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空間結構的十年??從中國看世界

作者：藍天
時間：2010-01-12 15:30:59 [收藏]

本文首先回顧了十年來空間結構在中國的發展和取得的成就，文中分別就結構形式、雜文結構、材料與應用范圍等問題討論了中國發展的特點，并與世界各國的情況進行了對比，指出了與先進水平的差距。

   一、十年的回顧

      當中國跨入80年代之際，在沐浴著改革開放春風的新形勢下，各項建設無不呈現了蓬勃發展的局面。空間結構也不例外，網架結構成為國內體育館最常用的屋蓋形式，在成功地建造了國內跨度聶大的上海體育館之后，又在籌備興建上海游泳館。在海外的敘利亞、伊拉克和巴基斯坦等國家也相繼以中國的技術力量建成了一批用網架結構的大、中型體育館。至于中小跨度的體育建筑、劇院、會堂、餐廳等、網架結構的應用就更為普遍。在大柱距的單層工業廠房中也開始醞釀采用網架來代替傳統的鋼筋混凝土薄腹梁或鋼屋架，例如北京燕山石化公司地毯裝置的4萬平米主廠房就是其中的先行者。在網殼方面，繼煙臺體育館之后，撫順也建造了一座直徑62m的斯威德勒型鋼網殼，而新疆烏魯木齊機場飛機庫與杭州錢塘江工程局的海岸實驗室則采用了鋼筋混凝土圓柱形網殼。另外，成都城北體育公園燈光球場改建時采用了直徑57.4m的無拉環雙層輻射索系屋蓋，。因而打破了懸索結構的長期沉寂局面，此后安徽省體育館、四川省體育館在初步設計中也都考慮了懸索方案。各種空間結構，或在建設，或在籌劃，對設計、施工、生產、科研也都提出了新的要求。這時，空間結構委員會于1982年應運而生。從此，空間結構委員會的成長與壯大就與中國的空間結構事業的發展緊密地聯系起來。

這十年來，中國的空間結構無異有了長足地進步，其發展速度大于歷史上任何一個相同的年代。首先，在應用范圍上，空間結構遍及任何一種工業與民用建筑，象體育館、展覽館、飛機庫、工業廠房、倉庫、影劇院、車站……等。從跨度來說，大至110m的體育館、小至12m的會議室都是空間結構適宜的范圍＿在形式上，網架、網殼、懸索結構層出不窮，并且還出現了一些“雜交”結構。采用空間結構的建筑往往以新穎美觀的體型成為城市的一景。在設計中普遍采用了電子計算機。在80年代初，對用架的分析也許還要借助于擬板法、假想彎矩法之類的手算方法，如今在微機上采用矩陣位移法分析網架已是很普通的事，有些程序不但能分析而且能自動設計，甚至發展到CAD。其他象以剛性節點為特征的單層網殼、考慮具有非線性性狀的懸索結構，其分析與設計也都進入實用階段。在施工方面，曾采用了多種安裝方法，也創造了一些具有先進水平的安裝技術，其特點是充分利用現有與常規設備，以小型機具來安裝大型結構。值得注意的是，十年來在中國已逐步建立了一支以科研單位和高等院校為骨干的科學研究隊伍，他們從事于空間結構的理論與試驗研究，解決了不少技術難題，為生產開辟了道路。從每兩年舉行一次的空間結構學術交流會的論文集中可以看到，十年之前論文的內容僅局限于薄殼或網架結構，以后的發展表明其范圍已大大擴展到網競、懸索甚至膜結構。這些論文不但在數量上急劇增長，如第六屆會議偽論文數已是第一屆的三倍多，同時在質量上也有所提高。

