現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)在中國的發(fā)展前景

李娜++牛平美

摘 要： 20世紀(jì)人們?yōu)殚_放與交流而興建的建筑，其中有代表性的是體育、會(huì)議展覽和機(jī)場 建筑，并采用了不少引人注目的空間結(jié)構(gòu).文中評述了當(dāng)代體育建筑中采用空間結(jié)構(gòu)后些典型工程， 最后討論了另空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展水平和前景，并指出有必要扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)形式與結(jié)構(gòu)防護(hù)在設(shè)計(jì)上的被動(dòng)局面.

關(guān)鍵詞： 空間結(jié)構(gòu) ；結(jié)構(gòu)藝術(shù)

一、前言

當(dāng)世界即將邁入21世紀(jì)之際，回顧人類發(fā)展的歷史，就可發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是其活動(dòng)空間的不斷改善與擴(kuò)充。 遠(yuǎn)古伊始，人類或挖洞穴居、或構(gòu)木為巢，僅是為爭取勝一個(gè)生存的空間，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們懂得運(yùn)用各種材料建 造出更牢固、更舒適的空間。從古羅馬的圣彼得大教堂到當(dāng)今英國正在興建的“千年穹頂”，其直徑由42m擴(kuò)大到320m ，就是一個(gè)鮮明的例證。

20世紀(jì)人類的活動(dòng)更加走向開放，人們已不再閉關(guān)自守，而是不斷擴(kuò)大國與國、洲與洲以至全世界范圍的交流。 這種需求必然會(huì)影響人類建設(shè)的格局。在各種交流活動(dòng)中，體育比賽無異是一種最激動(dòng)人心的方式。因此，奧林匹 克體育競賽館、世界杯足球比賽場……就在世界各地堀起。學(xué)術(shù)、文化、藝術(shù)與商業(yè)上的交流促使一些大城市建成 了規(guī)模龐大的會(huì)議展覽中心，此外，各種臨時(shí)性與永久性的博覽會(huì)，也要求提供上萬平方米的面積。為了進(jìn)行交流 ，人們要更多地乖坐飛機(jī)旅行，20世紀(jì)是噴氣式客機(jī)的世紀(jì)，因而大規(guī)模的候機(jī)大廳與飛機(jī)庫就在本世紀(jì)誕生。這 些建筑都有毫無例外地要求一個(gè)大的活動(dòng)空間，因而跨度大、自重輕、造型富于變化就成為這些建筑的共同特征，有時(shí)還要求所圍護(hù)的空間能夠隨時(shí)開啟與閉合?？v觀建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史，三維的空間結(jié)構(gòu)是最能滿足以上要求的， 往往成為眾多結(jié)構(gòu)方案中的首選。

在人類古老的建筑中早就已經(jīng)出現(xiàn)了空間結(jié)構(gòu)的痕跡，例如我國半坡遺址的居屋就是一個(gè)原始的空間骨架，而北 美印第安人從他們始祖繼承下來的棚屋，其以枝條搭成的穹頂與現(xiàn)代網(wǎng)殼則有驚人的類似.其后，自歐洲文藝復(fù)興時(shí) 代所出現(xiàn)的教堂建筑，以磚石構(gòu)成的穹頂雖然又厚又重，但在某種程度上仍體現(xiàn)了空間作用.然而現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的出 現(xiàn)，應(yīng)該從20世紀(jì)初期興建的鋼筋混凝土薄殼算起，就結(jié)構(gòu)自重而言，從磚石穹頂?shù)?400㎏/㎡減少到膜結(jié)構(gòu)的10㎏/㎡，說明了建筑結(jié)構(gòu)飛 躍的進(jìn)步.因此，空間結(jié)構(gòu)已成為本世紀(jì)建筑結(jié)構(gòu)學(xué)科中最重要與最活躍的發(fā)展領(lǐng)域之一。

近年來，世界各國在體育場館、會(huì)議展覽中心與機(jī) 場的大規(guī)模建筑中采用了不少引人注目功能的要求.集中反映了當(dāng)今的世界潮流，下面擬就體育建筑中采用空間結(jié)構(gòu) 后些典型工程加以評述，并對中國今后空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展提出一些看法。

二、當(dāng)代工程進(jìn)展

60年代在美國洛杉磯加利福尼亞大學(xué)體育館采用的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)啟發(fā)下，中國用自己的力量設(shè)計(jì)與建造了首都體育館.當(dāng)時(shí)加州大學(xué)體育館的尺 寸是91m×122m，采用正放四角錐網(wǎng)架，而首都體育館的尺寸則是99m×112m，采用兩向正交斜放網(wǎng)架.這個(gè)大跨度網(wǎng)架 的成功興建大大推動(dòng)了網(wǎng)架在體育建筑中的應(yīng)用，此后一些省市的主體育館幾乎無一例外地都有采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

近年來，可能由于平板型網(wǎng)架的外形過于單調(diào)，另外，由于計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)民展使曲面形網(wǎng)殼的設(shè)計(jì)與制作大為方便，因而在體育建筑中網(wǎng)殼的應(yīng)用有逐步上升的趨勢，特別是穹頂幾乎風(fēng)靡了日本全國。

日本名古屋穹頂是當(dāng)前世界上跨度最大的單層網(wǎng)殼。該體育館整個(gè)圓形建筑的直徑為229.6m，支承在看臺(tái)框架柱頂?shù)奈萆w直徑則有187.2m，采用以鋼管構(gòu)成的三向網(wǎng)格.每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都有六根桿件相交，采用直徑為 1.45m的加肋圓環(huán)，鋼管桿件與圓環(huán)焊接，成為能承受軸向力與彎矩的剛性節(jié)點(diǎn)。

