4.空间结构的发展、种类及应用大跨度空间结构具有受力合理、自重轻、造价低、结构形体和品种多样, 是建筑科学技术水平的集中表现, 因此各国科技工作者都十分关注和重视大跨度空间结构的发展历程、科技进步、结构创新、形式分类与实践应用.（一）谈到空间结构的发展历史, 就要追溯到公元前14 年建成的罗马万神殿, 是一幢由砖、石、浮石、火山灰砌成的拱式结构, 圆形结构, 直径43*5m, 净高43* 5m, 顶部厚度120cm, 半球根部支承在620cm 厚的墙体上，穹顶的平均厚度370cm，我国用砖石砌成代表工程是建于明洪武14 年( 公元1381年) 南京无梁殿, 平面尺寸38m * 54m, 净高22m . 以穹顶屋盖结构为主轴线, 时间跨度从公元前14年到2009 年共二千多年. 从中可以看出, 各种类型的空间结构只在近百年来有所发展, 特别是近二三十年来, 开拓和创新的速度更趋频繁.( 1) 以砖、石等建筑材料筑成的拱式穹顶, 充分利用拱券合理传力的原理, 有连环拱、交叉拱、拱上拱、大拱套小拱. 自罗马万神殿建成以后, 如1612 年建成的罗马圣彼得教堂和建于约300 年前的伦敦圣保罗大教堂, 其跨度均比罗马万神殿小, 但是装修更庄重、屋顶更高. 因此, 以砖、石等筑成的拱式穹顶,长期来基本上没有更进一步的发展和创新.( 2) 自1925 年在德国耶拿玻璃厂建成历史上第一幢直径40m 的钢筋混凝土薄壳结构以后, 到二十世纪五六十年代, 世界各国的薄壳结构发展到了高潮. 罗马奥运会小体育馆的平面直径59* 2m 的带肋薄壳( 图3) 以及北京火车站35m * 35m 的双曲扁壳是当时特别推荐的. 一般来说, 40m~ 50m 跨度的钢筋混凝土薄壳穹顶, 其混凝土的折算厚度约为8cm~ 10cm, 是罗马万神殿平均厚度的1/ ( 50~40) ; 结构自重约为( 200~ 250) kg / m2 , 是罗马万神殿平均自重的1/ ( 50~ 30) . 前苏联和我国还编制出版颁发了钢筋混凝土薄壳结构设计行业规程, 以便广大设计人员推广薄壳结构的应用( 3) 生铁、普通钢、高强钢、铝合金等建筑材料的生产和工程应用, 研究开发了网架网壳等格构式空间结构. 1924 年建成了世界上第一个直径为15m 的半球形单层网壳, 采用生铁材料, 用于德国耶那蔡司天文馆. 由于网格结构刚度大, 用材省、性能好, 便于工厂制作现场装配, 至二十世纪六、七十年代网格结构有了蓬勃的发展. 当时, 有代表性的工程如1970 年建成的日本大阪博览会展馆六柱支承108m* 292m 网架, 1968 年建成的首都体育馆99m*112* 2m 网架, 1973 年建成的名古屋国际展览馆134m 直径圆形平面网壳, 1967 年建成的郑州体育馆64m 直径圆形平面助环型单层网壳. 60m 左右跨度网格结构自重约为( 40~ 50) kg / m2 , 是同等跨度薄壳结构自重的1/ ( 4~ 5) . 1997 年从美国引进建成了铝合金的上海体操馆, 68m 直径的圆形平面单层网壳, 自重仅12kg/ m2 , 是相应跨度钢网壳自重的1/ ( 4~ 5) .( 4) 悬索结构要追溯到我国在公元前285 年建成跨越四川岷江的灌县竹索桥-----安澜桥和1703年建成跨越大渡河的铁链桥----- 泸定桥. 但在房屋建筑上的应用要首推于1953 年建成的美国北卡州瑞雷竞技馆, 近似圆形平面直径91* 5m 的鞍形索网结构. 