探討大跨度空間結(jié)構(gòu)發(fā)展

摘 要：文章系統(tǒng)回顧了中國建筑科學(xué)研究院成立60年以來各時(shí)期大跨度空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展歷程，論述大跨度空間結(jié)構(gòu)的研發(fā)特點(diǎn)及在公共建筑中的應(yīng)用情況、空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程制修訂情況。對大跨度空間結(jié)構(gòu)學(xué)科的研發(fā)與應(yīng)用中的發(fā)展重點(diǎn)進(jìn)行了展望，包括大跨度空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展戰(zhàn)略、體系創(chuàng)新、綠色建筑、風(fēng)工程研究、抗震與防連續(xù)倒塌、健康監(jiān)測、軟件與信息化技術(shù)、既有大跨度結(jié)構(gòu)的安全性評估與加固技術(shù)研究等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：大跨度空間結(jié)構(gòu);研發(fā);回顧;展望

一、 院大跨度空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的發(fā)展歷程

（一）開創(chuàng)時(shí)期

20世紀(jì)50年代末，隨著建國10年來國力的復(fù)蘇，國家已有能力關(guān)注大型體育館與大跨度公共建設(shè)的需要。在何廣乾、朱振德的帶領(lǐng)下，相關(guān)研究人員也以空前的熱情投入于薄殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)的理論研究。這些理論研究緊密結(jié)合工程需要，在當(dāng)時(shí)產(chǎn)生了很好的效果。

在薄殼結(jié)構(gòu)方面，主要以微分方程求解的連續(xù)化方法對球殼、圓柱面柱、雙曲扁殼、組合扭殼等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，發(fā)表了一大批高質(zhì)量的論文。在理論研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量的工程實(shí)踐，除模板制作稍麻煩外，施工相對簡便，計(jì)算分析可用連續(xù)化方法求解，這些都是符合當(dāng)時(shí)我國的經(jīng)濟(jì)條件與施工技術(shù)水平的。

（二）成長發(fā)展期

20世紀(jì)60年代中～70年代中的10年“文革”期間，中國建筑科學(xué)研究院經(jīng)歷了機(jī)構(gòu)下放與恢復(fù)重建過程，空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究與發(fā)展處于停滯狀態(tài)，國內(nèi)建成的大跨度空間結(jié)構(gòu)項(xiàng)目也極少。

研發(fā)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)技術(shù)也推廣到相關(guān)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)專業(yè)化生產(chǎn)廠家，網(wǎng)架開始廣泛用于大跨度體育建筑。這一時(shí)期，一些省會城市建設(shè)的體育館基本上都采用平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。在此期間開發(fā)了以空間桁架位移法為基礎(chǔ)的電算程序，配合設(shè)計(jì)院解決了這些大跨度網(wǎng)架的分析與計(jì)算難題。同時(shí)，建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究所初步嘗試了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在大面積單層工業(yè)廠房中的應(yīng)用。

（三）快速發(fā)展期

20世紀(jì)90年代初，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)計(jì)算分析方面取得了重大突破，國內(nèi)的幾家研究單位、高校與設(shè)計(jì)單位都先后開發(fā)出實(shí)用化的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)CAD程序。建筑結(jié)構(gòu)研究所研發(fā)了網(wǎng)架、網(wǎng)殼CAD設(shè)計(jì)軟件MSGS，其功能包括網(wǎng)架與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的前處理、桿件滿應(yīng)力設(shè)計(jì)與自動構(gòu)造調(diào)整、焊接空心球與螺栓球節(jié)點(diǎn)的自動設(shè)計(jì)、網(wǎng)架與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工圖與加工圖的繪制等功能，使網(wǎng)架與網(wǎng)殼的設(shè)計(jì)快速、準(zhǔn)確，在國內(nèi)擁有上百家用戶，有力地推動了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的普及。

這一時(shí)期，我國的空間結(jié)構(gòu)發(fā)展進(jìn)入了快速發(fā)展期，其主要特點(diǎn)：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用仍是主流，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的跨度進(jìn)一步加大，以索參與組合的雜交結(jié)構(gòu)（斜拉結(jié)構(gòu)等）得到重視。與此同時(shí)，國家更強(qiáng)調(diào)科研工作面向市場、面向生產(chǎn)第一線，建筑結(jié)構(gòu)研究所承擔(dān)了大量的網(wǎng)架與網(wǎng)殼設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究工作，如北京海洋館（1996年建成，面積23000m，采用大柱網(wǎng)曲面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)）;浙江黃龍?bào)w育中心主體育場挑棚（1999年建成，斜拉網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，挑棚外挑50m），是國內(nèi)最大的斜拉網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，為確保結(jié)構(gòu)安全，進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)、整體模型試驗(yàn)與內(nèi)環(huán)梁拉索錨固節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，并進(jìn)行了以結(jié)構(gòu)控制性能化為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

