幾個工程的實踐來看,這種混合結構體系是壹種施工方便、材料經濟的成功創造。
由壹系列曲率相反的承重索和穩定索組成的預應力雙層索系是解決懸索結構形狀穩定性的另壹種有效形式。其工作機理類似於預應力索網。1966年,瑞典工程師Jawerth在斯德哥爾摩滑冰館首次采用了由壹對承重索和穩定索組成的名為“索桁架”的專利系統,隨後這種平面雙層索系統在各國得到了廣泛應用。中國無錫體育館也采用了該系統。作為這種體系的改進,吉林滑冰館采用了新型的空間雙層索體系,其承重索和穩定索在不同的平面內,但錯開半個柱距,創造了新穎的建築造型,解決了矩形平面懸索屋蓋常見的屋面排水問題。這種新穎的結構參加了65438-0987年在美國舉辦的國際先進結構展覽會。
索結構在中國發展的另壹個特點是在許多工程中采用了各種組合手段。主要方式是將兩個以上的預應力索網或其他懸索體系組合起來,設置強拱或剛架結構作為中間支撐,形成各種形式的組合屋蓋結構。例如,四川體育館和青島體育館的屋頂由兩個索網和壹對鋼筋混凝土拱作為中間支撐組成。北京朝陽體育館由兩個索網和壹個被稱為“索拱系統”的中心支撐結構組成。中央索拱體系由兩根懸索和兩個鋼拱組成,本身就是混合結構,其概念也是創新的。各種組合屋頂的使用不僅進壹步豐富了建築造型,還能更好地滿足建築的壹些功能需求,比如為體育館建築提供“最優”的內部空間。從純技術經濟的角度來看,單索網或其他懸索體系可以經濟地跨越大跨度,不必采用中間支撐結構。所以很多場合使用組合屋頂主要是出於建築造型和功能上的考慮。從我國近幾年的實際效果來看,在這方面起到了預期的作用。
將斜拉體系引入屋蓋結構,可以形成壹系列混合結構形式。該系統為跨度結構(主梁、桁架、平板網架等)提供壹系列中間彈性支撐。)通過使用從塔柱頂部延伸的斜拉索,使得這些跨度結構可以跨越大跨度而不增加結構的高度和構件的橫截面。上面提到的斜拉網殼也屬於這種混合結構。
雖然懸索結構在過去的十幾年裏取得了可喜的進展,但與網格結構和網殼結構相比,其發展相對緩慢。原因可能有二:(1)懸索結構設計計算理論相對復雜,缺乏商業化程度高的實用計算程序,壹般設計單位難以采用;(2)懸索結構施工雖然不復雜,但壹般施工單位並不熟悉,也沒有懸索結構的專業施工隊伍,這也影響了施工單位和設計單位大膽采用這種結構形式。
與此同時,屬於張力結構體系且在國外廣泛應用的膜結構或索膜結構在國內處於艱難的起步階段。除了設計理論儲備和生產條件,國內缺乏滿足建築要求的膜材料是壹大制約因素。從國外情況來看,1970大阪世博會美國館采用了氣承式膜結構(俗稱充氣式結構),首次使用了塗有聚氯乙烯(PVC)的玻璃纖維織物,引起了廣泛關註。其準橢圓平面軸線尺寸達到14Om x 835m,壹般認為是第壹個現代意義上的大跨度膜結構。20世紀70年代初,杜邦公司開發出壹種塗有聚四氟乙烯的玻璃纖維織物,具有強度高、阻燃性好、自潔性好、經久耐用等特點,對膜結構的應用起到了積極的推動作用。從那時到1984年,美國建成了壹批規模為138m-235m的體育館,全部采用了氣承式索膜結構,取得了良好的技術經濟效果。然而,這種結構體系也出現了壹些問題,主要是由於意外漏風或氣壓控制系統不穩定,或由於暴風雪天氣屋頂形成局部雪包,熱風融雪系統效率低下,導致屋頂收縮,甚至引發事故。這些問題讓人們對空氣承力膜結構的未來產生了懷疑,自1985以來,美國的大型體育場館建設中就沒有使用過空氣承力膜結構。人們更關註張拉膜結構或索膜結構。但如前所述,建於1988的日本東京侯元棒球館,依然采用氣承式索膜結構,但采用了極其先進的自動控制技術,采用雙層膜結構,其中可以引入熱風融雪;中央計算機自動監測風速、雪壓、室內氣壓、膜索變形和內力,自動選擇最佳方法控制室內氣壓和消除積雪。
20世紀80年代以來,張拉膜(索膜結構)在發達國家得到了極大的發展。這種體系類似於索網結構,張緊在剛性或柔性的邊緣構件上,或者通過特殊的結構支撐在幾個獨立的支點上。通過張拉建立預應力,獲得壹定的形狀。沙特阿拉伯利雅得體育場,建於1985,外徑288m,主看臺屋面由24個形狀相同的單柱帳篷狀膜結構單元組成。每個單元懸掛在中心柱上,外緣通過邊緣索張緊在幾個獨立的錨固裝置上,內緣張緊在直徑為133m的中心環索上。美國丹佛國際機場航站樓建於1993年,采用全封閉張拉膜結構,平面尺寸為305mx67m,由17個帳篷狀單元組成,兩個支柱連成壹排,每個細長單元由兩個支柱45支撐這兩個項目是大型張拉膜結構的典型例子。還有壹種是骨架支撐的膜結構。比如日本秋田縣的“天空巨蛋”就是壹個兩邊被切掉的球形巨蛋(D=130m)。它的主要承重結構是壹系列平行的格子鋼拱。蓋上膜後,由兩拱間的鋼索拉下,屋頂上形成V型排水(雪)槽。有許多例子表明這種框架是壹種支撐膜結構。然而,美國工程師蓋革根據富勒的張拉整體概念開發的所謂“索穹頂”可能是近10年來最受歡迎的新穎張拉體系。張拉整體最初是指由連續拉桿和分散壓桿組成的自平衡體系,其指導思想是充分發揮構件的受拉功能。然而,嚴格意義上的張拉整體體系在工程上還沒有實現。Geiger做了適當的變換,提出了支承在圓形剛性構件外圍構件上的預應力索桿體系。電纜沿輻射方向布置,屋頂采用膜材料。他稱之為“索穹頂”,最早用於1988年首爾奧運會的兩個體育館項目。美國的Levy進壹步發展了這壹體系,用方形索網使屋頂膜單元呈菱形雙曲拋物面形狀,1996在亞特蘭大奧林匹克體育場使用。其平面為準橢圓形,尺寸為24l MX 192米。這種張力索桿膜結構體系重量極輕,安裝方便,在大跨度和超大跨度建築中有很大的應用前景。
與世界先進水平相比,我國膜結構的差距十分明顯。近年來在理論研究方面做了大量工作,應該說建立了壹定的理論儲備。近年來,膜結構的應用也開始呈現出相對活躍的勢頭。1997為迎接第八屆全運會而建的上海體育場,采用鋼骨架支撐的膜結構,總面積36100平方米,這是膜結構首次在國內大型建築中采用。但是使用的膜材料是進口的,施工安裝也是國外公司進行,價格昂貴。值得指出的是,國內已經出現了專門從事膜結構制造和安裝的企業,他們已經建成了幾個較小的膜結構。國產膜材質量也在提升。種種跡象表明,膜結構這壹大跨度空間結構中極具潛力的新成員在我國的發展已經初露端倪。