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大跨空間結構的開展----回顧與展望沈世釗土木工程學報 

摘要：大跨空間結構是現在開展最快的結構類型。 

大跨度修建及作為其中心的空間結構技能的開展狀況是代表一個國家修建科技水平的重要標志之一。膜結構就空間網格結構和張力結構兩大類介紹了國內外（但首要是國外）空間結構的開展現狀和遠景。對這一范疇幾個重要理論問題，包含空間結構的形狀剖析理論、大跨柔性屬蓋的動力風效應、網殼結構的穩(wěn)定性和抗震功能等問題的研討提出了觀點。 

一、概 述

在這實踐的三維世界里，任何結構物本質上都是空間性質的，只不過出于簡化規(guī)劃和締造的意圖，人們在許多場合把它們分化成一片片平面結構來進行結構和核算。與此同時，無法進行簡略分化的真實意義上的空間系統(tǒng)也一直沒有中止其本身的開展，并且日益顯示出一般平面結構無法比擬的五光十色和發(fā)明潛力，體現出大自然的美麗和奇特?？臻g結構的杰出作業(yè)功能不僅僅體現在三維受力，并且還因為它們通過合理的曲面形體來有用反抗外荷載的作用。當跨度增大時，空間結構就愈能顯示出它們優(yōu)異的技能經濟功能。事實上，當跨度到達必定程度后，一般平面結構往往已難于成為合理的挑選。從國內外工程實踐來看，大跨度修建大都選用各種方式的空間結構系統(tǒng)。 

近二十余年來，各種類型的大跨空間結構在美、日、歐等發(fā)達國家開展很快。修建物的跨度和規(guī)劃越來越大，現在，標準達150m以上的超大規(guī)劃修建已非單個；結構方式五光十色，選用了許多新資料和新技能，開展了許多新的空間結構方式。例如1975年建成的美國新奧爾良"超級穹頂"（Superdome），直徑207m，長時間被認為是世界上最大的球面網殼；現在這一位置已被1993年建成夏徑為222m的日本福岡體育館所替代，但后者更聞名的特點是它的可開合性：它的球形屋蓋由三塊可旋轉的扇形網殼組成，扇形沿圓周導軌移動，體育館即可呈全關閉、敞開1／3或敞開2／3等不同狀況。1983年建成的加拿大卡爾加里體育館選用雙曲拋物面索網屋蓋，其圓形平面直徑135m，它是為1988年冬季奧運會修建的，外形極為漂亮，迄今仍是世界上最大的索網結構。70年代以來，因為結構運用織物資料的改善，膜結構或索-膜結構（用索加強的膜結構）獲得了開展，美國締造了許多規(guī)劃很大的氣承式索-膜結構；1988年東京建成的"后樂土"棒球館，也選用這種結構技能尤為先進，其近似圓形平面的直徑為204m；美國亞特蘭大為1996年奧運會修建的"佐治亞穹頂"（Geogia Dome，1992年建成）選用新穎的全體張拉式索一膜結構，其準橢圓形平面的概括尺度達192mX241m。許多雄偉而賦有特征的大跨度修建已成為當地的標志性標志和聞名的人文景觀。 

因為經濟和文化開展的需求，人們還在不斷尋求掩蓋更大的空間，例如有人想象將整個街區(qū)、整個廣場、乃至整個山溝掩蓋起來構成一個可人工操控氣候的人聚環(huán)境或休閑環(huán)境；為了發(fā)掘和維護古代墳墓和重要奇跡，也有人想象選用超大跨度結構物將其掩蓋起來構成關閉的環(huán)境?，F在某些發(fā)達國家正在進行標準為300m以上的超大跨度空間結構的規(guī)劃方案討論。 

能夠這樣說，大跨空間結構是最近三十多年來開展最快的結構方式。世界《空間結構》雜志主編馬考夫斯基（Z.S.Makowski）說：在60年代"空間結構還被認為是一種興趣但仍屬生疏的非傳統(tǒng)結構，但是今日已被全世界廣泛承受。"從今日來看，大跨度和超大跨度修建物及作為其中心的空間結構技能的開展狀況已成為代表一個國家修建科技水平的重要標志之一。 

