大跨度空間及其鋼結(jié)構(gòu)工程實(shí)現(xiàn)問題探討

　　摘要：大跨度空間結(jié)構(gòu)是土木工程領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。通過對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)及其發(fā)展、鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其在實(shí)現(xiàn)大跨度空間結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)與建造中的有效途徑等分析，認(rèn)識(shí)到大跨度空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與建造是一個(gè)國家建筑科技水平的重要標(biāo)志；鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)大跨度空間工程中具有在“高、大、輕”等獨(dú)特優(yōu)勢，是實(shí)現(xiàn)大跨度空間結(jié)構(gòu)建設(shè)的重要途徑；可通過空間網(wǎng)格（網(wǎng)架、網(wǎng)殼）、張力（懸索、膜、索-膜）和混合等鋼結(jié)構(gòu)形式具體實(shí)現(xiàn)不同要求和目標(biāo)的大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建造。
　　關(guān)鍵詞：大跨度空間 鋼結(jié)構(gòu) 工程實(shí)現(xiàn)
　　中圖分類號(hào)：TU3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791 (2010)4(a)-0000-00
　　1、引言
　　在三維世界里的任何物體都具有空間性質(zhì)；但出于設(shè)計(jì)和建造的簡化目的，人們往往把它們分成多個(gè)平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)造和計(jì)算。空間結(jié)構(gòu)具有卓越的工作性能，在結(jié)構(gòu)力學(xué)上表現(xiàn)為三維受力，可通過合理的曲面形體來有效抵抗外荷載的作用（完海鷹和黃炳生，2008）；而且當(dāng)跨度增大時(shí)，空間結(jié)構(gòu)就愈能顯示出優(yōu)異的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。大跨度空間結(jié)構(gòu)及其工程實(shí)現(xiàn)令土木工程界關(guān)注（王秀麗，2008；王國亮，2010）。大跨度空間結(jié)構(gòu)工程及其發(fā)展如何？鋼結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)現(xiàn)大跨度空間有何作用？鋼結(jié)構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)工程建筑的空間大跨度？本文主要針對(duì)這些問題作初步分析，旨在交流研修心得。
　　2、大跨度空間結(jié)構(gòu)及其發(fā)展
　　空間結(jié)構(gòu)工程中的“跨度”是指工程建筑物中梁、屋架、拱券兩端的支柱、橋墩或墻等承重結(jié)構(gòu)之間的距離（哈爾濱建筑工程學(xué)院，1985）。
　　以往工業(yè)用結(jié)構(gòu)跨度多在12~24m，考慮到主流建筑材料的性能和工程經(jīng)濟(jì)效益，通常認(rèn)為大于30m即被理解為“大跨度”。2003年12月以來我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）中規(guī)定“大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)系指跨度等于或大于60m的屋蓋結(jié)構(gòu)，可采用桁架、剛架或拱等平面結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)架、網(wǎng)殼、懸索和索膜等空間結(jié)構(gòu)。”
　　近20余年來，各種大跨度空間結(jié)構(gòu)在美、日、歐等國家發(fā)展很快，跨度150m以上的超大規(guī)模建筑已非個(gè)別，出現(xiàn)了許多新的空間結(jié)構(gòu)形式。美國新奧爾良“超級(jí)穹頂”（Superdome）直徑207m，長期被認(rèn)為是世界上最大的球面網(wǎng)殼；目前已被直徑222m的日本福岡體育館所取代，而且它的球形屋蓋由三塊可旋轉(zhuǎn)的扇形網(wǎng)殼組成，扇形沿圓周導(dǎo)軌移動(dòng)，體育館即可呈全封閉、開啟1/3或開啟2/3等不同狀態(tài)。加拿大卡爾加里體育館采用雙曲拋物面索網(wǎng)屋蓋，其圓形平面直徑135m，它外形美觀，迄今仍是世界上最大的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)70年代以來，由于織物材料的使用，膜結(jié)構(gòu)或索-膜結(jié)構(gòu)（用索加強(qiáng)的膜結(jié)構(gòu)）獲得了發(fā)展，美國建造了許多規(guī)模很大的氣承式索-膜結(jié)構(gòu)；東京“后樂園”棒球館，也采用這種結(jié)構(gòu)技術(shù)，其近似圓形平面的直徑為204m；美國亞特蘭大為奧運(yùn)會(huì)修建的“佐治亞穹頂”（Geogia Dome）采用新穎的整體張拉式索-膜結(jié)構(gòu)，其準(zhǔn)橢圓形平面的輪廓尺寸達(dá)192mX241m。我國大跨度空間結(jié)構(gòu)工程近年有了驕人的成績，建造了包括國家大劇院、國家體育場等大跨度建筑物。
