空间结构发展前景论文

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摘要：20世纪人们为开放与交流而兴建的建筑都有要求一个大的空间,其中有代表性的是体育、会议展览和机场建筑,并采用了不少引人注目的空间结构.文中评述了当代体育建筑中采用空间结构后些典型工程,最后讨论了另空间结构的发展水平和前景,并指出有必要扭转结构形式与结构防护在设计上的被动局面.

关键词：空间结构结构艺术

一、前言

当世界即将迈入21世纪之际，回顾人类发展的历史，就可发现其中一个显著的特点就是其活动空间的不断改善与扩充。远古伊始，人类或挖洞穴居、或构木为巢，仅是为争取胜一个生存的空间，随着科学技术的发展，人们懂得运用各种材料建造出更牢固、更舒适的空间。从古罗马的圣彼得大教堂到当今英国正在兴建的“千年穹顶”，其直径由42m扩大到320m，就是一个鲜明的例证。

20世纪人类的活动更加走向开放，人们已不再闭关自守，而是不断扩大国与国、洲与洲以至全世界范围的交流。这种需求必然会影响人类建设的格局。在各种交流活动中，体育比赛无异是一种最激动人心的方式。因此，奥林匹克体育竞赛馆、世界杯足球比赛场……就在世界各地堀起。学术、文化、艺术与商业上的交流促使一些大城市建成了规模庞大的会议展览中心，此外，各种临时性与永久性的博览会，也要求提供上万平方米的面积。为了进行交流，人们要更多地乖坐飞机旅行，20世纪是喷气式客机的世纪，因而大规模的候机大厅与飞机库就在本世纪诞生。这些建筑都有毫无例外地要求一个大的活动空间，因而跨度大、自重轻、造型富于变化就成为这些建筑的共同特征，有时还要求所围护的空间能够随时开启与闭合。纵观建筑结构的发展历史，三维的空间结构是最能满足以上要求的，往往成为众多结构方案中的首选。[1、2]

在人类古老的建筑中早就已经出现了空间结构的痕迹,例如我国半坡遗址的居屋就是一个原始的空间骨架,而北美印第安人从他们始祖继承下来的棚屋,其以枝条搭成的穹顶与现代网壳则有惊人的类似.其后,自欧洲文艺复兴时代所出现的教堂建筑,以砖石构成的穹顶虽然又厚又重,但在某种程度上仍体现了空间作用.然而现代空间结构的出现,应该从20世纪初期兴建的钢筋混凝土薄壳算起,这应该道德归功于先进建筑材料—钢铁与混凝土的诞生.第二次世界大战之后,百废待兴,大量的建筑使空间结构走向蓬勃发展的康庄大道.50年代后期以杆件组成的空间网格结构崭露头角,其中平板形的称为网架,曲面形的称为网壳.这种结构的杆件以钢、木或铝合金制成,通过节点组合成网状结构.以后又陆续出现了以受拉来主要受力特征的张拉结构,起初有以钢索承重的悬索结构,其后则有以合成材料制成建筑织物来受力的膜结构.就结构自重而言,从砖石穹顶的6400㎏/㎡减少到膜结构的10㎏/㎡,说明了建筑结构飞跃的进步.因此,空间结构已成为本世纪建筑结构学科中最重要与最活跃的发展领域之一.

空间结构建造及其所采用的技术往往反映了一个国家建筑技术的水平,一些规模宏大、形式新颖、技术先进的大型空间结构也成为一个国家经济实力与建筑技术水平的重要标志.近年来,世界各国在体育场馆、会议展览中心与机场的大规模建筑中采用了不少引人注目功能的要求.集中反映了当今的世界潮流,下面拟就体育建筑中采用空间结构后些典型工程加以评述,并对中国今后空间结构的发展提出一些看法.

二、当代工程进展

体育建筑一直是空间结构应用的广泛领域,其中网架又是在早期建造得最多的一种结构类型,60年代在美国洛杉矶加利福尼亚大学体育馆采用的网架结构启发下,中国用自己的力量设计与建造了首都体育馆.当时加州大学体育馆的尺寸是91m×122m,采用正放四角锥网架,而首都体育馆的尺寸则是99m×112m,采用两向正交斜放网架.这个大跨度网架的成功兴建大大推动了网架在体育建筑中的应用,此后一些省市的主体育馆几乎无一例外地都有采用网架结构.1990年北京为亚运会所建设的13项大中型体育馆中,就有半数以上采用了网架结构,可见其影响之深远.

