浅谈大跨度空间结构

【摘 要】随着社会的发展、建筑科学的不断进步，人类对大跨空间结构的需求量越来越大、功能要求越来越多，机场、车站、体育场馆、桥梁等设施大都属于大跨度建筑，其结构形式多样、发展前景广阔。本文简单介绍了大跨度空间结构及大跨度结构建筑实例。

【关键词】大跨度；空间结构；建筑

一、引言

在人类社会的发展历程中，人们一直渴望建筑能够提供更大跨度和空间，空间结构的发展很大程度上反映了人类建筑史的发展。世界各国对空间结构的研究和发展都极为重视，以新型的空间结构来展示本国的建筑科学技术水平，空间结构已经成为衡量一个国家建筑技术水平高低的标志之一。

二、大跨空间结构简介

横向跨越60m以上空间的各类结构可称为大跨度空间结构。常用的大跨度空间结构形式包括充气结构、折板结构、悬索结构、网壳结构、网架结构、篷帐张力结构等。以下将简单介绍网壳结构、网架结构、悬索结构。

（一）网壳结构

网壳结构是一种与平板网架类似的空间杆系结构，系以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体结构布置的空间构架，它兼具杆系和壳体的性质。网壳结构兼有杆件结构和薄壳结构的主要特性，受力合理，可以跨越较大的跨度。刚度大，结构变形小，稳定性高，节省材料。建筑造型优美，应用范围广，在建筑平面上可以适应多种形状，如圆形、矩形、多边形、扇形以及各种不规则的平面，在建筑外形上可以形成多种曲面。杆件单一，安装简便快速，适应采用各种条件下的施工工艺，不需要大型设备，综合效益较好。例如1989年建成的北京奥林匹克体育中心综合体育馆，平面尺寸为，采用人字形截面双层圆柱面斜拉网壳。又如1988年建成的北京体院体育馆，采用带斜撑的四块组合型双层扭网壳，平面尺寸为59.2m见方，矢高3.5m，挑檐3.5m，为我国跨度最大的四块组合型扭网壳。

（二）网架结构

网架结构是由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连结而成的空间结构。具有空间受力小、重量轻、刚度大、抗震性能好、安全储备高、安装方便等优点。缺点是汇交于节点上的杆件数量较多，制作安装较平面结构复杂。例如首都机场机库，平面尺寸，采用平面网架结构，只有大门中间有一个柱子。

（三）悬索结构

悬索结构是由柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构，是最古老的结构形式之一。索的材料可以采用钢丝束、钢丝绳、钢铰线、链条、圆钢，以及其他受拉性能良好的线材。悬索结构能充分利用高强材料的抗拉性能，可以做到跨度大、自重小、材料省、易施工。例如江阴大桥桥型采用主跨为1385m的钢悬索，是我国第一座跨径超越千米的特大型钢箱梁悬索桥，建成时在已建桥梁中位列中国第一、世界第四。

三、国内外大跨度空间结构

（一）空间结构发展历史

国外大跨度空间结构发展得比较早，在18世纪末、19世纪初已经建造多数空间结构。空间结构最早是使用石头建造，混凝土出现后发展为以混凝土为主建造，随着钢筋加入结构工程，将混凝土受压性能与钢筋良好的受拉性能结合，使大跨度空间结构实现了质的提升。之后，随着建筑科技的发展，各种复合材料加入到建筑工程中，空间结构从质量、跨度都有了很大的提高。国内大跨度空间结构发展较晚，直到20世纪中叶才开始兴起建造。近年来我国大跨度空间结构发展迅速，特别是北京奥运会的大型体育场馆的建设规模和技术水平在世界上都是领先的，将成为我国空间结构发展的里程碑。

公元前1000多年便出现了空间结构，古希腊迈西尼（Mycenae）国王墓砖砌穹隆，直径14.78m；万神殿（Pantheon）是古罗马最著名的穹顶，约始建于公元前14年，是建筑史上最早、跨度最大的拱结构，直径达43.5m；公园537年，东罗马帝国建造圣索菲亚教堂（Sancta Sophia），用砖砌筑；公元1912年，波兰洛兹格拉夫（Wroclaw）市纪念大厅，是一座带肋穹顶，直径达65m；公元1922年，由瓦尔特.鲍尔斯菲尔德（Walter Bauersfeld）建造的第一座钢筋混凝土薄壳穹顶诞生，净跨25m，厚度只有60.3mm；公元1612年建造的罗马圣彼得教堂（SantPeter）用砖石建造，中央大厅之上覆盖直径为41.91m的大穹顶。

