大跨度空间结构的进展

华南理工大学学报(自然科学版)

第24卷第10期1996年10月Jou rnal of Sou th Ch ina U n iversity of T echno logy

(N atu ral Science)

V o l.24N o.10

O ctober　1996大跨度空间结构的进展3

王仕统

(华南理工大学建筑工程系)

摘　要 综述目前国内外大跨度屋盖结构,包括索结构、薄壳结构、(平板、曲板)网架结构和膜

结构(充气结构)的进展,可供选择建筑、结构方案时参考。

关键词　空间结构;大跨度屋盖;索结构;钢筋砼薄壳结构;网架结构;充气结构;

杂交结构

中图资料分类号　TU33

这里所指的空间结构(SS——Sp atial Structu res)主要是作为建筑屋盖的索结构、RC薄壳结构、(平板、曲板)网架结构和充气结构(膜结构)等四大类型的空间结构。近半个世纪以来,由于工业生产、体育、文化和展览事业的进步,推动了空间结构的蓬勃发展,从而引起世界各国的关注。空间结构不仅传力简捷、技术先进,而且能满足建筑多样化、多功能的要求,因而常常在引人注目的大型公共建筑中采用,它集中地标志着一个国家建筑技术发展的新水平。

国外著名的大跨空间结构不胜枚举,如:

び世界最大的索结构——美国亚特兰大百年奥运会乔治亚穹顶(Geo rgia Dom e)。椭圆形平面:240179m×192102m——双曲抛物型全张力穹顶(H yperbo lic parabo lo id H yper-T en segrity)[1]。

び世界最大的薄壳结构——法国巴黎国家工业与技术陈列大厅屋顶。三角形平面:边长219m双层波形RC拱壳。

び世界最大的网架结构——新加坡国际机场机库屋盖。周边支承平板网架,跨度220m;瑞士苏黎世克洛腾喷气机库屋盖。四点支承平板网架:125m×128m;美国新奥尔良超级穹顶多功能体育馆(K12型球面网壳)。圆形平面D=213m。

び世界最大的充气结构——加拿大温哥华体育场气承式膜结构屋顶。21316m×18919m 椭圆平面。

80年代初,人们发现中国的空间结构在各方面都落后了一大段。特别是索结构、RC薄壳结构、曲板网架(网壳)结构和膜结构等方面,与国际发展水平差距较大。在设计日益增多的体育馆等一些大型公共建筑时,普遍感到结构形式的选择余地很有限,无法满足日益发展的对建筑功能和建筑造型多样化的要求。

开放10多年来,我国的空间结构无疑有了长足的进步,其发展速度高于历史上任何一个相同的年代。目前,空间结构的应用遍及任何一种工业与民用建筑,象体育馆、展览馆、飞机

来稿日期:1996-01-27

3广东省自然科学基金资助项目

王仕统,男,1937年生,教授;主要研究方向:空间结构、高层钢筋砼结构、钢结构。华南理工大学建筑工程系,邮编:510641

库、工业厂房、仓库、影剧院、车站等。就跨度来说,大至110m 的体育馆、小至12m 的会议厅都是空间结构适宜的范围[2]。采用空间结构的建筑往往以新颖美观的体型成为城市的一景,在设计中普遍采用了电子计算机优化设计。80年代初,对网架的分析也许还要借助于拟板法、假想弯矩法之类的手算方法,如今在微机上采用刚度法或柔度法分析网架已是很普通的事,有些程序不但能分析而且能自动设计。其他象以刚性节点为特征的单层网壳、考虑具有非线性性状的索结构,其分析与设计也都进入实用阶段[3,4]。在施工方面,曾采用了多种安装方法,也创造了一些具有先进水平的安装技术,其特点是充分利用现有的与常规的设备,以小型机具来安装大型结构。

值得注意的是,10多年来在中国已逐步建立了一支以科研单位和高等院校为骨干的科学研究队伍,他们从事于空间结构的理论与试验研究,解决了不少技术难题,为实际工程开辟了道路。可以说,几乎每一个空间结构工程公司(厂),都有研究单位或高等院校为后盾。然而,目前我国的空间结构仍多以网架结构为最常用的屋盖形式,到去年为止,我国建成的网架工程已超过3500座(中、小跨度占大多数),建筑面积达400万平方米。1990年北京举办第11届亚运会时的13个场馆,网架屋盖就占11个[5]:

び网架平　板焊接球:大学生、海淀、月坛、网球、光彩、丰台等体育馆螺旋球:地坛体育馆曲板(网壳)焊接球:国家奥运会体育中心综合馆、国奥运游泳馆、石景山、体院等体育馆螺旋球:——

