大跨度空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史及分類

【摘 要】按照古代、近代、現(xiàn)代的時(shí)間順序介紹空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程。按傳統(tǒng)劃分方法、單元組成劃分法對(duì)空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，后者能更好的囊括和包絡(luò)既有的空間結(jié)構(gòu)形式。

【關(guān)鍵詞】大跨度空間結(jié)構(gòu)；發(fā)展歷史；分類

1982年中國(guó)成立空間結(jié)構(gòu)委員會(huì)，在此后三十多年里大跨度空間結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速，興建了大量體育場(chǎng)館、會(huì)議展覽館、機(jī)場(chǎng)車庫(kù)、大型娛樂(lè)場(chǎng)所、多功能廳等，結(jié)構(gòu)在跨度上跨度的要求越來(lái)越高，在形式上，也不斷創(chuàng)新。

一、空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史

在二十世紀(jì)前，古代空間結(jié)構(gòu)就已經(jīng)出現(xiàn)并大量應(yīng)用，主要標(biāo)志性結(jié)構(gòu)為拱券式穹頂，該結(jié)構(gòu)充分利用拱券合理傳力的原理， 有連環(huán)拱、交叉拱、拱上拱、大拱套小拱。該類結(jié)構(gòu)的代表工程：南京無(wú)梁殿（明洪武14年），平面尺寸38m×54m， 凈高 22m。

二十世紀(jì)初葉（1925年）后，涌現(xiàn)了大梁的近代空間結(jié)構(gòu)，主要標(biāo)志性結(jié)構(gòu)為薄殼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和一般懸索結(jié)構(gòu)。其中薄殼結(jié)構(gòu)代表工程有：北京火車站（1959年），跨度35m×35m；網(wǎng)架結(jié)構(gòu)代表工程有：首都體育館（1968年），跨度99m ×112.2m；懸索結(jié)構(gòu)代表工程：北京工人體育館（1961年，跨度94m），浙江人民體育館（1967年，跨度60m ×80m ）， 成都城北體育館（1979年，跨度61m）。

到二十世紀(jì)末葉（1975 年前后） ，現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)開(kāi)始發(fā)展， 其主要標(biāo)志性結(jié)構(gòu)為索膜結(jié)構(gòu)、索桿張力結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)等。例如，2008 年建成的114m×144m北京奧運(yùn)會(huì)國(guó)家體育館是世界上最大跨度的雙向弦支桁架結(jié)構(gòu)。

二、按傳統(tǒng)方法劃分空間結(jié)構(gòu)

按傳統(tǒng)的劃分方法，空間結(jié)構(gòu)分為薄殼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)五類。五種空間結(jié)構(gòu)的定義及主要形式如下：

（一）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是以多根桿件按照一定規(guī)律組合而成的網(wǎng)格狀高次超靜定空間桿系結(jié)構(gòu)，有以下主要形式：（1）平面桁架系組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，主要有兩向正交正放網(wǎng)架、兩向斜交斜放網(wǎng)架、兩向正交斜放網(wǎng)架、三向網(wǎng)架等型式。（2）四角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要有正放四角錐網(wǎng)架、斜放四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、棋盤(pán)形四角錐網(wǎng)架、星型四角錐網(wǎng)架、單向折線型網(wǎng)架等型式。（3）三角錐組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要有三角錐網(wǎng)架、抽空三角錐網(wǎng)架（分Ⅰ型和Ⅱ型）、蜂窩形三角錐網(wǎng)架等型式。（4）六角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要形式有正六角錐網(wǎng)架。

（二）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是將桿件沿著某個(gè)曲面有規(guī)律地布置而組成的空間結(jié)構(gòu)體系其受力特點(diǎn)與薄殼結(jié)構(gòu)類似，是以“薄膜”作用為主要受力特征的。主要有球面網(wǎng)殼、雙曲面網(wǎng)殼、圓柱面網(wǎng)殼、雙曲拋物面網(wǎng)殼等。

（三）薄膜結(jié)構(gòu)以性能優(yōu)良的柔軟織物為材料，由膜內(nèi)空氣壓力支承膜面，或利用柔性鋼索或剛性支承結(jié)構(gòu)使膜產(chǎn)生一定的預(yù)張力，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大空間的結(jié)構(gòu)體系。主要有空氣支承膜結(jié)構(gòu)、張拉式膜結(jié)構(gòu)、骨架支承膜結(jié)構(gòu)等形式。

（四）懸索結(jié)構(gòu)是以能受拉的索作為基本承重構(gòu)件，并將索按照一定規(guī)律布置所構(gòu)成的一類結(jié)構(gòu)體系。懸索結(jié)構(gòu)按索的布置方向和層數(shù)分為：?jiǎn)蜗騿螌討宜鹘Y(jié)構(gòu)、輻射式單層懸索結(jié)構(gòu)、雙向單層懸索結(jié)構(gòu)、單向雙層預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu)、輻射式預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu)、雙向雙層預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)結(jié)構(gòu)等。

（五）薄殼結(jié)構(gòu)指建筑工程中滿足t/R≤1/20的殼體。薄殼結(jié)構(gòu)按曲面形成可分為旋轉(zhuǎn)殼與移動(dòng)殼；按建造材料分為鋼筋混凝土薄殼、磚薄殼、鋼薄殼和復(fù)合材料薄殼等。

除以上幾種空間結(jié)構(gòu)外，尚有組合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、管桁結(jié)構(gòu)、張弦梁結(jié)構(gòu)、點(diǎn)連接玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)等幾種常用空間結(jié)構(gòu)。

三、按單元組成劃分空間結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)的空間結(jié)構(gòu)多達(dá)38種，若按上訴傳統(tǒng)分類方法則很難囊括和包絡(luò)現(xiàn)有的各種形式。根據(jù)空間結(jié)構(gòu)的單元組成來(lái)分類各種形式的空間結(jié)構(gòu)，可避免傳統(tǒng)分類方法的局限性，分別是板殼單元、梁?jiǎn)卧?、桿單元、索單元和膜單元共五種。僅由單一單元組成的結(jié)構(gòu)有15種，由兩種及以上單元組成的結(jié)構(gòu)有23種。由兩種及以上單元組成的結(jié)構(gòu)僅以一種單元為主要組成單元，以板殼為主的結(jié)構(gòu)有4種，以梁為主的結(jié)構(gòu)有6種，以桿為主的結(jié)構(gòu)有6種，以索為主結(jié)構(gòu)有5種，以膜為主的結(jié)構(gòu)有2種。具體見(jiàn)表1。

參考文獻(xiàn)：

[1]董石麟.空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史、創(chuàng)新、形式分類與實(shí)踐應(yīng)用[J].空間結(jié)構(gòu)，2009，15（3）：23-41.

[2]劉錫良主編.現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)[M].天津：天津大學(xué)出版社，2002.