建國以來大跨度建筑的空間結(jié)構(gòu)發(fā)展

1、建國以來大跨度建筑的空間結(jié)構(gòu)發(fā)展空間大跨度結(jié)構(gòu)是建筑工程發(fā)展的一個重要標(biāo)志，我國自五十年代以來就開展了對薄殼 結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)的研究開發(fā)與應(yīng)用，建成了一批有影響的代表性工程，并取得了一大批研究 成果。八十年代由于計算機技術(shù)的發(fā)展，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在理論研究、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和工程實踐等 方面均取得了舉世矚目的成績。隨著國力的增強，新材料的不斷出現(xiàn)，空間結(jié)構(gòu)由單一結(jié)構(gòu) 形式發(fā)展為組合結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用范圍也從公共建筑、體育建筑發(fā)展到 工業(yè)建筑乃至建筑的各個領(lǐng)域。50年來，空間大跨度結(jié)構(gòu)取得的輝煌成就使我們能充滿信 心地去營造21世紀(jì)更廣闊的空間。一、五十年空間大跨度結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程建國50年來，

2、空間大跨度結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了四個發(fā)展時期：第一時期為五十年代末至六十年代 中期，第二時期為七十年代末至八十年代中，第三時期為八十年代末到九十年代初，第四個 時期為九十年代。這四個發(fā)展時期都是依據(jù)當(dāng)時的國力和建筑技術(shù)水平，反映出各自的結(jié)構(gòu) 特點與技術(shù)水平。1、五十年代末至六十年代中期五十年代末，隨著建國十年來國力的復(fù)蘇，國家已有能力關(guān)注大型體育館與大跨度公 共建設(shè)的需要。廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計研究人員也以空前的熱情投入于薄殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)的理 論研究。這些理論研究緊密結(jié)合工程需要，在當(dāng)時產(chǎn)生了很好的效果。在薄殼結(jié)構(gòu)方面，我國技術(shù)人員對球殼、圓柱面柱、雙曲扁殼、組合扭殼等作了系統(tǒng)的 理論研究，發(fā)表了一大批高質(zhì)量的論

3、文。在理論研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量的工程實踐， 其中代表性的工程如新疆某工廠的金工車間，采用跨度60m的橢園旋轉(zhuǎn)殼體結(jié)構(gòu)，目前 該工程仍為國內(nèi)最大跨度的薄殼結(jié)構(gòu)。還建成了跨度42m雙曲扁殼的北京網(wǎng)球館。建成 于1959年的北京火車站，其跨度為35mx35m，也采用雙曲扁殼結(jié)構(gòu)。薄殼結(jié)構(gòu)取材容 易、材料省、結(jié)構(gòu)與建筑圍護(hù)合二為一，造價低，除模板制作稍麻煩外，施工相對簡便， 計算分析可用連續(xù)化方法求解，這些都是符合當(dāng)時的技術(shù)水平與施工條件的。配合大量 的理論研究與工程實踐，于1965年完成了國內(nèi)第一本空間結(jié)構(gòu)方面的規(guī)程鋼筋混凝 土薄殼頂蓋及樓蓋設(shè)計計算規(guī)程(BJG16-65)，這一規(guī)程對以后薄殼結(jié)

4、構(gòu)的設(shè)計與施工 起到了積極的指導(dǎo)作用。北京火車站與薄殼結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，開展懸索結(jié)構(gòu)的研究與工程實踐也是該時期的一個顯著特點，當(dāng)時 對懸索結(jié)構(gòu)的分析方法也是采用連續(xù)化分析方法，也曾對各種類型的索結(jié)構(gòu)進(jìn)行過系統(tǒng) 研究。懸索結(jié)構(gòu)方面有代表性的工程為：建成于1961年的北京工人體育館，96m直徑， 采用車輻式雙層懸索結(jié)構(gòu)；建成于1967年的浙江人民體育館，橢圓形平面，長軸80m， 短軸60m，屋蓋采用雙曲拋物面預(yù)應(yīng)力鞍形索網(wǎng)體系，該結(jié)構(gòu)體系屋蓋包括外環(huán)梁配筋， 其耗鋼量17.3kg/。依據(jù)當(dāng)時的國力，在確保安全的前提下節(jié)省用材，尤其是節(jié)約鋼 材，這也是當(dāng)時追求技術(shù)水平的一個顯著特點。北京工人體育館網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