在標準規范方面，中國在60年代就編制了《鋼筋混凝土薄殼頂蓋及樓蓋結構設計計算規程（BJG16－65）》。在80年代初，又相繼頒發了《網架結構設計與施工規定（JGJ 7－80）》和《 V形折板屋蓋設計與施工規程（JGJ21－84）》，這在世界上都是少有的。如網架規定在結構選型、分析與設計、節點構造、制作與安裝等方面，不但總結了中國自己的經驗，，也汲取了世界各國的先進科技成就。象這樣的規范，不但大大方便了設計與施工，更重要的是在技術管理上有了可遵循的法令性文件，應該說中國網架結構的大量應用始于《規定》的頒發。當初在編制這本薄薄的小冊子時，也許誰都沒有預料到規范能對網架的推動起如此巨大的作用。
         80年代初也是中國的空間結構開始走向世界的時刻。當中國從十多年閉關自守中解脫出來，人們發現空間結構在各個方面都落后了一大段。1980年，前蘇聯乘著莫斯科奧運會，大肆炫耀它的鋼板懸掛膜結構，象和平大街體育館與克雷拉特斯柯賽車場的屋蓋，跨度都在200m以上，然而從以后的事實發現這種結構并不具有生命力。西方世界還在總結前幾年美國哈特福體育館91.4 X 109.7m大跨度網架結構倒塌的慘痛教訓，然而網架的應用卻沒有因此而停止不前，例如美國達拉斯的聯歡體育館、巴黎的體育館都采用了跨度在100m以上的網架。在網殼的應用上，南斯拉夫斯普利特體育場的看臺頂蓋、日本神戶的世界紀念館各具特色，而加拿大加爾格里的冬季奧運會體育館則把懸索結構更推進了一步。變化最大的還屬膜結構，繼1975年在美國首先建造的永久性氣承式空氣膜一龐提亞克的“銀色穹頂”,80年代初在美國明尼阿波利斯與加拿大溫哥華又建造了二座類似的體育館。在沙特阿拉伯的
吉大國際機場候機大廳，屋蓋采用了以往支承的懸掛膜結構，柱網為45m，總面積達42.5萬平米。
      十年來中國在網架、網殼、懸索等空間結構的研究與實踐做了大量工作，雖然膜結構還幾乎是一個空白點，但我們與世界先進國家的差距無異是縮小了。本文試圖從以下幾個方面來探討一下這十年中空間結構發展的特點，并與世界各國的情況作一些對比，尋求與先進水平之間的差距。


                                   二、結構形式的靈活多變

         結構形式的多樣化應該是空間結構最突出的優點之一。空間結構能以其豐富的外形來滿足使用功能與建筑造型的要求，象澳大利亞悉尼歌劇院類似貝殼的殼體屋蓋至今還是空間結構優異形式的典范。
    　當中國的設計人員剛涉足于空間結構時，還滿足于類如平板、圓球或圓柱狀這樣的外形，但以后就發展到要改變這樣的傳統形式，尋求新的變化。像承德體育館，平面為六角形，對角線距離為60m。這是一個中型體育館，中間的比賽場地需要較高的空間，因此屋蓋設計為中部上凸的網絡。這樣屋頂上可以設置天窗，儒決了采光問題，整個建筑造型也令人感到耳目一新。新近建成的廣州白云機場機庫，大門凈跨為78m，為適應飛機尾翼較高的要求，屋蓋采用了高低跨網絡，中間以三層網架連接，使整個屋蓋連成整體。70年代英國倫敦希斯羅機場也曾建過采用高低跨網架的機庫，但網架分別以格構式大梁支承，因此白云機庫的網架布置在受力上顯然更為有利。
    　對于殼體的幾種基本形式，如果加以剪裁、通過切割或組合，就可以完全改變原來的面貌，而在以桿件組成的網殼上實現也十分方便。例如日本東京國際貿易展覽館2號館，就是在圓球頂上切去一部份并將后部略為抬起，使圓球殼別具一格。中國的濟南明湖貿易中心屋蓋也是在圓球面上切割出28X52m的橄欖形網殼。
    　對殼體的組合有各種方式，如日本神戶的世界紀念館就是以兩端兩個半徑34m的1／4圓球殼與中間一段40.8m的圓柱殼組成（圖1），室內高度達30m，網殼耗鋼量為760t。這樣的體型特別適用于田徑館、溜冰館，在國外有不少體育建筑采用。1992年奧運會西班牙巴塞羅那圣喬第體育宮屋蓋采用了雙層網殼，其組合采用了另一種方式。平面近似矩形，尺寸為128X106m，由中間的一塊雙曲殼與周圍的四塊圓環殼組成，鋼網殼總重1000t。（圖2）1990年亞運會上，北京體育學院體育館屋蓋由四塊雙曲拋物面網殼組成，平面尺寸為59．Zm見方。（圖3）雙曲拋物面所特有的直紋曲面使網殼的構件可以做成直線形，此外網殼四角設置了用
以抵抗水平力的鋼斜撐，使建筑造型更為別致。中國在網殼形式多樣化方面作了不少有益的嘗試，文獻[2]中所列舉的一些異形網殼就是例子，這些工程的規模雖然都不太大，變化的手法也不多，但卻是良好的開端。

