大跨度结构简介

摘要：20世纪的工业革命推动了建筑技术的发展，在出现了水泥和钢铁等新型材料之后，人们学会了建造拱、钢架之类的平面结构，跨越50—70m的跨度。随着生活水平的提高，人类从事生产和社会活动对更大跨度的空间突出了需要。

关键词：大跨度；结构；体系

中图分类号：TU318 文献标识码：A

1.分类介绍

（1）空间网格结构 网壳结构的出现早于平板网架结构。在国外，传统的肋环型穹顶已有一百多年历史，而第一个平板网架是1940年在德国建造的（采用Mero体系）。中国第一批具有现代意义的网壳是在50和60年代建造的，但数量不多。当时柱面网壳大多采用菱形“联方”网格体系。直到80年代初期，第一个平板网架（上海师范学院球类房，31.5mx40.5m）于1964年建成以来，网架结构才有了较好发展势头。当时平板网架在国内还是全新的结构形式，这两个网架规模都比较大，即使从今天来看仍然具有代表性，因而对工程界产生了很大影响。在当时体育馆建设需求的激励下，国内各高校、研究机构和设计部门对这种新结构投入了许多力量，专业的制作和安装企业也逐渐成长，为这种结构的进一步发展打下了较坚实的基础。改革开放以来的十多年里是我国空间结构快速发展的黄金时期而平板网架结构就自然地处于捷足先登的优先地位。甚至80年代后期北京为迎接1990年亚运会兴建的一批体育建筑中，多数仍采用平板网架结构。在这一时期，网架结构的设计已普遍采用计算机，生产技术也获得很大进步，开始广泛采用装配式的螺栓球结点，大大加快了网架的安装。

（2）膜结构

膜结构（Membrane Structures）是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式，是由多种高强薄膜材料(PVC或Teflon)及加强构件(钢架、钢柱或钢索)通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状，作为覆盖结构，并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。充气膜结构是靠室内不断充气，使室内外产生一定压力差（一般在10mm－30mm水柱之间），室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力，从而实现较大的跨度。张拉膜结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型，其造型非常优美灵活。 膜结构所用膜材料由基布和涂层两部分组成。基布主要采用聚酯纤维和玻璃纤维材料；涂层材料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。常用膜材为聚酯纤维覆聚氯乙烯（PVC）和玻璃纤维覆聚聚四氟乙烯（Teflon）。PVC材料的主要特点是强度低、弹性大、易老化、徐变大、自洁性差，但价格便宜，容易加工制作，色彩丰富，抗折叠性能好。为改善其性能，可在其表面涂一层聚四氟乙烯涂层，提高其抗老化和自洁能力，其寿命可达到15年左右。Teflon材料强度高、弹性模量大、自洁、耐久耐火等性能好，但它价格较贵，不易折叠，对裁剪制作精度要求较高，寿命一般在30年以上，适用于永久建筑。

（3）张力结构

中国现代悬索结构的发展始于50年代后期和60年代，北京的工人体育馆和杭州的浙江人民体育馆是当时的两个代表作。北京工人体育馆建成于1961年，其圆形屋盖采用车辐式双层悬索体系，直径达94m。浙江人民体育馆建成于1967年，其屋盖为椭圆平面，长径80m，短径60m．采用双曲抛物面正交索网结构。世界上最早的现代悬索屋盖是美国于1953年建成的Raleigh体育馆，采用以两个斜放的抛物线拱为边缘构件的鞍形正交索网。我国建造的上述两个悬索结构无论从规模大小或技术水平来看在当时都可以说是达到国际上较先进水平的。但此后我国悬索结构的发展停顿了较长一段时间，一直到80年代，由于大跨度建筑的发展而提出的对空间结构形式多样化的要求，这种形式丰富的轻型结构重新引起了人们的热情，工程实践的数量有较大增长，应用形式趋于多样化理论研究也相应地开展起来形势相当喜人。2.新体系