近年来,可能由于平板型网架的外形过于单调,失去了建筑师们的偏爱.另外,由于计算机的迅猛发民展使曲面形网壳的设计与制作大为方便,因而在体育建筑中网壳的应用有逐步上升的趋势，特别是穹顶几乎风靡了日本全国.

穹顶（dome）就其原意来说是一个半圆形的顶盖，而用网壳建造穹顶并非新事，早在本世纪初，德国工程师施威德勒（Schwedler）就发明了一种肋环斜杆型的网壳，这种以他名字命名的网壳一直在圆形屋顶的建设流传。70年代美国休斯顿的宇宙穹顶（Astrodome）和新奥尔良的超级穹顶（Superdome）也分别以196m和207m的直径保持了多年的网壳大跨度记录。90年代这种穹顶在日本得到了振兴，其名称为被音译为“多姆”（卜-），其外形也不限制为圆形了。一些城市的体育馆都有被称为“多姆”，象大阪、名古屋、大馆、熊本以及札幌、仙台等地已建成或准备兴建的“多姆”就不下二来个。这种穹顶的特点是，不仅可以用作体育比赛，还可以用作多种文化活动与展览的场所，这正符合了人们要求交流的需要，同时在建筑与结构上也有所创新.

日本名古屋穹顶（图1）是当前世界上跨度最大的单层网壳。该体育馆整个圆形建筑的直径为229.6m,支承在看台框架柱顶的屋盖直径则有187.2m,采用以钢管构成的三向网格.每个节点上都有六根杆件相交,采用直径为1.45m的加肋圆环,钢管杆件与圆环焊接,成为能承受轴向力与弯矩的刚性节点.由于罗马尼亚布加勒斯特穹顶的单层网壳(直径93.5m)在1961年的一次暴风雪后出现过倒塌事故,大跨度的单层网壳一直被视为.名古屋穹顶之所以获得突破性的进展是与科研工作分不开的.在设计中曾对各种荷载情况以及抗震、稳定与施工过程中的缺陷进行了详细的分析和研究.

大阪穹顶的中间部分是直径为134m的双层网壳,周围与宽16m的Y形钢框架相连接,形成直径为166m的圆形顶盖.整个网壳通过受拉环支承在九层高的框架上.如图2所示,大阪穹顶在建筑上有一些特色,首先是在框架顶部建造了一圈作为商业与文化娱乐用的拱形“节日大厅”,宛如浮云环绕着穹顶.此外,穹顶上部的顶棚可以上下移动以满足不同的功能,譬如体育比赛时,顶棚向上升高,形成宽敞的空间,而举行文艺演出时,顶棚可以下调,以增强音响效果。

澳大利亚悉尼市为主办2000年的奥运会而兴建了一系列体育场馆[3].其中国际水上运动中心与用作球类比赛的展览馆采用了材料各异的网壳结构.水上运动中心的屋盖净跨67m,采用带拉杆的圆柱形网壳(图3).钢管杆件沿斜向布置并将推力传给边桁架,沿纵向每隔25m设一道加劲拱形桁架.这样形成的受力体系是:重力荷载由带拉杆的网壳拱肋承受,而稳定性与抗弯刚度则由加劲桁架提供.该馆的一个特点是奥运会期间可向外增设8000个座位,为此沿一侧纵墙设置了一榀净跨140m的拱形立体桁架,其斜杆用来悬吊网壳屋盖并防止拱的侧向压屈。

皇家农学会的展览馆在奥运会期间用作排球、手球与羽毛球比赛之用,包括一个直径100m的圆球形网壳与三个跨度为67m,矩形平面的圆柱形网.两个网壳均为单层,采用三角形网格.杆件为胶合木梁,两端以钢节点连接,可承受压力与弯矩.如此大跨度的单层网壳,稳定性是结构设计上的主要考虑,三角形网格就可提供较强的剪切刚度防止局部失稳.此外圆球壳采用较大的矢高一35m,圆柱壳则每隔3m6加设V形桁架相连系.胶合木梁的杆件稳定性则以固定在梁顶部的连续圆钢管檩条来保证。