對于空間結構形式的變化，一方面是建筑上的需要，另一方面在技術上也能做到，因此世界各國正以早大的熱情進行互相學習與應用，預計今后還會有更大的發展，使空間結構的造型更趨豐富多彩。

三、雜交結構的興起

“雜交”結構相對說來是一個比較新的名詞，本文中它是指不同類型結構的組合而形成一種新的結構體系，以有別于采用不同材料而組成的“組合”結構（例如組合網架）。雜交結構在1986年的大阪國際會議上曾是一個熱門話題，它最大的優點是充分利用某種類型結構的長處來避免或抵消另一種與之組合的結構的短處，從而改進了整個結構體系的受力性能。
　　前幾年在中國研究并開發的橫向加勁單曲懸索結構就是一種衍架與單向索組合而成的雜交結構體系。一般單曲懸索的剛度都比較差，尤其在不對稱荷載下易發生機構性位移。如果將作為橫向加勁構件的柜架如圖4所示與索垂直相交并設置于索之上，然后對桁架端部的支座下壓、產生強迫位移使結構建立預應力，這樣就大大增加了屋蓋結構的剛度，在抵抗不均勻荷載時，桁架也能有效地分擔和傳遞荷載。因此，在整個結構體系中，柔性的索可以充份發揮其高強度鋼的作用來承受主要荷載，而剛度則通過組合具有抗彎剛度的桁架得到改善，這種橫向加勁單曲懸索結構曾有效地用于復蓋安徽體育館、上海楊浦區體育館與福建潮州體育館，建筑物的跨度在45m與72m之間。與相同跨度其他類型的屋蓋結構相比，不論在材料消耗或造價上都很經濟。
　　70年代開始在北美大陸茁起的膜結構是空間結構隊伍中的新兵。當應用于大跨度時，既輕又薄的膜本身就難以單獨受力而需要與鋼索相組合。如果說大跨度氣承式空氣膜中的鋼索只起某種程度加勁作用的話，則美國工程師蓋格爾所開發的“素穹頂”（Cable Dome）則是典型的索與膜的雜交結構了。這種體系一般是圓形，由連續的受拉鋼索和不連續的壓桿組成（圖5）。力從中心受拉環通過輻射狀的徑向脊索、谷索、環向拉索、斜拉索傳向周邊的受壓圈梁。扇形的膜材由鋼索施加拉力并繃緊，固定在壓桿與索連接處的節點上。索穹項至今已建成四個工程：韓國漢城奧運會體操館（直徑120m）、與擊劍館（直徑90m）、美國伊利諾斯州立大學體育館（橢圓，76.8X9l.4m與美國佛羅里達州的太陽海岸穹頂（直徑Z10m）。
　　