5、，1964年在上海用角鋼焊接成了一個當(dāng)時并不為人們看好的網(wǎng)架，該項目是華 東師院球類房，跨度為31.4mx40.5m，采用正方四角錐結(jié)構(gòu)形式。它是中國空間結(jié)構(gòu)歷 史上的第一個空間網(wǎng)架，當(dāng)時任何人都不會想到，就由此引發(fā)了八十年代、九十年代中 國空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的空前繁榮。該時期最有影響的，且目前仍為國內(nèi)最大跨度的網(wǎng)架，是 1967年建成的首都體育館，跨度為99mx112m，該結(jié)構(gòu)分析時是國內(nèi)第一次采用電算， 用差分法以手工方式填寫總綱。1956年建成的天津體育館屋蓋平面尺寸為52x68m，采 用帶拉桿的聯(lián)方型圓柱面網(wǎng)殼。建成于1967年的鄭州體育館，其直徑64m，是我國早 期的代表性網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。首都體

6、育館整個五十年代末至六十年代中是中國空間結(jié)構(gòu)一個較為輝煌的時期，雖然工程項目不 多，但工程已包括薄殼、懸索、網(wǎng)架、網(wǎng)殼等多種結(jié)構(gòu)形式，并且這些工程都具有跨度 大的特點。如北京工人體育館、浙江人民體育館、北京首都體育館等，在國際空間結(jié)構(gòu) 技術(shù)上都有一定的影響。這一時期的理論研究與工程實踐為今后中國空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展，奠定了堅實的基礎(chǔ)。2、七十年代末至八十年代初在整個六十年代末至七十年代中的十年“文革”期間，中國空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展基本上處于 停滯狀態(tài)，完成的工程也只限于幾座網(wǎng)架，如建成于1975年的上海體育館，直徑110m， 平板型三向網(wǎng)架。在七十年代末文化大革命”結(jié)束后，隨著國民經(jīng)濟的恢復(fù)，空間結(jié)構(gòu) 工

7、程界的一批有識之士，傾全力發(fā)展中國的空間結(jié)構(gòu)。主要以中國建筑科學(xué)研究院牽頭 開發(fā)出螺栓球節(jié)點網(wǎng)架與有中國特色的焊空心球節(jié)點網(wǎng)架，并主編網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施 工規(guī)定(JGJ7-80)，這一規(guī)程是國際上最早的在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工方面的技術(shù)規(guī)程， 于1981年頒布試行。規(guī)程的頒布使設(shè)計、施工安裝有章可循，是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)今后得以大 發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。在此期間國內(nèi)已開發(fā)出以空間桁架位移法的電算程序，可以用于 網(wǎng)架的內(nèi)力分析與計算。同時八十年代初期已出現(xiàn)了 45家網(wǎng)架結(jié)構(gòu)專業(yè)化生產(chǎn)廠家。 至此網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為一種成熟產(chǎn)品，形成了設(shè)計、制作、施工安裝的一套完整體系。網(wǎng)架 開始廣泛用于大跨度體育建筑。當(dāng)時建設(shè)的一些省會

8、城市的體育館，基本上都采用平板 型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，如上海游泳館，不對稱六邊形平面，對角最大距離95m； 1984年完工的 河北省體育館70.4mx83.2m；陜西省體育館66mx90m；深圳市1985年落成的四柱支承 的60m跨度，外圍尺寸90mx90m的平板二向正交網(wǎng)架等等。在我國對外援建的體育館 多達(dá)8座，跨度一般為60m80m，均采用平板網(wǎng)架。這一時期的一個顯著特點，是大 跨度體育館中基本上采用平板型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，而且大多只以建造省會及中等城市的體育 館?？傮w來說網(wǎng)架結(jié)構(gòu)已大量應(yīng)用，但相對而言其它結(jié)構(gòu)型式發(fā)展與應(yīng)用很少。該時期的一個可喜跡象是網(wǎng)架在單層工業(yè)廠房的應(yīng)用中作了初步嘗試，如1981年完

9、成的唐山機車車輛廠16000 E單層廠房，采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)尺寸為18mx18m。隨后 北京石化公司東風(fēng)化工廠地毯裝置主廠房，其柱網(wǎng)尺寸為18mx18m，總面積達(dá)4萬平 方米。通過這些工程，積累了大量寶貴經(jīng)驗，為今后網(wǎng)架在單層廠房的廣泛應(yīng)用打下了 堅實的基礎(chǔ)。上海體育館3、八十年代中至九十年代初該時期是中國空間結(jié)構(gòu)空前繁榮時期，建筑師已不再簡單滿足于普通的平板網(wǎng)架 結(jié)構(gòu)，開始追求新型的建筑造型，要求結(jié)構(gòu)工程師以新的結(jié)構(gòu)形式來代替平板網(wǎng)架。 此時空間結(jié)構(gòu)進(jìn)入日新月異的發(fā)展階段。懸索結(jié)構(gòu)再次得到重視，其優(yōu)美的曲線造型樂于被建筑師們采用。在理論研究方面 已編制出可用于索結(jié)構(gòu)、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的非線性分析軟件

