大跨与空间结构(1)

大跨度空间结构在建筑设计和工程中，大跨度空间结构是指那些跨度较大、内部空间较为宽阔的建筑结构。

这种结构通常需要特殊的设计和施工技术，以确保建筑物能够稳定、安全地承受各种荷载，并满足功能需求。

大跨度空间结构的设计涉及到结构力学、材料科学、施工工艺等多个领域，是建筑工程中的重要研究课题。

设计原则设计大跨度空间结构时，需要考虑以下几个方面的原则：结构稳定性大跨度空间结构的稳定性是设计过程中首要考虑的问题。

在结构设计中，需要充分考虑荷载传递、应力分布、挠度控制等因素，确保结构在各种外部荷载作用下保持稳定。

施工可行性由于大跨度空间结构通常体量较大，施工过程中需要考虑施工机械设备、施工工艺、作业空间等因素，确保施工过程安全、高效。

功能需求大跨度空间结构往往会用于会展中心、体育馆、机场等场所，因此需要充分考虑建筑功能需求，如观赏性、照明、通风等方面。

常见结构形式大跨度空间结构常见的结构形式包括：•穹顶结构：利用曲面形式来实现大跨度封闭空间，典型的代表是圆顶体育馆。

•悬索桥：利用悬索来支撑桥面，跨度较大，适用于跨越河流、峡谷等场景。

•桁架结构：由杆件和节点组成的桁架结构具有良好的承载能力和稳定性，适用于大跨度空间屋顶结构。

•拱形结构：借助弧形结构来实现大跨度空间的覆盖，适用于建筑物的支撑结构。

实际应用大跨度空间结构在现代建筑中有着广泛的应用，如：•体育馆：体育馆的设计往往要求大跨度空间结构，以容纳体育比赛和观众席。

•机场候机厅：现代机场的候机厅通常采用大跨度空间结构，提供宽敞的候机区域。

•会展中心：会展中心需要大型展览空间，大跨度结构能够提供灵活的展览空间。

•火车站站厅：为了满足高铁的乘客流量需求，火车站的站厅通常采用大跨度空间结构，提供宽敞的候车区域。

结语大跨度空间结构在现代建筑设计中扮演着重要的角色，它不仅体现了建筑技术的发展和创新，也为人们提供了更加舒适、宽敞的室内体验。

设计和建造大跨度空间结构需要多学科的综合知识和团队合作，只有这样才能打造出稳定、安全、美观的建筑作品。

摘要：随着技术的发展，大跨度空间结构越来越多的在各领域运用，本文先对大跨度空间结构的起源与历史进行介绍，再对空间结构委员会成立三十年来在空间结构领域作了介绍,重点系统论述了三十年来各时期大跨度空间结构发展与应用情况。

全面阐述了我国大跨度空间结构近期发展的特点,包括在各类公共建筑中的应用情况、空间结构体系的发展与技术进步。

关键词：发展历程，我国进展1.简介：横向跨越60米以上空间的各类结构可称为大跨度空间结构。

常用的大跨度空间结构形式包括折板结构、壳体结构、网架结构、悬索结构、充气结构、篷帐张力结构等。

大跨度空间结构是国家建筑科学技术发展水平的重要标志之一。

世界各国对空间结构的研究和发展都极为重视，例如国际性的博览会、奥运会、亚运会等，各国都以新型的空间结构来展示本国的建筑科学技术水平，空间结构已经成为衡量一个国家建筑技术水平高低的标志之一。

2.大跨度发展历程：实际上，人类很早以前就认识到穹隆具有用最小的表面封闭最大的空间的优点。

效仿洞穴穹顶，人们建造了许多砖石穹顶，如我国东汉时期河南洛阳的地下砖砌墓穴，公元前1185年古希腊迈西尼国王墓等。

古罗马最著名的穹顶是万神殿，也是建筑史上最早、最大跨度的拱建筑。

被誉为展现穹力的杰作。

然而，在尚无力学与结构理论以前，凭借已有的经验与大胆探索来建造房屋，难免发生事故。

公元537年东罗马帝国建造的圣索亚教堂，还有公元1612年建造的罗马圣彼得教堂都出现多较严重问题。

1742年罗马教皇下令检查圣彼得教堂问题原因，三位科学家经过认真调研和计算分析后，作出了解决方案。

这工程实例表明工程结构经验时代的结束和科学时期的到来。

工程结构的发展推动了理论研究的进步，理论成果的指导完善了工程实践，这是建筑结构科学得以不断进步的历史规律。

19世纪的工业革命促使科学技术飞快进步。

生铁材料出现以后引起了建筑结构革命性的变化。

1787年英国出现机扎熟铁条，1831年英国有出现机扎出角铁，1845年法国人碾压出熟铁工字梁。

大跨空间结构—索膜结构详解索膜结构作为新的建筑形式于本世纪五十年代在国际上开始出现，至今已有六十多年的历史，特别是到了七十年代以后，膜结构的应用得到了迅速发展。

膜结构的出现为建筑师们提供了超出传统建筑模式以外的新选择。

膜结构一改传统建筑材料而使用膜材，其重量只是传统建筑的三十分之一。

而且膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度，无支撑，建筑上实现时所遇到的困难，可创造巨大的无遮挡的可视空间。

索膜结构是目前发展很快的一种新型空间结构，是一种效率极高的张力集成体系，可以充分发挥钢索的强度与张拉整体结构的空间作用。

张拉膜结构是索膜结构中最常见的一种形式，是索膜建筑的代表和精华，它通过钢索与膜材共同受力形式稳定曲面来覆盖建筑空间，具有高度的形体可塑性和结构灵活性，即通过对膜材内部施加一定的预张力，使其具备了抵抗外荷载能力，从而充当结构材料的一种结构体系。