由于建筑织物这一新型材料的出现,使膜结构逐渐得到了应用。当代日本的穹顶开始于东京的后乐园球场。这个直径204m的气承式空气膜结构以其最先进的自动控制技术来维持屋盖的安全。在此之间，美国的一些气承式空气膜结构体育馆曾多次发生事故。因此这个机械、电子与土建相结合的智能建筑多少消除了人们的担心，也使日本建设省下决心批准这种空气膜结构可以作为永久性建筑。然而，曾几何时，昂贵的运转与维持费用又使后乐园背上了沉重的经济包袱，以致日本以后的穹顶大多采用空间网格结构来支承膜屋面。

位于日本雪国秋田“空中穹顶”建于1990年，当时是仅次于后乐园的大型室内运动场。建筑切取球体的一部分，长边为130m，短边为100m，高30m，采用骨架支承膜结构（图4）。屋盖的格构式空间拱系沿长向为空腹拱、沿短向为钢管拱，交点为刚接。沿长向还设置钢索，以便对膜面施加张力，从而在屋面上形成V形槽沟，使雪易于滑落。另外利用紧贴膜面的钢管拱作为通道，向其中送暖风，对屋盖起融雪作用。屋面膜材为单层玻璃纤维织物涂敷特氟隆。这是位于寒冷地区的体育馆采用大跨度膜结构的成功范例。同样位于秋田的大馆穹顶，其屋面也采用了V形膜面，但为双层，支承骨架则是胶合木拱。这个平面为卵形的网壳（178m×157m）因地制宜地采用了当地生产的木材，成为当前世界上最大的木穹顶。值得注意的是，有一些大跨度网壳采用了木结构，一方面是利用木材便于受压的特点，一方面也是由于当前“绿色建筑”的潮流所驱使。

日本熊本公园体育场，不像东京后乐园那样采用全封闭的气承式空气膜结构，而是在主屋盖部分采用了杂交索加强双层气承式空气膜结构，其基本设计思想是使屋盖像浮云一样覆盖在大地上。双层空气膜结构直径为107m，中心部分设置了高14m的圆锥形钢结构中心环。中心环与周围的环状桁架之间由上下各48根钢索连接并覆盖以膜材，完工后向双层膜中加压，以保持其设计开头结构体系和双层空气膜的构成如图5所示。熊本穹顶是由传统的气胀式空气膜结构和车轮型索结构复而成。钢索不仅是作为膜的加强材料，也是主要的承重结构，形成了融合两种特色的杂交结构。

70年代，美国盖格尔总结了气承式空气膜结构的经验教训，在已故著名结构专家富勒创始的“张拉整体”（Tensegrity）体系这一概念的基础上，首先提出了以索、膜与压杆组成的“索穹顶”设计，荷载从中心受拉环通过一系列幅射状脊索、受拉环索与斜拉索，传到周围的受压圈梁上。这种结构成功地被用在1986年韩国汉城奥运会的体操馆与击剑馆上，其直径分别为120m与93m。其后索穹顶得到了不断地创新与发展，用于美国伊利诺斯州立大学红鸟体育馆（椭圆形91m×77m）、台湾桃园体育馆（直径136m）以及佛罗里达的太阳海岸穹顶等工程其中跨度最大的是太阳海岸穹顶（图6），由于直径达210m，设置了四道受拉环索，为了满足棒球比赛的要求，屋盖倾斜为6°，最高点离地面68m，使空间符合飞球的射线。玻璃纤维膜材敷设在主结构的脊索与幅射状的谷索之间，后者将膜材下压并张紧，同时也便于排水。

美国李维也继承了“张拉整体”的构想，并采用了富勒以三角形为基础的屋盖体系，开始称为“双曲抛物面一张拉整体穹顶”，以后注册“腾星”（Tenstar）穹顶，其处女代表作就是1996年在美国亚特兰大举行的奥运会主馆—佐治亚穹顶。这个尺寸为235m×186m的拟椭圆形索膜结构构成为世界上最大的室内体育馆。穹顶的上索网采用三角形网格，膜采用菱形单元以便形成具有足够刚度的双曲抛物面。以后这种穹顶又用于阿根廷的拉普拉达体育场，平面由两个重叠的圆（直径为85m，圆心相距48m）组成，具有双峰的外形。两个腾星穹顶支承在看台顶部周边三角形桁架和中间钢拱架上。屋面采用22%透光率的新型织物，加上周边开敞和良好的通风系统，使得草坪得以生长。