10、，可以對索桁架、索網(wǎng)等進(jìn)行 分析計算，并對一些新型的結(jié)構(gòu)形式，如橫向加勁單曲懸索屋蓋、空間雙層索系， 國內(nèi)的研究單位與高校都做了系統(tǒng)的分析與試驗研究。在短短的七、八年間，國內(nèi) 就完成了各類形式的懸索與斜拉結(jié)構(gòu)計20余座。其中具有代表性的是1986年建成 的吉林滑冰館，平面尺寸59mx72m，采用空間雙層索系；1989年建成的安徽體育 館，跨度53mx72m，采用橫向加勁單曲懸索結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)形式隨后相繼用于上 海揚浦體育館、廣東潮州體育館。鞍形索網(wǎng)與中央大拱組合的雜交結(jié)構(gòu)有74mx79m 的*體育館，卵形平面73mx89m的青島市體育館。這里值得一提的是在山東淄博 地區(qū)，由于設(shè)計人員的不懈努力

11、，在淄博及周邊地區(qū)共完成6座中小跨度的懸索結(jié) 構(gòu)工程，且包含了各種結(jié)構(gòu)形式，是應(yīng)用與推廣懸索結(jié)構(gòu)的一個成功典范。與懸索結(jié)構(gòu)的發(fā)展相適應(yīng)，一種造型美觀、受力合理、制作簡便的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)興起 也是該時期一個突出特點。針對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力特征，尤其是網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題 作了從連續(xù)化到離散化的大量研究工作。網(wǎng)殼的節(jié)點形式，特別是對于單層網(wǎng)殼， 有采用焊接球節(jié)點、嵌入式轂式節(jié)點，當(dāng)跨度較小的單層球面網(wǎng)殼有加粗螺栓，加 大套筒的螺栓球節(jié)點。由于成熟的網(wǎng)架加工與施工安裝技術(shù)，可方便地應(yīng)用于網(wǎng)殼， 因此在八十年代后期至九十年代初網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)發(fā)展很快，據(jù)不完全統(tǒng)計這一時期的網(wǎng) 殼工程有五、六十項之多。結(jié)構(gòu)分有單層、雙層，

12、類型上分有球面殼、圓柱面殼、 雙曲扁殼、扭殼及各種復(fù)雜曲面殼及組合曲面網(wǎng)殼。單層球面網(wǎng)殼當(dāng)時首推建成于 1989年的山西稷山選煤廠煤庫，直徑47.2m，用嵌入式轂式節(jié)點。濟南動物園1989 年建成兩座單層球面網(wǎng)殼，直徑分別為40m與46m，采用焊接空心球節(jié)點。建成 于1989年的濮陽中原化肥廠尿素散裝庫，平面尺寸58mx135m，采用雙層圓柱面 殼。嘉興發(fā)電廠干煤棚，平面尺寸80mx102m，采用雙層三心圓柱面網(wǎng)殼。各種網(wǎng) 殼結(jié)構(gòu)形式多樣化是該時期的一大特點。在這一時期，又喜逢第十一屆亞運會于1990年在北京召開，期間新建各類場館 共計22座，其結(jié)構(gòu)形式多樣，有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、雜

13、交結(jié)構(gòu)等。 大跨網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在亞運會體育建筑中具有鮮明特點，如平面59.2mx59.2m的北京體育 學(xué)院體育館，采用四角帶落地斜撐的四塊組合雙層扭網(wǎng)殼。北京奧林匹克綜合館， 平面尺寸72mx83m，采用斜拉網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。北京石景山體育館正三角形邊長99m， 采用中間帶三角支撐的組合型雙層扭網(wǎng)殼。此外還有采用中間索拱與索網(wǎng)組合的北 京朝陽體育館，其橢園平面66mx78m。北京亞運會場館的另一個鮮明特點是由幾 種結(jié)構(gòu)形式按其各自特點組合形成雜交結(jié)構(gòu)。為了發(fā)展的需要，九十年代初對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)定(JGJ7-80)進(jìn)行了修訂， 并于1991年頒布了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程(JGJ7-91)，技術(shù)規(guī)范的修訂