び索结构:朝阳体育馆

び平面棱形桁架:速滑馆

湛江电厂干煤棚屋盖结构,平面尺寸11314m ×11314m ,网架高度4～6m ,(图1),由华南理工大学建筑工程系和广东省勘察设计研究院共同研究、设计。它是我国目前跨度最大的四支点平板网架[6],为使受力较为合理,采用八面坡水、中央区四角锥棋盘式布置;为了降低施工费用,采用暗柱帽。

图1　湛江电厂干煤棚屋盖(1995)

F ig .1　T he roof fo r coal sto rage of Zhanjiang pow er p lant (1995)

多样化的结构形式应该是空间结构最突出的优点之一。空间结构能以其丰富的外形来满足使用功能与建筑造型的要求,澳大利亚悉尼歌剧院(Sydney Op era Hou se )类似贝壳的壳体屋盖,至今仍然是空间结构优异形式的典范(图2)。

当中国的设计人员刚涉足于空间结构时,还满足于如平板、圆球或圆柱状这样的外形、但81华南理工大学学报第24卷

以后就发展到改变这样的传统形式,寻求新的变化。对于壳体的几种基本形式,如果加以剪裁,通过切割或组合、就可以完全改变原来的面貌。如日本神户的世界纪念馆就是以两端两个半径34m 的1 4圆球壳与中间一段4018m 的圆柱壳组合而成(图3)。悉尼歌剧院由图2的多球切割而成。图4所示的两个屋盖由多个帽檐壳组成。

图2　澳大利亚悉尼歌剧院

F ig .2　Sydney Opera House in A ustralia 图3　日本神户世界纪念馆F ig .3　T he W o rld M emo rial H all in Kobe ,Japan 图4　帽檐壳组合屋盖F ig .4　H at bri m shape shells com bined roof 北京体育学院体育馆屋盖由4块组合型双层

扭网壳组成,平面尺寸为5912m 见方(图5)。双曲

抛物面所特有的直纹曲面使网壳的构件可做成直

线形,网壳四角设置了用以抵抗水平力的钢斜撑,

使建筑造型更为别致。它是我国目前跨度最大的

组合型扭网壳。 图5　北京体育学院体育馆(1990)

F ig .5　Gym nasium of Beijing Physical Institute

(1990)图6　深圳体育挑篷剖面图(1992)F ig .6　Secti onal draw ing of the suspensi on eaves of Shenzhen gym nasium

(1992)

深圳体育场周围挑篷,采用变高度螺栓球节点双层正放四角锥网壳结构,椭圆环平面240m ×300m ,挑篷宽度31m 。前后排支座间距515m ,悬挑2515m ,矢高1011m (图6)。挑篷环向分成12段,

用钢指标36kg m 2,它是我国目前复盖建筑面积(约2300m 2)最大的网壳结构。

“杂交”空间结构(H SS ——H yb rid Sp ace Structu res )相对说来是一个比较新的名词,它是指不同类型结构的组合而形成的一种新的结构体系,以别于采用不同材料而组成的“组合”结构(例如钢-砼组合网架)。杂交结构在1986年的日本大阪国际会议上曾是一个热门话题。它的最大优点是:综合利用各种不同结构在性能、综合经济指标等方面的优势;丰富建筑造型,有效

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利用建筑空间;改善总体力学性能等。从美国耶鲁大学冰球馆(图7)到我国江西省体育馆(图8)、北京朝阳体育馆(图9)、国家奥林匹克体育中心综合体育馆(图10)等,直至1992年落成的美国96年亚特兰大百年奥运会乔治亚索穹顶——世界上最大的体育馆屋盖结构[7](图11)。这些

H SS 的中外建筑,造型优美、

气势磅礴,给人留下深刻的印象,随着经济的发展,造价已不再作为结构形式的唯一取舍标准,这种H SS 融建筑的技术与艺术于一体的结构形式将越来越得到人们的青睐。

图9　北京朝阳体育馆(1990)

F ig .9　T he Chaoyang gym nasium in Bei 2

jing (1990)图10　国奥综运体育中心综合馆(1990)F ig .10　T he general gym nasium of N ati onal O lymp ic Spo rts Center (1990)

图11　美国乔治亚穹顶

F ig .11　Geo rgia dom e (U SA ) 前几年由中国研究并开发的横向加劲的单曲

索结构,就是一种桁架与单向索系组合而成的杂

交结构——索-桁架体系。由于单曲索系的刚度

比较差,尤其在不对称荷载下会产生机构性位移。

如果将作为横向加劲构件的桁架与索垂直相交并

设置于索之上,然后对桁架端部的支座下压产生

强迫位移(图12),使结构建立预应力,这样就大大增加屋盖结构的刚度,在抵抗不均匀荷载时,桁架

也能有效地分担和传递荷载。因此,在整个结构体系中,柔性的索可以充分发挥其高强度钢的作用来承受主要荷载,而刚度则通过组合具有抗弯刚度的桁架得到改善,这种横向桁架加强的单曲索结构由安徽省设计院首创并有效地用于复盖安徽体育馆[8]、上海扬浦区体育馆和潮州