（二）国外大跨空间结构建筑介绍

札幌穹顶体育场位于日本北海道札幌市，于2001年3月落成启用，可容纳42，122名观众，是一个棒球与足球两用的有盖体育场。其建筑面积有53800㎡，总楼面面积为97503㎡。上盖直径为245m，看台倾斜度为30度。首尔世界杯体育馆（Seoul World Cup Stadium）位于韩国首尔麻浦区，2001年12月落成启用，占地约21.7万㎡，全场拥有6.5万个座位，是世界上惟一一座内部建有地铁站的运动场馆。首尔体育馆在设计方面别出心裁，从外观来看，它借鉴了韩国传统器皿——八角托盘的造型，表达了国民喜迎宾客的诚意；由16根桅杆作支撑的银白色顶棚，既像一只凌空飞舞的盾形风筝，又像一艘穿梭于码头的巨型帆船。多伦多天穹巨馆于1989年投入使用，是世界上第一座屋顶能够自由开合的多功能运动场。穹顶的高度为86m，直径达208m，由4块金属盖板组成，其中3块可以平移或旋转。天穹体育馆内设有6.6万个观众席，还可容纳8架波音747飞机或616头非洲象。

（三）国内大跨空间结构建筑介绍

首都体育馆于1966年6月1日动工，1968年10月正式交付使用。占地面积7公顷，平面呈矩形，建筑物东西长122.2m，南北长107m。比赛大厅屋盖净跨，屋盖结构为平板型双向空间钢网架。上海体育场（Shanghai Stadium），又称“上海八万人体育场”，是目前我国规模最大、设施最为先进的大型室外体育场和上海的标志性建筑之一，建筑面积达17万㎡。设计上采用了外环圆形，内环椭圆形，呈波浪式马鞍形的整体结构。广东奥林匹克体育中心体育场处于广东奥林匹克体育中心的南部，占地30万㎡，可容纳观众80012人。于1998年12月31日动工兴建，2001年9月22日落成。创造了国内体育场馆六个“最”：在国内同类场馆中建设速度最快；目前国内规模最大、最好；最早采用分开的“缎带”式屋顶；电子田径记分系统最先进；电子显示屏效果全国最佳；舞台——舞台规模最大。在设计上首次打破了国内体育场传统圆型的设计观念，采用了飘带造型的独特设计。体育场盖顶分东、西两片钢屋架，重达11000吨，弯曲地坐落在21组塔柱上。南京奥林匹克体育中心体育场建筑面积约13.6万㎡，观众席位62000座。体育场的上空有两条跨度近400m的大拱，每个大拱约1400吨的重量及45度的倾角使施工的复杂性和难度成为世界少有的难题。于2002年8月18日正式开工，2004年底建成，2005年5月1日交付运行。

国家大剧院外部为钢结构壳体，呈半椭球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，高46.68m，地下最深32.50m，周长达600余米，院高46.68m。由法国建筑师保罗·安德鲁主持设计，是亚洲最大的剧院综合体。国家大剧院壳体由18000多块钛金属板拼接而成，面积超过30000㎡，18000多块钛金属板中

四、结语

大跨度空间结构是国家建筑科学技术发展水平的重要标志之一，未来前景广阔。我国在大跨度结构建筑方面起步较玩，与世界一些发达国家相比较落后。但发展迅速，已建成一些世界级的大跨空间结构建筑，在某些技术上甚至已经达到世界领先水平。

【参考文献】

[1]董石麟， 姚谏. 中国网壳结构的发展与应用[C].第六届空间结构学术会议论文集. 北京： 地震出版社， 中国土木工程学会桥梁及结构工程学会空间结构委员会， 1992： 34-36.

[2]完海鹰， 黄炳生. 大跨度空间结构. 北京： 中国建筑工业出版社，2007.

[3]王典武. 大跨度异型钢桁架安装过程试验研究与数值分析[D]. 青岛理工大学， 2010.