14、與頒布 極大地促進(jìn)了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展，如1990年建成的西安秦兵馬俑2號坑 96mx96m網(wǎng)架，仍是國內(nèi)一個較大跨度結(jié)構(gòu)。另外研究開發(fā)出的新型的組合網(wǎng)架 結(jié)構(gòu)，即用鋼筋混凝土板作上弦，腹桿、下弦桿為鋼桿件組合而成，如1987年建 成的江西撫州地區(qū)體育館，平面尺寸45.5mx58m。1987年落成的新鄉(xiāng)市百貨大樓 加層擴建工程，樓層平面尺寸34mx34m，共加蓋4層。這一時期，國內(nèi)的組合網(wǎng) 架達(dá)到20余座。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)計算分析方面的重大突破是九十年代初，國內(nèi)的幾家研究單位、高校與設(shè) 計單位都先后開發(fā)出實用化的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)CAD程序，可以完成網(wǎng)架的前處理，自動滿 應(yīng)力設(shè)計，節(jié)點的自動設(shè)計，結(jié)構(gòu)圖與加工

15、圖的繪制等功能，使網(wǎng)架的設(shè)計快速、 準(zhǔn)確，有力地推動了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的普及。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在大面積工業(yè)廠房建設(shè)中得到更進(jìn)一步的推廣，如長春第二發(fā)動機廠6萬 E大面積單層工業(yè)廠房網(wǎng)架、柱網(wǎng)18mx18m，這一時期網(wǎng)架在單層工業(yè)廠房中的 應(yīng)用更加成熟，更樂于被設(shè)計人員采用。首先是大柱網(wǎng)便于滿足工藝流程要求，其 次是杰出的整體力學(xué)性能及快速的安裝與相對較低的造價使得在越來越多的工業(yè) 領(lǐng)域應(yīng)用，包括汽車制造、治金、輕工、紡織、造船等行業(yè)都采用大面積大柱網(wǎng)網(wǎng) 架結(jié)構(gòu)。正是這點，拓展了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域，面向了量大面廣的市場，因而最 具中國特色。北京體育學(xué)院體育館二、近期的發(fā)展 近時期，主要從1995年開始至今，中國

16、的空間結(jié)構(gòu)發(fā)展正向更深的層次邁進(jìn)，其主要特點 為：網(wǎng)架的應(yīng)用仍是最大的主流，網(wǎng)殼的跨度進(jìn)一步加大，薄殼結(jié)構(gòu)基本上不采用，懸索結(jié) 構(gòu)絕少采用，張拉整體結(jié)構(gòu)正處于研究的高潮，膜結(jié)構(gòu)在工程化方面開始起步。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)仍是空間結(jié)構(gòu)的最主要形式，國內(nèi)目前有網(wǎng)架專業(yè)化生產(chǎn)并有一定規(guī)模的生產(chǎn)廠 家，估計全國合計有5060家（若包括各小廠、小公司則將在200家以上），有45家廠家 產(chǎn)值超過億元，全國網(wǎng)架年竣工面積估計達(dá)200萬E以上，這個數(shù)量在世界上遙遙領(lǐng)先?？?度方面比較有影響的是1995年9月安裝完工的北京首都機場2x153mx90m的四機位巨型機 庫，該機庫大門處為153m雙跨連續(xù)跨的格構(gòu)式大梁，306mx

17、90m的三層網(wǎng)架支承于前側(cè)的 格構(gòu)式大梁與周邊柱上，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)用鋼量為 5000t。同期完成的還有廈門太古機庫，154mx70m ；成都飛機維修公司機庫，140mx82m。北京首都機場網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，現(xiàn)今向著更大的跨度發(fā)展，如1995年安裝完畢的哈爾濱速滑館，采用雙層網(wǎng)殼 結(jié)構(gòu)，兩端的半球殼加中間圓柱面殼，尺度達(dá)86.2mx191.2m。采用螺栓球節(jié)點，由于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)受力合理，其耗鋼量僅為50kg/E。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，鋁合金材料也在網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中得到了應(yīng)用。一些科研院所、大專 院校都對此展開了研究，并在工程中應(yīng)用，如某研究基地中的零磁車間，平面尺寸為22mx26m，整個建筑物的墻體及屋蓋均采用了