在索穹頂的基礎上，美國工程師李維又開發了一種“雙曲拋物面--張拉整體穹頂”（Hypar-Tensegrity Dome）。這種體系也是以一系列的上索、斜拉索、環拉索與立柱組成，適用于近似橢圓形的平面（圖6）。它與索穹頂不同之處在于：中間設置了中央桁架以連接兩個半圓；上索網采用了三角形網格以適應非圓形的外形；另外膜采用菱形單元就能形成具有足夠剛度的雙曲拋物面，1996年在美國亞特蘭大舉行的奧運會主體育館采用了這種雜交體系，平面尺寸為24oX193m。

在建筑物中有時出于造型或功能的需求，要求在中間部分凸起，為此設置了類如拱、剛架或斜拉索的支承結構，并與網架或懸索結構組成一種雜交結構。這種做法在國外很早就被采用過、如1958年建造的美國耶魯大學冰球館就采用了鋼筋混凝土拱與單曲懸索的結構體系，1980年莫斯科奧運會賽車場也曾將落地鋼拱與鋼板膜相組合，跨度達168m。近年來，在中國也有不少體育館采用了這種雜交手法。如江西體育館是鋼筋混凝土拱與六邊形網架相組合，四川省體育館和青島體育館的屋蓋是由一對鋼筋混凝土拱與兩片索網組合而成，丹東體育館則是由位于中央的預應力混凝土剛架和單層平行索系組成，北京朝陽體育館的支承結構是一種“素拱體系”，兩邊為索網。以上幾座體育館的中間支承結構，跨度小的近50m，大的有100多米，在建筑造型上起了很好的效果。
　　不論中外，雜交結構的提出，有時與其說是結構的有機結合，還不如說是建筑上的需要。文獻［5］指出，根據中國的經驗，采用中間支承的雜交體系懸索屋蓋有時不一定經濟，其耗鋼量與造價都比較高，尤其是支承結構的耗鋼量往往占屋蓋總耗鋼量的1／2至3／4。因此，雜交結構還是一個新課題，有待于進一步的探索與實踐，’這需要建筑師與結構工程師們的共同努力。

　　　　　　　　　　　　　四、高強輕質材料的發展

　　空間結構采用的材料多種多樣，如鋼、混凝土、鋁，木、塑料等。十年來用得最多的還是傳統的型鋼、鋼管和鋼索。除此之外，國外還開發與應用了人工合成材料，不但強度高，重量也更輕，中國在這方面還存在著明顯的差距。
　　國外在60年代就開始研究復合材料，這是由某種纖維與結合物組成，最常見的是玻璃絲增強樹脂（GRP）、俗稱玻璃鋼。此外也可以采用碳纖維或阿拉密德（aramid）。表1列出了各種纖維復合材料的性能。
　　　　　　　　　　　表1 單向纖維增強復合物的性能

	玻璃絲	碳	阿拉密德	高強鋼絲
纖維分數（%重）	80	72	67	——
相對密度P	2.31	1.57	1.36	7.86
張拉強度T (GPa)	0.95	1.61	1.59	1.82
張拉模量E (GPa)	50	136	64.3	200
強度比T/P	44	105	119	24
比模量E/P	21.6	86.6	47.3	25.4
根據重量的材料價格比	6	16-20	10-15	1
根據強度的材料價格比	3	4-5	2-3	1
根據剛度的材料價格比	7	5-6	5-8	1