　　目前某些發(fā)達(dá)國家正在進(jìn)行跨度300m以上的超大跨度空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案探討。大跨度空間結(jié)構(gòu)是最近三十多年來發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)形式。國際《空間結(jié)構(gòu)》雜志主編Makowski說：“在20世紀(jì)60年代空間結(jié)構(gòu)還被認(rèn)為是一種興趣但仍屬陌生的非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然而今天已被全世界廣泛接受”。大跨度建筑物及作為其核心的空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r已成為代表一個(gè)國家建筑科技水平的重要標(biāo)志。
　　3、鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)大跨度空間工程中的優(yōu)越性
　　鋼結(jié)構(gòu)是指用鋼板和熱扎、冷彎或焊接型材通過連接件連接而成的能承受和傳遞荷載的結(jié)構(gòu)形式。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)大跨度空間工程中具有在“高、大、輕”等獨(dú)特優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在：
　　1）主體采用結(jié)構(gòu)鋼作為建筑材料，重量輕且強(qiáng)度高。鋼材作為一種輕質(zhì)高強(qiáng)的工程材料，它的應(yīng)用大大減輕了結(jié)構(gòu)物本身的自重。當(dāng)跨度和荷載相同時(shí)，鋼屋架的重量只有鋼筋混凝土屋架重量的1/4~1/3（王秀麗，2008）。此外，對(duì)于大跨度結(jié)構(gòu)，空間跨度越大意味著結(jié)構(gòu)自重在整個(gè)荷載中所占比重越大，鋼結(jié)構(gòu)無疑在減小自重方面擁有其他結(jié)構(gòu)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。
　　2）鋼結(jié)構(gòu)塑性、韌性良好。鋼材的塑性良好意味著大跨度鋼結(jié)構(gòu)在抵御外部荷載時(shí)不會(huì)因某些因素而發(fā)生突然的脆性破壞，保證了結(jié)構(gòu)擁有一定的安全儲(chǔ)備。而大跨度鋼結(jié)構(gòu)的韌性則使其在由地震、風(fēng)力等因素引起的動(dòng)荷載作用下具備足夠的分散并傳遞荷載效應(yīng)的能力，這在大跨度空間結(jié)構(gòu)抗震分析理論中尤為重要。
　　3）鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化程度高。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件多是工廠預(yù)制、批量生產(chǎn)、機(jī)械化制造，生產(chǎn)效率高，速度快，成品精度與質(zhì)量易于保證，是工程結(jié)構(gòu)中工業(yè)化程度最高的。這一優(yōu)勢能明顯降低工程造價(jià)，縮短工程周期，提高經(jīng)濟(jì)效益。這在要求工期的工業(yè)裝配車間建造中尤為明顯。
　　4）鋼結(jié)構(gòu)跨度大，對(duì)地表空間的利用率較高，這使其具備了一般結(jié)構(gòu)所無法滿足的功能要求。同時(shí)大跨度空間結(jié)構(gòu)還可以與建筑藝術(shù)相融合，在一定程度上體現(xiàn)了建筑美學(xué)的設(shè)計(jì)理念，特別適用于航站樓、體育場館、影劇院的大型公共建筑。
　　可見，鋼結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)大跨度空間結(jié)構(gòu)建設(shè)的重要途徑。
　　4、鋼結(jié)構(gòu)的大跨度空間工程實(shí)現(xiàn)途徑
　　利用鋼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大跨度空間結(jié)構(gòu)工程建設(shè)的途徑多樣（完海鷹和黃炳生，2008），伴隨工程技術(shù)水平的不斷提高，先后出現(xiàn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)和索-膜結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)都具有空間網(wǎng)格特點(diǎn)，可歸為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)一類；懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)和索-膜結(jié)構(gòu)等柔性體系均以張力來抵抗外荷載的作用，可總稱為張力結(jié)構(gòu)一類；近年還出現(xiàn)柔性構(gòu)件和剛性構(gòu)件聯(lián)合應(yīng)用的混合結(jié)構(gòu)（Hybrid Structure）。