世界各國為大跨度空間結構的開展投入了很多的研討經費。例如，早在20年前美國土木工程學會曾組織了為期 10年的空間結構研討方案，投入經費 1550萬美元。同一時期，西德由斯圖加特大學掌管組織了一個"大跨度空間結構歸納研討方案"，每年研討經費100萬馬克以上。這些研討作業(yè)為各國大跨度修建的蓬勃開展奠定了堅實的理論基礎和技能條件。世界殼體和空間結構學會（IASS）每年定時舉辦年會和各種學術交流活動，是現在最受歡迎的聞名學術團體之一。 

我國大跨度空間結構的基礎本來比較單薄，但跟著國家經濟實力的增強和社會開展的需求，近十余年來也取得了比較迅猛的開展。工程實踐的數量較多，空間結構的類型和方式逐步趨向多樣化，相應的理論研討和規(guī)劃技能也逐步完善。以北京亞運會（1990）、哈爾濱冬季亞運會（1996）、上海八運會（1997）的許多體育修建為代表的一系列大跨空間結構--作為我國修建科技進步的某種標志在國內外都取得了必定影響。 ?? 　　種種痕跡闡明，我國盡管尚是一個開展中國家，但因為國大人多，跟著國力的不斷增強，要締造更多更大的體育、休閑、展覽、航空港、機庫等大空間和超大空間修建物的需求十分旺盛，并且這種需求量在必定程度上可能超過許多發(fā)達國家。這是我國空間結構范疇面對的巨大機會。 

但與世界先進水平相比，我國大跨空間結構的開展仍存在必定距離。首要體現在結構方式還比較拘束，較少斗膽立異之作，闡明新穎的修建構思與先進的結構發(fā)明之間尚缺乏理想的有機結合，尤其是150m以上的超大跨度空間結構的工程實踐還比較少；結構類型相對地集中于網架和網殼結構，懸索結構用得比較少，而一些有巨大遠景的新穎結構方式如膜結構和索-膜結構、全體張拉結構、可開合結構等在國外已有不少成功的工程實踐，在我國則還處于空白或困難起步階段。狀況看來是，我國空間結構的開展通過十余年來在較為平整的草原上的奔馳之后，好像遇上了一個需求盡力躍上的新臺階。這一新臺階包含資料和生產條件等技能問題，也包含沒有很好處理的一些理論問題。為促進我國空間結構進一步的更高層次的開展，有待科技作業(yè)者和企業(yè)家盡力發(fā)明條件，以求得這些技能問題和理論問題較快較好地處理。 

大跨空間結構的類型和方式十分五光十色，習慣上分為如下這些類型：鋼筋混凝土薄殼結構；平板網架結構；網殼結構；懸索結構；膜結構和索膜結構；近年來國外用的較多的"索穹頂"（Cable Dome)實踐上也是一種特別方式的索－膜結構；混合結構(Hybrid Structure)，通常是柔性構件和剛性構件的聯合使用。 　　在上述各種空間結構類型中，鋼筋混凝土薄壁結構在50年代后期及60年代前期在我國有所開展，其時締造過一些中等跨度的球面殼、柱面殼、雙曲扁殼和扭殼，在理論研討方面還投入過許多力氣，制定了相應的規(guī)劃規(guī)程。但這種結構類型日前使用較少，首要原因可能是施工比較費時費事。平板網架和網殼結構，還包含一些未能獨自歸類的特別方式，如折板式網架結構、多平面型網架結構、多層多跨框架式網架結構等，總起來可稱為空間網格結構。這類結構在我國開展很快，且繼續(xù)不衰。懸索結構、膜結構和索膜結構等柔性系統(tǒng)均以張力來反抗外荷載的作用，可總稱為張力結構。這類結構賦有開展遠景。