在所有的体育建筑中，体育场可说是变化最大的，也最富有特点。最初的体育场不过是一片没有遮蔽的露天场地，周围设置了一些看台，以后勤部部分看台上加了挑蓬，其悬挑的跨度不过十来米。随着需求的增长和技术的进步，不但悬挑跨度越来越大，覆盖的范围也发展到了全部看台，仅留下了中央的一部分露天比赛场。然而，体育场的发展并未到此为止，中间部分的顶盖还能做成晴天开敞、雨天遮蔽的开闭结构，以至体育场和体育馆之间已没有什么严格的界限了。

近代体育场的兴起首先要归功于世界杯足球赛，因为每次比赛都要在若干个城市的足球场上进行角逐，像1990年世界杯赛在意大利举行，就新建或改建（加盖）了11座体育场。其中罗马奥运会体育场原建于1960年，平面尺寸为308m×237m，改建时采用了以幅射状索桁架与受拉内环相结合的结构体系，悬挑跨主工业区50m。新建的巴里足球与田径场则以成对的悬挑箱形钢拱作为承重结构，最大悬挑跨度为26m。两者都采用涂敷特氟隆的玻璃纤维布作为屋面。

此外，世界上一些主要城市也都需要一个达到国际标准、观众席在3万人以上的体育场。正因为这个原因，香港在1994年对原有的露天下政府大球场进行扩建，将观众席增加至4万。由于现存的钢筋混凝土看台已不堪重负，在结构布置上另辟蹊径，即沿球场长向设置两铰落地拱，来承担部分屋盖重量。拱与看台边梁之间架设曲线形立体桁架，其上铺以膜材，形成折线形屋面。钢拱跨度为240m，矢高50m，采用3.m5方形截面.立体桁架的跨度在4m0至55m之间,为三角形截面,高3.5m桁架之间设有谷索用来张紧膜材(图7).

作为2000年奥运会主办城市的悉尼,理所当然地需要建设一座大型体育场,其设计规模为8万人,奥运会期间可扩充到11万人.结构布置类似香港体育场,也是沿长向设置两铰落地拱,跨度达290m,但看台屋盖则是采用了两片新月形的双曲抛物面网壳,这样的几何造型更美观,同时双曲面也能发挥其空间作用.钢拱为三角形截面的格构式桁架,最大高度12.m,每个网壳覆盖了大约220m×70m的面积,为双层铰接,最大厚度4.5m,网格尺寸为10m,网壳上覆盖以半透明的聚碳酸脂屋面板。

作为采用膜结构的挑蓬来说,以受拉内环、索桁架与受压圈梁相组合的结构体系是一种适宜的选型.1990年罗马奥运会体育场扩建,1993年德国斯图加特为举办世界田径锦标赛将原有体育场改建都采用了这种形式.1998年马来西亚吉隆坡为英联邦运动会新建了一个10万人体育场,其平面尺寸为286m×255.6m,看台的挑蓬跨度达66.5m.和前两个体育场不同的是它的受拉内环做成双层,上下索之间以高18～20m的钢柱相连系,周围的受压圈梁则为Ф1400㎜×35㎜的钢管.在受拉内环与圈梁之间有36榀幅射状的索桁架,其上设置了带拉杆的钢管拱,拱与拱之间可形成马鞍形膜屋面,膜材采用了聚氯乙烯树脂，外加一层含氟高分子的保护层。