　　1）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)
　　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是由很多根桿件從兩個(gè)或多個(gè)方向有規(guī)律組成的高次超靜定結(jié)構(gòu)（圖1左）。自第一個(gè)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)（上海師范學(xué)院球類房，31.5m×40.5m）于1964年建成以來，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一直保持良好發(fā)展勢頭；1967年建成的首都體育館采用斜放正交網(wǎng)架，其矩形平面尺寸為99m×112m，厚6m，采用型鋼構(gòu)件，高強(qiáng)螺栓連接，用鋼指標(biāo)65kg/m2（1kg每平米≈9.8pa）；1973年建成的上海萬人體育館采用圓形平面的三向網(wǎng)架凈架110m，厚6m，采用圓鋼管構(gòu)件和焊接空心球結(jié)點(diǎn)，用鋼指標(biāo)47kg/m2；1990年在北京建成的一批亞運(yùn)會(huì)體育場館以及近年建成的國家體育場和中央電視臺(tái)等都采用了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)（圖1）。
　　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能承受來自各個(gè)方向的荷載；結(jié)構(gòu)整體性能良好，空間剛度大；體系穩(wěn)定，抗震性好；可以利用小規(guī)格桿件保證大跨度要求；具備一定的靈活性，能覆蓋矩形、圓形、多邊形等各種地上面積。因?yàn)榫W(wǎng)架結(jié)構(gòu)系高次超靜定結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)計(jì)算較為繁瑣，以往其應(yīng)用受到一定程度的限制；近年來，由于電子計(jì)算技術(shù)及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)無論在結(jié)構(gòu)模型方面還是實(shí)際工程應(yīng)用方面都有了相當(dāng)迅速的發(fā)展。
　　
　　2）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)
　　隨著經(jīng)濟(jì)、文化需求的擴(kuò)大和人們對(duì)建筑欣賞品位的提高，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種空間曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（圖2左），兼有桿系結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單和薄殼結(jié)構(gòu)受力合理的特點(diǎn)，因而跨越能力大、剛度好、省材料，是大跨度鋼結(jié)構(gòu)中非常重要的結(jié)構(gòu)類型。
　　
　　中國第一批具有現(xiàn)代意義的網(wǎng)殼是在20世紀(jì)50-60年代為數(shù)不多的建筑，當(dāng)時(shí)柱面網(wǎng)殼大多采用菱形“聯(lián)方”網(wǎng)格體系，1956年建成的天津體育館（跨度52m）和l961年同濟(jì)大學(xué)建成的鋼筋混凝土網(wǎng)殼（跨度40m）為其重要代表。球面網(wǎng)殼則主要采用助環(huán)型體系，1954年建成的重慶人民禮堂半球形穹頂（跨度46.32m）和1967年建成的鄭州體育館圓形鋼屋蓋（跨度64m）是當(dāng)時(shí)僅有的兩個(gè)規(guī)模較大的球面網(wǎng)殼。自此以后直到20世紀(jì)80年代初期，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在我國沒有得到進(jìn)一步的發(fā)展。1994年建成的天津體育館采用肋環(huán)斜桿（Schwedler）型雙層球面網(wǎng)殼，其圓形平面凈跨108m；1995年建成的黑龍江省速滑館用以覆蓋400m速滑跑道，其巨大的雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)由中央柱面殼部分和兩端半球殼部分組成，輪廓尺寸86.2mx191.2m，覆蓋面積達(dá)15000平米，網(wǎng)殼厚度2.1m；1997年剛建成的長春萬人體育館平面呈桃核形，由肋環(huán)型球面網(wǎng)殼切去中央條形部分再拼合而成，體型巨大，如果將外伸支腿計(jì)算在內(nèi)，輪廓尺寸達(dá)146mx191.7m，是我國第一個(gè)方鋼管網(wǎng)殼。新世紀(jì)法國建筑師保羅·安德魯與清華大學(xué)合作設(shè)計(jì)的中國國家大劇院即采用空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)（圖2），工程屋面呈半橢球狀，整體為橢圓穹形結(jié)構(gòu)，猶如從星系上落下來的一艘飛船，又如漂浮在水面上的島嶼；其外殼采用鈦合金與玻璃作為材料，外觀輕盈，并修筑于水面之上，完美體現(xiàn)了工程與美學(xué)的融合；整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)共占地約12萬平方米，總建筑面積14.95萬平方米，橢圓大穹頂東西跨度212米，南北跨度144米，周長約6000米，屬國內(nèi)建筑之最（自《國家大劇院方案設(shè)計(jì)揭標(biāo)》）。