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体育馆[9](图13),索-桁架屋盖的跨度在45m与72m之间。与相同跨度的其他类型的屋盖结构相比,无论在材料消耗上或造价上都很经济。

图12　索-桁架体系

F ig.12　Cable-truss system

图13　潮州体育馆(1992)

F ig.13　T he Chaozhou gym nasium

杂交结构的其他体系还有索-拱体系——世界著名的美国雷里(R au leigh)体育馆(图14)、索-梁体系(图15)和索-膜体系——沙特利雅得国际体育场天蓬(图16)[10]。

图16　索-膜体系

F ig.16　Cable-reinfo rced m em brane system

图17　索穹顶

F ig.17　Cable dom e

70年代开始在北美大陆茁起的膜结构是空间结构队伍中的新兵。当应用于大跨度时,既轻又薄的膜本身就难以单独受力而需要与钢索相组合。如果说大跨度气承式空气膜中的钢索只

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第10期王仕统:大跨度空间结构的进展

起某种程度加劲作用的话,则美国工程师盖格尔开发的“索穹顶”(Cab le Dom e)则是典型的索与膜的杂交结构了。这种体系一般是圆形,由连续的受拉钢索和不连续的压杆组成(图17),力从中心受拉环通过辐射状的径向脊索、谷索、环向拉索、斜拉索传向周边的受压圈梁。扇形的膜材由钢索施加力并绷紧,固定在压杆与索连接处的节点上。索穹顶至今已建成四个工程:韩国汉城第24届奥运会体操馆(直径119179m)与击剑馆(直径89192m)[11]、美国伊利诺斯州立大学体育馆(椭圆形平面7618m×9114m)和美国佛罗里达州的太阳海岸穹顶(直径210m)。H SS的可能形式如图18所示[12]。

图18　杂交空间结构的各种可能形式

F ig.18　Po ssible fo r m s of H SS

由于H SS是建筑与结构的有机整体,因此,建筑师与结构工程师应具有共同的语言,在设计过程中更应密切配合,共同确定建筑造型、各组成部分和总体控制尺寸。从结构观点来说,我认为衡量SS或H SS优劣的四个指标应该是:①材料强度是否充分发挥?②基础推(拉)力是否合理处理?③施工是否困难?④跨度大?

空间结构采用的材料多种多样,如钢、砼、铝、木、塑料等。十多年来用得最多的还是传统的型钢、钢管和钢索。除此之外,国外还开发与应用了人工合成材料,不但强度高,重量也更轻,中国在这方面还存着明显的差距。

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国外在60年代就开始研究复合材料,它是某种纤维与结合物组成,最常见的有玻璃纤维增强塑料(GR P )、俗称玻璃钢。此外也可采用碳纤维。

另一种高强轻质材料是建筑织物,它的出现使膜结构步入永久性建筑的行列。建筑织物需要一个强度较高的基材,目前常用的有聚酯和玻璃纤维织物,表面涂敷防护性能好的涂层,如聚氯乙烯(PV C )、聚四氟乙烯(T eflon )或有机硅树脂等。这种新型材料不但能承重而且起围护

作用。它的最大优点是重量特轻,约1kg m 2,使结构自重发生了本质上的变化;此外在耐久、

防火、自洁、透光等方面都具有良好的性能。

当屋顶由坚硬的钢或砼屋面转向轻飘柔软的膜材时,人们的思想认识也应该有一个转变过程。例如即使最好的建筑织物,其保证的使用年限仅25年,这也许不易为人们所接受,国内传统的概念是“百年大计”。其实采用膜结构好比穿衣,过25年再换新的屋面,那时一定会有更漂亮、更便宜的织物。

10多年来,空间结构是建筑结构中最重要、也是最活跃的发展领域之一。从索、薄壳、网架到膜结构;从天然材料到人工合成材料;从静力到动力;从线性到非线性等。无论是设计或施工都在快步地走向成熟,与此同时也孕育着新的应用范围。

人类进步的历史就包含着对建筑形式和结构形式的不断创新与扩大。当前,空间结构的迅猛发展,是与人们在体育、展览、文娱、集会及生产等活动的急剧增长分不开的。因此,从以下两个方面可以看出如何进一步扩展空间结构的应用范围[2]。