18、鋁合金網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。此外，在上海的八運會體育場館中鋁合金結(jié)構(gòu)也得到了應(yīng)用。國內(nèi)有5至6所大學(xué)與研究單位對張拉整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性與構(gòu)成機理等理論問題作了較為 深入的研究，有些單位還開發(fā)了分析程序并做了模型試驗予以驗證。膜結(jié)構(gòu)的研究在中國已有10余年的歷史，對膜結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，膜結(jié)構(gòu)的初始形狀確定， 非線性靜力分析、剪裁分析作了系統(tǒng)的研究，并與模型試驗相驗證，理論方面已有了足夠的 準(zhǔn)備。但主要由于膜材料供應(yīng)的原因，中國的膜結(jié)構(gòu)工程實踐才剛剛起步，這些工程有些是 由國外承包商完成的，有些是國內(nèi)企業(yè)施工的或購買進(jìn)口膜材或采用國內(nèi)生產(chǎn)的性能較差的 膜材。如由國外承包商承建的上海體育場立體桁架頂上的膜結(jié)構(gòu)，是

19、膜結(jié)構(gòu)用于空間結(jié)構(gòu)的 一個成功范例。由于從材料到施工都是國外技術(shù)，造價遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但對于膜結(jié)構(gòu)的 發(fā)展，意義是深遠(yuǎn)的。1995年由國產(chǎn)材料、國內(nèi)力量施工的北京順義某游泳館，平面尺寸 為30mx36m，采用氣承式空氣膜，預(yù)計使用年限10年以上，雖然構(gòu)造、施工方面都做得很 不夠細(xì)致，但畢竟可以稱得上國內(nèi)第一個全國產(chǎn)化的膜結(jié)構(gòu)。國內(nèi)隨后相繼建成的膜結(jié)構(gòu)有 蘇州樂園音樂廣場，面積2650 E，由5根桅桿支承構(gòu)成5座傘狀張拉膜；天津開發(fā)區(qū)泰達(dá) 體育場看臺，由14個7.8mx7.2m傘形膜組合成雨蓬；1998年初竣工的長沙世界之窗劇場膜 結(jié)構(gòu)，平面是扇形，面積為3500 E，采用索與膜結(jié)合的張力膜結(jié)

20、構(gòu)。膜結(jié)構(gòu)以其自重輕、 跨度大、施工快、造型優(yōu)、結(jié)構(gòu)與使用性能卓越而具有遠(yuǎn)大的的發(fā)展前途。上海體育館1992年建設(shè)部組織了中國建筑科學(xué)研究院等單位對原鋼筋混凝土薄殼頂蓋及樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè) 計計算規(guī)程(BJG16-65)進(jìn)行了修訂，并于1998年頒布了鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程 (JGJ/T22-98)。但國內(nèi)薄殼結(jié)構(gòu)工程近期除了江西宜春1994年建成拱跨48m的雙曲拋物面混 凝土扭殼后，一直再沒有工程應(yīng)用，主要原因是支模工作量大，施工相應(yīng)較困難，同時計算 工作也較麻煩，這是薄殼結(jié)構(gòu)最近很少采用的原因。同樣對于懸索結(jié)構(gòu)，雖然結(jié)構(gòu)性能很好， 但由于分析太復(fù)雜，又沒有實用化的分析軟件，而且對于邊緣構(gòu)件要求

21、很高，因而近年來沒 有發(fā)展。三.未來展望中國的空間結(jié)構(gòu)在新的2I世紀(jì)來臨之際還將會有很大的發(fā)展，首先是綜合國力 不斷強盛，中國已逐步具有建造超大跨度的經(jīng)濟實力。其次是體育運動的需要， 如能承辦2008年的*會或建室內(nèi)田徑場和足球場，國內(nèi)的近100m跨度就滿足不 了需要。同時一些公共建筑或特殊工業(yè)建筑如展覽館、候機候車廳、大型干煤棚、 大型飛機維修庫，都有這方面的迫切需求。最后是國內(nèi)對于大跨、超大跨建筑， 其結(jié)構(gòu)方面的研究與設(shè)計及制造方面，對網(wǎng)架網(wǎng)殼技術(shù)上已很成熟，而對張拉整 體及膜結(jié)構(gòu)，其基本條件也趨于成熟。對中國的空間結(jié)構(gòu)今后將側(cè)重于下列幾個 方面的發(fā)展：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)仍是空間結(jié)構(gòu)的主流，其最大跨度將會達(dá)到150