此后, 在二十世纪六七十年代我国建成了当时著名的三大悬索结构: 1961 年建成跨度94m双层车辐式圆形平面的北京工人体育馆,1967 年建成跨度60m * 80m 鞍形索网式椭圆平面的浙江人民体育馆, 1979 年建成跨度61m 双层车辐式( 索与内孔相切) 圆形平面的成都城北体育馆. 悬索结构自重小、屋盖轻、施工也比较方便成熟, 无需大型的机具设备, 是有推广应用前景的空间结构.1988 年在加拿大加尔加里建成当时跨度最大的悬索结构冰球馆, 是一幢135*3m * 129* 4m 椭圆平面鞍形索网悬挂薄壳( 5) 二十世纪七八十年代气承式充气膜结构发展到一个高潮, 在美国、加拿大和日本共建成了超百米跨度的十余幢大型体育场馆. 其中有代表性的是美国在1975 年建成的168m *220m 长椭圆平面庞提亚克体育馆和日本在1988 年建成的180m * 180m 方椭圆平面东京后乐园棒球馆. 由于气承式膜结构要不时地耗能充气, 以及庞提亚克体育馆曾发生垮塌事故, 二十世纪九十年代后已基本不再兴建气承式充气膜结构.( 6) 为1988 年汉城奥运会的召开, 1986 年建成了120m 跨度圆形平面的索穹顶综合馆用钢指标13.5kg/ m2 ; 为1996 年亚特兰大奥运会召开, 1995 年建成了192m* 240m 椭圆平面的索穹顶主赛馆, 用钢指标25kg/ m2 . 这二幢索穹顶的建立使空间结构的科技水平达到了一个崭新的高峰, 结构体系新颖、高效, 其用钢指标仅约为跨度L的12L/ 100( 跨度L 以m 计, 用钢指标以kg / m2 计,例如100m 跨度的索穹顶, 其用钢指标约为12kg/m2 ) . 索穹顶在中国大陆尚属空白, 国外的技术一直保密, 然而浙江大学、同济大学、建研院等高校、科研单位已进行了十余年的研究和试验工作, 对索穹顶的受力特性和分析计算已有比较完整的认识.（二）刚性空间结构的组成、分类与实践应用空间结构是由基本单元组成或集合而成, 基本单元( 也是基本构件) 有刚性基本单元: 板壳单元、梁单元和杆单元, 也有柔性基本单元: 索单元和膜单元. 可以说, 由刚性基本单元组成的空间结构可称为刚性空间结构.（1）仅由一种板壳单元组成的刚性空间结构, 现在有三种具体结构形式a)薄壳结构:通常指光面的、但可包括等厚度和变厚度的钢筋混凝土薄壳结构. 根据其几何外形又可分为旋转壳、球面壳、柱面壳、双曲扁壳、鞍形壳、扭壳和劈锥壳等. 典型工程如当时我国跨度最大的球面薄壳结构是60m 直径圆形平面的新疆某机械厂金工车间b) 折板结构:用于工业厂房和车站站台较多的是一种比较简单的V 形折板, 非预应力的可做到27m 跨度, 预应力的可做到36m 跨度. 折板结构的截面还可采用多折线的, 此外也可采用多面体空间折板结构.c)波形拱壳结构:波形拱壳结构的特点使截面的抗弯刚度可大幅度的增加, 提高整个结构的刚度和稳定性. 有钢筋混凝土波形拱壳结构, 如1960 年建成的罗马奥运会大体育馆, 为球面波形拱壳结构, 跨度100m. 也有薄钢板的柱面波形拱壳结构.(2)仅由一种梁单元组成的刚性空间结构, 现有五种具体结构形式a)单层网壳:工程中应用最多的是单层钢网壳, 其几何外形类同于薄壳结构的几何外形. 网格形式对于球面网壳有助环型、助环斜杆型、三向网格型和短程线型等; 对于柱面网壳有联方网格型、纵横斜杆型、三向网格型和米字网格型等 b) 空腹网架:通常是由钢筋混凝土的平面空腹桁架发展而来, 主要有两向空腹网架和三向空腹网架, 可用于屋盖结构也用于楼层结构.c) 空腹网壳.d)树状结构，这是近年来采用的一种新结构，实际上是一种多级分支的立柱结构，柱杆和枝支杆都可由梁单元集成。