（1）折叠结构

折叠结构（Deployable Structures）是一种用时展开、不用时可折叠收起的结构。从这个意义上说，有着悠久历史广为人们所熟悉的雨伞或遮阳伞就是一种折叠结构，这表明折叠结构的思想古已有之，但折叠结构用于建筑领域、并形成相应的设计计算理论是近几十年的事。1961年西班牙建筑师皮奈偌（P．Pinero）展出了他的作品，一个可折叠移动的小剧院，人们从中发现了这种结构的诸多优点。折叠结构一般可重复使用，且折叠后体积小，便于运输及储存，与永久性建筑物相比不仅在施工上省时省力，而且可避免不必要的资金再投入而造成的浪费。随着人们对“折叠”概念的逐渐理解，折叠结构在计算理论上及结构形式上都得以很大发展，目前这种结构已走出实验室，得到了广泛的工程应用。在生活领域，可用于施工棚、集市大棚、临时货仓等临时性结构；在军事上可用于战地指挥、战场救护、装配抢修及野外帐篷等，对提高部队的后勤保障能力、增加部队战斗力有重要意义；在航空航天领域，折叠结构有着不可替代的地位，已用作太阳帆、可展式无线等。   

（2）开合结构

开合结构（Retractable Structures）的出现与人类体育事业的发展密切相关，是当代人类物质文化生活水平发展到相当程度，人们对体育比赛场馆功能要求日益完美的结果。体育场空间本来是个开放的空间，古代的奥运会就是在有天然草皮的大地上，在阳光的照射与微风的吹拂中召开的。然而，热衷于体育运动的现代人却发展成了室内体育馆，通过装备一些设备，将室外体育设施室内化，把体育赛事作为一种观赏项目开展起来。这样做不仅能在比较恶劣的环境条件下保护观众和运动员，而且实现了能在预定的时间内，进行预定的体育比赛，这是体育现代化的必然要求。这种建造大型运动场馆的技术早已具备，而且无数的体育场馆已投入使用。但是这些带有屋顶的运动场并非剧场，人们还是憧憬着大自然的天空，大自然的阳光，大自然的和风，如果条件允许，敞开式运动场是受观众和运动员欢迎的，因此开合式屋盖结构应运而生。对一个开合结构工程的评价是多方面的，应依据具体结构的功能及规模等进地，如屋盖开启状态下的开启、天空形状、屋盖形状、屋盖阴影、亮度对比，屋盖关闭后的屋盖形状、屋盖性能、屋盖的耐久性、屋盖的开合方式、屋盖走行部的运转，工程费用高低、施工难度、建筑面积及工程占地面积等都应是开合结构评价的主要内容。

（3）张拉整体结构

“张拉整体”（Tensegrity）概念是美国著名建筑师富勒（R．B．Fuller）的发明，它是“张拉”（tensile）和“整体”（integrity）的缩合。一这概念的产生受到了大自然的启发。富勒认为宇宙的运行是按照张拉整体的原理进行的，即万有引力是一个平衡的张力网，而各个星球是这个网中的一个个孤立点。按照这个思想张拉整体结构可定义为一组不连续的受压构件与一套连续的受拉单元组成的自支承、自应力的空间网格结构。这种结构的刚度由受拉和受压单元之间的平衡预应力提供，在施加预应力之前，结构几乎没有刚度，并且初始预应力的大小对结构的外形和结构的刚度起着决定性作用。由于张拉整体结构固有的符合自然规律的特点，最大限度地利用了材料和截面的特性，可以用尽量少的钢材建造超大跨度建筑。

3．总结

本文介绍空间结构，代表了当前世界空间结构的发展方向，可以说今后谁占有这几方面的优势，谁就必然在世界空间结构发展中占有领先地位。应当看到，我国在空间结构的前沿领域与世界发达国家差距还很大，在张拉整体结构、开合结构以及折叠结构的工程实践方面几乎属于空白。因此摆在我们面前的任务还很艰巨，利用我们所学的知识运用到实际工程中去，并将其发展改造创新，是我们努力的方向。