　　
　　圖2 國家大劇院中的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)
　　網(wǎng)殼中的空間曲面結(jié)構(gòu)受力合理、剛度和穩(wěn)定性良好，變形較小；外形美觀，能與建筑美學(xué)相互融合，具備視覺觀賞性；網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的曲面形狀有利于自然排水；由桿件在空間搭接拼裝，安裝快速簡便，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。不過應(yīng)當(dāng)注意的是，空間曲面模型在力學(xué)分析中要求嚴(yán)格保證幾何準(zhǔn)確性，這對(duì)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中桿件和節(jié)點(diǎn)的幾何尺寸、整個(gè)曲面的標(biāo)準(zhǔn)程度以及后期施工工藝都有一定的精度要求。
　　懸索結(jié)構(gòu)。
　　懸索結(jié)構(gòu)是以一系列受拉鋼索作為主要承重構(gòu)件，按照一定規(guī)律布置，并懸掛在邊緣構(gòu)件或支撐結(jié)構(gòu)上形成的一種空間結(jié)構(gòu)（圖3）。它通過鋼索的軸向拉伸來抵抗外部荷載作用；鋼索多采用高強(qiáng)鋼絲組成的鋼絲束、鋼絲繩及鋼絞線，也可采用圓鋼筋或帶狀薄鋼板。
　　
　　圖3 懸索結(jié)構(gòu)及其在橋梁建設(shè)中的應(yīng)用
　　中國現(xiàn)代懸索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建造始于20世紀(jì)60年代，北京工人體育館（圖3右）1961年建成，其圓形屋蓋采用車輻式雙層懸索體系，直徑達(dá)94m；浙江人民體育館1967年建成，其屋蓋為橢圓平面，長徑80m，短徑60m，采用雙曲拋物面正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。它們是當(dāng)時(shí)的兩個(gè)代表作，無論從規(guī)模大小或技術(shù)水平看在當(dāng)時(shí)都可以說達(dá)到國際較先進(jìn)的水平。世界上最早的現(xiàn)代懸索屋蓋是美國1953年建成的Raleigh體育館，采用以兩個(gè)斜放的拋物線拱為邊緣構(gòu)件的鞍形正交索網(wǎng)。20世紀(jì)70年代我國懸索結(jié)構(gòu)的發(fā)展停頓了較長一段時(shí)間，一直到80年代，由于大跨度建筑的發(fā)展而提出對(duì)空間結(jié)構(gòu)形式多樣化的要求，這種形式豐富的輕型結(jié)構(gòu)重新引起了人們的熱情，工程實(shí)踐的數(shù)量有較大增長，應(yīng)用形式趨于多樣化，理論研究也相應(yīng)地開展起來。但與網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)比較其發(fā)展相對(duì)較慢。
　　懸索結(jié)構(gòu)通過鋼索的軸向變形來抵抗外荷載引起的拉力，充分利用了鋼材的抗拉性能，減輕了結(jié)構(gòu)自重，特別適用于大跨度空間結(jié)構(gòu)；懸索結(jié)構(gòu)的建筑造型靈活多樣，易于適應(yīng)各種要求的建筑平面，鋼索的柔和線條也有利于建筑體型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)；相比于剛性空間結(jié)構(gòu)，懸索結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性較差，常需設(shè)計(jì)附加結(jié)構(gòu)來保證穩(wěn)定。懸索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算理論相對(duì)復(fù)雜，商品化程度較高的相關(guān)實(shí)用計(jì)算程序不夠完善，難于被眾多設(shè)計(jì)單位普遍采用。
　　5、認(rèn)識(shí)
　　大跨度空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與建造受人關(guān)注，是土木工程領(lǐng)域的重要發(fā)展方向和一個(gè)國家建筑科技水平的重要標(biāo)志。
　　鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)大跨度空間工程中具有在“高、大、輕”等獨(dú)特優(yōu)勢，是實(shí)現(xiàn)大跨度空間結(jié)構(gòu)建設(shè)的重要途徑。
　　可通過空間網(wǎng)格（網(wǎng)架、網(wǎng)殼）、張力（懸索、膜、索-膜）和混合等鋼結(jié)構(gòu)形式具體實(shí)現(xiàn)不同要求和目標(biāo)的大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建造。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　哈爾濱建筑工程學(xué)院. 1985. 大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu). 北京: 中國建筑工業(yè)出版社.