由表1可見，復合材料最大的優點是重量輕，因而單位密度的強度指標都很優越，如碳纖維或阿密德都是鋼絲的四倍，目前復合材料已成功地用在修建連續體的殼體與折板上。它也可以用來制作索、棒、與管。有一個試驗性網絡的桿件與節點全部用復合材料制成。
　　另一種高強輕質材料是建筑織物，它的出現使膜結構步入永久性建筑的行列。建筑織物需要一個強度較高的基材，目前常用的有聚酯和玻璃纖維織物，表面涂敷防護性能好的涂層如聚氯乙烯（PVC）、聚四氟乙烯（Teflon）或有機硅樹脂等。這種新型材料不但能承重而且起圍護作用，它最大的優點是重量特輕，每平方米僅重1kg多，使結構自重起了革命性的變化，此外在耐久、防火、自潔、透光方面都具有良好的性能。
　　當屋頂由堅硬的鋼或混凝土屋面轉向輕飄柔軟的膜材時，人們的思想認識也應該有一個轉變的過程。例如即便最好的建筑織物，其保證的使用年限也只有25年，這也許不易為人接受，因為傳統的概念是“百年大計”，其實采用膜結構好比穿衣服，過25年再換新的屋面，那時一定會有更好更便宜的織物。

　　　　　　　　　　　　　　五、空間結構應用范圍的擴展

　　近十年來，空間結構是建筑結構中最為重要、也是最活躍的發展領域之一。從結構形式來說，從網架、網殼到膜結構。從材料來說，從天然材料到人工合成材料；從計算分析來說，從靜力到動力、從線性到非線性。在原有的體系上，不論是設計或施工都走向成熟，與此同時也孕育著新的應用范圍。
　　人類進步的歷史就包含著對自身建筑圍護的不斷擴大與改善。當前空間結構的迅猛發展，是與人們在體育、展覽、文娛、集會與生產等活動的急劇增長分不開的。因此，從以下兩個方面可以看出如何進一步擴展空間結構的應用范圍。　　
首先是從靜態擴展到動態，即要求復蓋的結構是可開可閉或是可拆卸的。例如人們已不滿足于封閉的體育場地，而希望當天晴時屋蓋能打開成為一個露天體育場，當陰雨或寒冷天氣時又能閉合成為一個室內體育場。例如加拿大蒙特利爾的奧運會體育場就曾設計了從懸挑塔上掛下來的傘形膜結構，復蓋一塊 130X200m的比賽場。加拿大多倫多的“天空穹頂”體育館，跨度有200多米，屋蓋由四部分組合，可以在20分鐘內打開或關閉。日本竹中工務店正在進行開會結構的研究，對此分為四種體系，即①平行移動；②水平折疊；③中央旋轉移動；①扇形旋轉移動（圖7）。
　　其次是從大型到巨型結構（Macro Structure），即跨度從一二百米發展到上千米、覆蓋面積達幾個平方公里。過去一直有人設想，使空間結構不僅復蓋一個建筑物，而是一群建筑甚至一個小區。日本巴組鐵工所礫究了用直徑500m的網殼復蓋一個體育公園的方案，以此為基礎還可推廣到直徑1000m的居民小區，形成一個人工控制氣候的環境。又如大型古跡的開掘與保護需要對其加以圍護，埃及的金字塔就曾有過在其上復蓋膜結構的方案。所有這些將大大擴展空間結構的應用范周并向我們提出了新的挑戰。

　　　　參考文獻

[1] 建設部科技發展司、中國建筑技術發展中心（主編），中國建設工程重大科技成就（1949-1989）， 1989。
[2] 董石麟、姚諫，中國網殼結構的發展與應用，第六屆空間結構學術會議論文集，1992。
[3] M.Kawaguchi,Space Spructures With Changing Geometries, Bulletin IASS,V.31 No.1-2,April_Aug.1990.
[4] 藍倜恩、趙基達，橫向加勁單曲懸索屋蓋的理論研究與實踐，全國索結構學術交流會論文集，1991
[5] Tien T.Lan,Long Span Cable-suspended Roofs of Hybrid Construction,Proceedings of the 3rd East Asia-Pacific Conference on Structural Engingeering and Construction.v.1,1991.
[6] B.Richmond,P.R.Head,Alernative Materials in Long-span Bridge Structures.Proceedings 1st Kerensky Memorial Conference on Tension Structures.Session 5,1988.
[7] 藍天、郭璐膜結構在大跨度建筑中的應用，建筑結構。

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