三、中国的发展水平与前景

自从50年以来，中国在空间结构领域获得了长足的进步，不论是工程应用或理论研究方面均在国际上占有一席之地，网架结构的应用范围与面积已位居世界各国前列，像首都体育馆上上海体育馆这样万人级的体育馆仍是大跨度网架结构中的佼佼者，近年来网壳结构逐渐兴起，在体育馆建设中颇有取代网架之势。天津市体育馆的双层球形网壳，直径有135m，黑龙江速滑馆的主体结构采用由中央圆柱面与两端半圆球面组成的双层网壳，其轮廓尺寸为86.2m×191.2m.中国的悬索结构早在60年代即已起步[4],当时曾建造了直径94m的圆形双层悬索,用于北京工人体育馆.其后在安徽体育馆等工程上采用的横向加劲悬索体系,以及在吉林滑冰馆采用的空间双层索系,都体现了中国在这方面的创新.相形之下,同属于张拉体系的膜结构,在中国的发展还比较落后.但最近建成的上海体育场马鞍形看台挑蓬,采用悬挑钢桁架覆以伞形膜材,是中国的第一个大跨度膜结构,虽然其技术与材料主要还依靠国外,但对中国膜结构的发展必然将起推动作用.值得提出的是,中国在制定空间结构技术规范的工作上在世界上是独树一帜的,有关薄壳、网架、网壳、悬索等的规程与标准,有的已经颁发,有的正在编制,这些技术文件是中国在空间领域内工程实践和科研成果的结晶.

展望未来,中国正沿着改革开放道路阔步前进,随着交流的进一步扩大,必将建设更多的体育、展览、会议和机场建筑.这将为空间结构的发展提供一个好的机会.经验证明,为了推动应用,相应的理论研究是必不可少的,过去,这些工作也有必要继续进行下去,以冀空间结构不断获得理论储备[5].根据国外的经验,还有两个薄弱环节严重地影响着中国空间结构的向前发展,即结构形式和结构防护,必需及早扭转目前的被动局面.

空间结构最大的优点在于它形式的多样化.然而,在设计过程中结构工程师往往是被动地去满足建筑师所提出的建筑造型,而不是在设计一开始就主动地参与确定形式,这对于初始形状不确定的张拉结构就更不合理了,决定结构形式不仅要依靠设计者的直觉和灵感,也要更多地采用理性的科学方法.近年来在国外已出现了好几种“工具”可用来研究结构形式.

首先是结构形态学（StructuralMorphology）[6],它专门研究结构承重构件与形式之间的关系,包含了形状、材料、荷载与结构体系四大要素,这就需要建筑与结构的设计研究人员共同参与.位于美国亚利桑那州沙漠中的“生物圈”2（Biosphere2）,采用了全封闭的空间网格结构,这个建筑就是根据结构形态学的原理而设计的.其欠,结构优化已经被成功地运用在大量生产的汽车和飞机设计中,而采用复杂程度更高的形状与拓朴优化对于空间结构也具有巨大的潜力.为此,结合特定的材料、考虑多工况与多目标函数、以造价为推动力,都是使结构优化进入实用的必要条件.德国拉姆（Ramm）等对壳体开头与厚度的优化具有启发意义[7],中国对网架高度与网格的优化成果已被列入设计规程中.此外,日本半谷裕彦提出“形态分析”则从另一个角度来研究,结构形式,所谓“形”（form）是指结构的曲面形状与厚度,所谓“态”（system）则指网格的划分、层数以及构件的拓朴等.形态分析是在设计过程中采用广义逆矩阵的解析与系统方法[8].

空间结构除了静荷载之外,还要承受像地震或风之类的动力作用.一般结构设计都是有多大的力就配以多大的截面,处于被动地位,而更积极的办法是采用阻尼器等措施减少作用力,对地震或风进行主动的防护.早在1964年,日本东京代代木体育馆的悬索结构就曾在主索上采用了油阻尼器以防止未能预计的强风对结构的危害,但以后在空间结构中未得到推广.近年来,国外在高层与高耸结构中常采用主动或被动的阻尼装置来减轻动力作用的影响,这种经验也被引用到大跨度结构中.旧金山国际机场候机大厅中,用以支承大跨度钢桁架的柱脚步与基础间就设置了基底隔震器,可以抵御8级以上的地震,是世界上最大的采用基底隔震的结构.另外,台湾一座火车站的大跨度壳体屋盖,以26对吊杆悬吊在一对跨长174m的钢索上,为了减少对悬挂屋盖的风振,设置了8对粘弹性阻尼器[9].目前还有人研究在网壳上设置调频质量阻尼器(TMD)作为被动减震的手段.因此,不断探索对结构形式与结构防护的有效方法,必将使空间结构更加合理、经济与安全.