二、 對未來發(fā)展的思考

（一）把握未來空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的發(fā)展方向

空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以規(guī)則與靈活的結(jié)構(gòu)造型、成熟的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)及較好的跨越能力，必將廣泛應(yīng)用于各類大跨度公共建筑，仍是發(fā)展主流。在新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，大量中小城市的體育與公共設(shè)施建設(shè)將成為亮點(diǎn)，螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)將有很大的應(yīng)用面。

索結(jié)構(gòu)將是最有發(fā)展前途與技術(shù)競爭力的一個(gè)新體系。傳統(tǒng)意義的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)、索桁架結(jié)構(gòu)由于對邊緣約束結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)要求比較高，預(yù)應(yīng)力施工也過于復(fù)雜，故其應(yīng)用面不會有大的突破，而張拉整體結(jié)構(gòu)、斜拉結(jié)構(gòu)、張弦結(jié)構(gòu)將以其合理的結(jié)構(gòu)性能有更多的工程應(yīng)用。其中張拉整體結(jié)構(gòu)、張弦結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)自重輕、效率高、自平衡的突出優(yōu)點(diǎn)，是未來大跨度空間結(jié)構(gòu)的主要發(fā)展方向。

膜結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)與圍護(hù)材料合一、自重輕、透光、建筑造型豐富、施工簡便的突出優(yōu)點(diǎn)。氣承式膜結(jié)構(gòu)可以跨越更大的跨度;而張拉支承式膜結(jié)構(gòu)可與索結(jié)構(gòu)、各類網(wǎng)格結(jié)構(gòu)相結(jié)合，創(chuàng)造出結(jié)構(gòu)受力性能優(yōu)越、建筑造型美觀的大跨度公共建筑。

（二）加強(qiáng)新型結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新研究及應(yīng)用

新型結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新和工程應(yīng)用是大跨度空間結(jié)構(gòu)學(xué)科發(fā)展的一個(gè)重要方向。結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新與應(yīng)用涉及新型結(jié)構(gòu)體系研發(fā)、新結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用、新節(jié)點(diǎn)與連接形式開發(fā)、新施工安裝技術(shù)的采用。一些有很好發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)體系，其必有的特點(diǎn)是性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)輕巧、施工簡便并有很好的經(jīng)濟(jì)性。仍將對新型結(jié)構(gòu)體系開展持續(xù)的創(chuàng)新研究工作，這些新型結(jié)構(gòu)體系包括索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、張拉整體結(jié)構(gòu)、張弦結(jié)構(gòu)及各類雜交結(jié)構(gòu)，要對新型結(jié)構(gòu)體系在結(jié)構(gòu)性能、分析方法、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與施工技術(shù)等方面進(jìn)行系列的研發(fā)工作。

（三）拓展空間結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍

大跨度空間結(jié)構(gòu)已從以往的以體育場館為主，擴(kuò)大到應(yīng)用于會展中心展覽館、航站樓與機(jī)庫、火車站（站房及無站臺柱雨棚）及單層工業(yè)廠房或構(gòu)筑物頂蓋（干煤棚、煤倉頂蓋、油罐頂蓋等）等，帶來了空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的空前繁榮。

三、 結(jié)語

未來10年，我國以新型城鎮(zhèn)化建設(shè)為契機(jī)，保持經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，必將建設(shè)一定數(shù)量的大跨度公共建筑，因此，我國的大跨度空間結(jié)構(gòu)仍將繼續(xù)處于一個(gè)很好的發(fā)展時(shí)機(jī)。應(yīng)把握好這個(gè)機(jī)遇。首先，做好創(chuàng)新研發(fā)工作，包括結(jié)合工程實(shí)際的應(yīng)用型技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)與以基礎(chǔ)理論為主的公益性研發(fā)，以保持我院在空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢;其次，要結(jié)合國家的綠色建筑與節(jié)能減排要求，開展大跨度空間結(jié)構(gòu)的綠色技術(shù)研究，以實(shí)現(xiàn)大跨度空間結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]何廣乾.四邊簡支常曲率雙曲扁殼簡化計(jì)算[J].土木工程學(xué)報(bào)，1959，6（7）.

作者簡介：

李雪娟，女，河北保定人，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。