大跨度空間結構的發展與創新

胡明娜

摘要：本文闡述了大跨度空間結構的發展歷史，根據各個時期空間結構發展特點、形式類型和科技水平可區分為古代空間結構、近代空間結構和現代空間結構，并說明了促進空間結構發展創新的因素；著重指出仿生學對大跨度空間結構形態創新的推動作用是無法估量的，并對結構仿生在大跨度空間結構的應用做了側重闡述。

關鍵詞：大跨度空間結構；發展；結構創新；仿生學

正文：大跨度空間結構具有受力合理、自重輕、造價低、結構形體和品種多樣，是建筑科學技術水平的集中表現，因此各國科技工作者都十分關注和重視大跨度空間結構的發展歷程、科技進步、結構創新、形式分類與實踐應用.

1 大跨空間結構的發展歷程與特點

空間結構發展歷史分為：二十世紀初葉（1925年前后）以前為古代空間結構，其主要標志性結構為拱券式穹頂；二十世紀初葉以后為近代空間結構，其主要標志性結構為薄殼結構、網格結構和一般懸索結構；二十世紀末葉（1975年前后）以后為現代空間結構，其主要標志性結構為索膜結構、索桿張力結構、索穹頂結構等.這里需要說明的是：（1）1975年不是近代空間結構終止的年份，近代空間結構的那些主要標志結構在1975年后還在應用、發展和創新，特別是在引入新技術、新概念后，還可以與現代空間結構比美；或者說，可轉入現代空間結構的行列.（2）從1925年到1975年的五十年間，是近代空間結構獨占鰲頭的黃金年代.

2 大跨度空間結構的創新

2.1 促進大跨度空間結構發展創新的因素

人類社會的生產，物質和精神生活水平的提高與發展，就需要開闊的空間和場所，如體育場館、影劇院、會展中心、航站樓、工業廠房車間、倉庫等等，三維受力、材料節省、造價低廉的大跨度空間結構正是人們所期望的最佳選擇.但真正意義上空間結構的發展尚不足百年的歷史，促使空間結構發展的因素可認為有下列幾方面：

建筑材料的革命和創新促進了空間結構的向前發展.

施工新技術特別是預應力技術的引入推動了空間結構的創新.空間結構的高空懸挑逐步安裝法，地面組裝、整體提升或頂升法，折疊展開施工法等都可以省去滿堂紅腳手架，僅利用小型機具設備拼裝施工大跨度空間結構，降低工程成本和造價.日臻完善的分析理論和計算機的應用解決了大跨、復雜空間結構設計計算題.

2.2 建筑結構仿生——建筑結構創新的手法

在建筑發展的歷史長河中，隨著社會的進步，人們對建筑品質的要求越來越高。尤其是近百年來新技術與新材料的不斷涌現，更是大大增加了人們對建筑作品的關注。結構仿生建筑適時發展，猶如一陣清風給建筑師與工程師帶來了創作的靈感，在兩個不同的領域內發揮著積極的影響，并建立起相互溝通的橋梁，為建筑設計帶來了全新的設計理念與工作方式。

2.2.1與仿生息息相關的自然現象

在自然界中如果我們稍加觀察的話，會發現很多自然形態本身就是力學形態的體現。輕巧的蜘蛛網、墜落的水滴、強韌的樹干、緊密有序的蜂巢、堅硬的果殼等等都在不斷地啟發著人們，引導人們關于形態與力的思考。“自然就是美，美即實用，實用即是自然的存在，自然即是實用的展現。”是對這些形態的高度贊賞。正如果實壓彎枝頭、疾風吹倒麥草一樣，自然界中的物質無時不刻的存在于“力場”中，不斷調整自身的形態以適應環境。因此，它們所具有的良好的力學性能不僅與材料有關，而且和它們的形態有著密切的關聯。很多工程結構就是受到自然結構獨特形態的啟發得來的，具有高效低耗的優良品質，對于建設節約型社會的當今時代顯得尤為重要。

2.2.2薄殼形態——網殼結構

在自然界中有很多天然的薄殼狀的物質，如貝殼、蝸牛、禽蛋、果殼等等，它們不僅具有優美的曲線形態，并且表現出令人嘆服的結構合理性。就拿最常見的蛋殼來說，一個普通雞蛋短軸約為 4.5 厘米，蛋殼厚度約為 0.38 毫米，厚度與長度之比約為 1：120。根據國外資料介紹，當雞蛋均勻受力時竟然可以承受 34 千克的力研究發現蛋殼之所以具有如此大的承受力是與它特有的外部曲線形態相關的。當雞蛋和外力充分接觸后，各向對稱的拱形曲線把應力沿殼體表面均勻分散到雞蛋的各個點上，各種荷載轉化為均等的曲面內軸向壓力。這一奇妙的現象為我們展現了以最少的材料獲得堅硬的外殼，并具有良好受力性能的大自然杰作。除此以外，自然界中還有許多生物形態具有類似的結構，它們都是一種曲度均勻、質地輕巧的薄殼結構。這些薄結構的表面雖然很薄，但卻都具有很好的力學性能。

2.2.3晶體形態——網架結構

人類對自然界的探索從來就不只限于有機的生態物質系統，對于無機物的研究也在科學發展過程中起著越來越重要的作用。作為廣義的仿生學來講，對無機物形態與內部結構的研究也同樣適用于創作手法。顯微鏡的發明使人們能夠看到平常肉眼所觀察不到的微觀世界，那里的物質結構有序而多彩，如分子結構、晶體結構以及雪花的形狀等等，都呈現出與宏觀世界截然不同的姿態。時至今日，網架結構無論是在外部形態還是內部桿件的排列方式都已經研究出了眾多的形式，并且應用到了越來越多的需要大跨度的公共建筑中。

3 結語

在科學技術發展正處于各種自然學科高度綜合和互相滲透的新時代，大跨度空間結構正朝著機能仿生的方向發展。相信在未來的建設活動中，結構仿生學將不斷在大跨度空間結構方向帶來新的驚喜！

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