图19　开合结构的不同体系

F ig .19　Examp les of open -clo se structure 图20　加拿大多伦多天空穹顶体育馆F ig .20　Gym nasium of open 2clo se sky dom e in

To ronto ,Canada

图21　日本福冈开合式穹顶体育馆

F ig .21　Gym nasium of open -shut dom e in Fukuoka .Japan

(1)从静态扩展到动态,即要求复盖的结构是可开、可闭或是可叠展的(图19)。例如加拿

大多伦多开合“天空穹顶”(图20)[13]。是世界最大的娱乐和展览中心,可容纳68000人。建筑平

面近圆形,屋盖由2个可平移的圆柱面网壳、1个可旋转和1个固定不动的1 4球面网壳组成,最大跨度203m 。当屋顶需要开启时,通过平移或旋转装置把三个可动网壳重叠在不动网壳的上、下,91%的座位可以敞开。图20(b )所示为柱面网壳平移的半开启状态。图21所示日本福冈开

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合式穹顶体育馆,该馆1993年3月建成,建筑平面为圆形,直径222m,可容纳4万人,穹顶由三块扇形平面可旋转的球面网壳组成,可使穹顶形成三种状态:全封闭状态、半开启状态(1 3穹顶露天))和全开启状态(2 3穹顶露天)。

叠展结构(D ep loyab le-Co llap sib le Structu re)是最近发展起来的一种新型结构,具有潜在的广阔应用前景。英、日等国已有许多研究成果。这种结构有自稳定和附加稳定两种类型。它在叠展过程中较难建立力学模型,它既不是结构也不是机构,而是一种高次静不定的瞬变体系,结构外形描述困难,节点运动轨迹十分复杂。

(2)从大型到巨型结构(M acro Structu re),即跨度从100～200m发展到1000m以上、覆盖面积可达几个平方公里。过去一直有人设想,使空间结构不仅覆盖一个建筑物,而是一群建筑甚至一个小区。日本巴组铁工所研究了用直径500m的网壳覆盖一个体育公园的方案,以此为基础还可推广到直径1000m的居民小区,形成一个人工控制气候的环境。如大型古迹的开掘与保护需要对其加以围护,埃及的金字塔就曾经有过在其上覆盖膜结构的方案。所有这些将大大扩展空间结构的应用范围并向我们提出了新的挑战。

参　考　文　献

1　钱若军,沈祖炎,夏绍华.索穹顶结构.空间结构,1995,(3)

2　兰天.空间结构的十年——从中国看世界.第六届空间结构学术会议论文集,北京:地震出版社,1992

3　沈世钊.十年来中国悬索结构的发展.第六届空间结构学术会议论文集,北京:地震出版社,1992

4　王仕统.双曲抛物面索网结构的近似分析.建筑结构学报,1992,(3)

5　刘锡良.十年来中国网架结构的发展.第六届空间结构学术会议论文集,北京:地震出版社,1992

6　王仕统,肖展朋,林希平,李昆鸿,杨叔庸等.湛江电厂干煤棚四柱支承网架屋盖结构.空间结构,1996,8(2):42～46

7　M attys L..F loating fabric over Geo rgia dom e.C ivil Engineering,1992

8　谢永铸,陈其祖.安徽省体育馆“索-桁架”组合结构屋盖设计与施工.建筑结构学报,1989,(6)

9　杨叔庸.潮洲体育馆“索-桁架”组合结构屋盖的设计.第六届空间结构学术会议论文集,北京:地震出版社,1992

10　D upont K.R iyadh stadium roof spans945ft.Engineering N ew s R eco rd,1985,(7)

11　陶金芬.汉城奥运会的两个拉索“园形穹顶”.建筑结构学报,1988,(4)

12　顾　承,何广乾,林春哲.杂交空间结构CAD软件开发研究.空间结构,1995,4(2):54～59

13　董石麟,姚谏.网壳结构的未来与展望.空间结构,1994,(1)

R ECEN T D EV ELO PM EN T I N LON G-SPAN

SPA T I AL STRU CTU R ES

W ang S h itong

(D ep t.of C ivil Eng.,Sou th Ch ina U n iv.of T ech.)

Abstract T h is p ap er summ erizes the up2to2date developm en t in long2span spatial roof structu res hom e and ab road,such as cab le,th in shell,spatial grid and m em b rance (p neum atic),w h ich can be u sed fo r references in the selecti on of arch itectu ral and structu ral schem es.

Key words sp atial structu re;long-sp an roof;cab le stu rctu re;reinfo rced concrete th in shell structu re;sp atial grid structu re;pneum atic structu re;hyb rid structu re