由于建筑織物這一新型材料的出現(xiàn)，使膜結(jié)構(gòu)逐漸得到了應(yīng)用。當(dāng)代日本的穹頂開始于東京的后樂園球場。這個(gè) 直徑204m的氣承式空氣膜結(jié)構(gòu)以其最先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)來維持屋蓋的安全。在此之間，美國的一些氣承式空氣膜結(jié)構(gòu)體育館 曾多次發(fā)生事故。因此這個(gè)機(jī)械、電子與土建相結(jié)合的智能建筑多少消除了人們的擔(dān)心，也使日本建設(shè)省下決心批準(zhǔn)這種空氣 膜結(jié)構(gòu)可以作為永久性建筑。然而，曾幾何時(shí)，昂貴的運(yùn)轉(zhuǎn)與維持費(fèi)用又使后樂園背上了沉重的經(jīng)濟(jì)包袱，以致日本以后的穹 頂大多采用空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來支承膜屋面。

近代體育場的興起首先要?dú)w功于世界杯足球賽，因?yàn)槊看伪荣惗家谌舾蓚€(gè)城市的足球場上進(jìn)行角逐，像1990年世界杯賽在意大利舉行，就新建或改建（加蓋）了11座體育場。

三、中國的發(fā)展水平與前景

自從50年以來，中國在空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域獲得了長足的進(jìn)步，不論是工程應(yīng)用或理論研究方面均在國際上占有一席之地，網(wǎng)架結(jié) 構(gòu)的應(yīng)用范圍與面積已位居世界各國前列，像首都體育館上上海體育館這樣萬人級的體育館仍是大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中的佼佼者，相形之下，同屬于張拉體系的膜結(jié)構(gòu)，在中國的發(fā)展還比較落后.但最近建成的上海體育場馬鞍形 看臺(tái)挑蓬，采用懸挑鋼桁架覆以傘形膜材，是中國的第一個(gè)大跨度膜結(jié)構(gòu)，雖然其技術(shù)與材料主要還依靠國外，但對中國膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展必然將起 推動(dòng)作用.值得提出的是，中國在制定空間結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范的工作上在世界上是獨(dú)樹一幟的，有關(guān)薄殼、網(wǎng)架、網(wǎng)殼、懸索等的規(guī)程與標(biāo)準(zhǔn)，有的 已經(jīng)頒發(fā)，有的正在編制，這些技術(shù)文件是中國在空間領(lǐng)域內(nèi)工程實(shí)踐和科研成果的結(jié)晶。

展望未來，中國正沿著改革開放道路闊步前進(jìn)，隨著交流的進(jìn)一步擴(kuò)大，必將建設(shè)更多的體育、展覽、會(huì)議和機(jī)場建筑.這將為空間結(jié)構(gòu)的 發(fā)展提供一個(gè)好的機(jī)會(huì).經(jīng)驗(yàn)證明，為了推動(dòng)應(yīng)用，相應(yīng)的理論研究是必不可少的，過去，這些工作也有必要繼續(xù)進(jìn)行下去，及早扭轉(zhuǎn)目前的被動(dòng)局面。

空間結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)在于它形式的多樣化.然而，在設(shè)計(jì)過程中結(jié)構(gòu)工程師往往是被動(dòng)地去滿足建筑師所提出的建筑造型，而不是在設(shè)計(jì) 一開始就主動(dòng)地參與確定形式，這對于初始形狀不確定的張拉結(jié)構(gòu)就更不合理了，決定結(jié)構(gòu)形式不僅要依靠設(shè)計(jì)者的直覺和靈感，也要更多地 采用理性的科學(xué)方法.近年來在國外已出現(xiàn)了好幾種“工具”可用來研究結(jié)構(gòu)形式。

中國對網(wǎng)架高度與網(wǎng)格的優(yōu)化成果已被列入設(shè)計(jì)規(guī)程中.此外， 日本半谷裕彥提出“形態(tài)分析”則從另一個(gè)角度來研究，結(jié)構(gòu)形式，所謂“形”（form）是指結(jié)構(gòu)的曲面形狀與厚度，所謂“態(tài)”（system） 則指網(wǎng)格的劃分、層數(shù)以及構(gòu)件的拓樸等.形態(tài)分析是在設(shè)計(jì)過程中采用廣義逆矩陣的解析與系統(tǒng)方法。

近年來，國外在高層與高聳結(jié)構(gòu)中常采用主動(dòng)或被動(dòng)的阻尼裝置來減輕動(dòng) 力作用的影響，這種經(jīng)驗(yàn)也被引用到大跨度結(jié)構(gòu)中.舊金山國際機(jī)場候機(jī)大廳中，用以支承大跨度鋼桁架的柱腳步與基礎(chǔ)間就設(shè)置了基底隔震器，可以抵御8級以上的地震，是世界上最大的采用基底隔震的結(jié)構(gòu).另外，臺(tái)灣一座火車站的大跨度殼體屋蓋，以26對吊桿懸吊在一對跨長174m的鋼索上，為了減少對懸掛屋蓋的風(fēng)振，設(shè)置了8對粘彈性阻尼器.目前還有人研究在網(wǎng)殼上設(shè)置調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD）作為被動(dòng)減震的手段. 因此，不斷探索對結(jié)構(gòu)形式與結(jié)構(gòu)防護(hù)的有效方法，必將使空間結(jié)構(gòu)更加合理、經(jīng)濟(jì)與安全。

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