这种形式能够充分利用膜材的受力性能，形成轻巧、美观、具有现代感的空间大跨曲面结构，并且施工简单、快捷、成本低，在国内外已经被广泛应用于商业建筑、体育建筑、工业建筑、户外设施、文化娱乐建筑等各种领域。

一、索膜结构的组成及材料特性1. 索膜结构的组成一个完整的索膜结构一般由三部分组成1)形成曲面结构的张拉膜材；2)用于加强膜面的脊索和谷索,以及将膜内力传向支承结构的边索；3)求索膜体系的支架结构。

张拉膜材即作为结构材料,要能够抵抗一定的荷载而不致引起过大变形。

同时为完成作为覆盖材料所规定的建筑功能，例如美观、遮光、防火、耐久等等，还需满足各种性能要求。

所以，选用合适的膜材对于索膜结构的设计建造非常重要。

加强索除其对于膜面受力方面的加强作用外，更重要的是起到了改变建筑造型的作用。

尤其是谷索和脊索的灵活设置会给整个建筑带来奇妙的视觉效果。

支架结构最常采用的是钢结构，也可采用混凝土结构，甚至在某些情况下可以采用木结构或其他结构。

支架结构除满足将索膜体系的内力传递到基础这一结构要求以外，其形式可以采取变化多样的形式，以实现不同的建筑造型效果。

简述大跨度空间结构的主要形式及特点摘要：大跨度空间结构往往是衡量一个国家或地区建筑技术水平的重要标志。

其结构形式主要包括网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构、薄壳结构等五大空间结构及各类组合空间结构。

形态各异的空间结构在体育场馆、会展中心、影剧院、大型商场、工厂车间等建筑中得到了广泛的应用。

关键词：大跨度空间结构形式特点1网架结构由多根杆件按照某种规律的儿何图形通过节点连接起来的空间结构称之为网格结构，其中双层或多层平板形网格结构称为网架结构或网架。

它通常是采用钢管或型钢材料制作而成。

1.1网架结构的形式(1)平而桁架系组成的网架结构。

主要有：两向正交正放网架、两向斜交斜放网架、两向正交斜放网架、三向网架等型式。

(2)四角锥体组成的网架结构。

主要有：正放四角锥网架、斜放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、棋盘形四角锥网架、星型四角锥网架、单向折线型网架等型式。

(3)三角锥组成的网架结构。

主要有：三角锥网架、抽空三角锥网架（分1型和11型）、蜂窝形三角锥网架等型式。

(4)六角锥体组成的网架结构。

主要形式有：正六角锥网架。

1.2网架结构的主要特点空间工作，传力途径简捷；重量轻、刚度大、抗震性能好；施工安装简便；网架杆件和节点便于定型化、商品化、可在工丨中成批生产，有利于提高生产效率；网架的平而布置灵活，屋盖平整，有利于吊顶、安装管道和设备；网架的建筑造型轻巧、美观、大方，便于建筑处理和装饰。

2网壳结构曲而形网格结构称为网壳结构，有单层网壳和双层网壳之分。

网壳的用材主要有钢网壳、木网壳、钢筋混凝土网壳等。

2.1网壳结构的形式主要有球而网壳、双曲而网壳、圆柱而网壳、双曲抛物而网壳等。

2.2网壳结构主要特点兼有杆系结构和薄壳结构的主要特性，杆件比较单一，受力比较合理；结构的刚度大、跨越能力大；可以用小型构件组装成大型空间，小型构件和连接节点可以在工）预制;安装简便，不需大型机具设备，综合经济指标较好；造型丰富多彩，不论是建筑平而还是空间曲而外形，都可根据创作要求任意选取。

大跨建筑结构——空间结构体系大跨建筑屋架结构体系——高跨比：1:6屋架形式及适用跨度平行弦屋架拱形屋架折线形屋架梯形屋架杆件受力不均匀，用料较多力情况虽然合理，但由于上弦各节点都落在抛物线上，尺寸很零件，施工不方便三角形屋架适用于较小跨度的屋盖(跨度宜在15m以内)弦支点座落在抛曲线附近，所以，受力比较合理，折线形屋架采用较多上弦扦出两个坡度较小的斜直线组成，半边屋架的外轮廓线为梯形，斜杆呈人字形。

这种屋架的刚度、构造比较简单，自重较大，一般用于跨度为24m一36m的工业建筑物二、空间结构体系(一)网架结构体系网架的优点•结构组成灵活多样但又有高度的规律性，适应各种支承条件和各种建筑造型，可适应各种建筑方面的要求•网架高度内的空间可以用以设置管道等设施，网架结构外露或部分外露，因其几何图形的规则，可以丰富建筑效果•网架的结构高度较小，不仅可以有效地利用建筑空间，而且能够利用较小规格的杆件建造大跨度的结构•杆件类型划一，适合于工厂化生产、地面拼装和整体吊装网架结构受力特点•具有各向受力的性能，它改变了一般平面桁架的受力状态，是高次超静定空间结构•网架结构的各杆件之间互相起支撑作用，整体性强、稳定性好，空间刚度大，是一种良好的抗震结构型式，尤其对大跨度建筑其优越性更为显著•在结点荷裁作用下，网架的杆件主要承受轴力，充分发挥材料强度，节省钢材网架的分类1、几何形态上分：平板网架、柱面网架、球面网架2、平面桁架系、四角锥体系、三角锥体系3、螺栓球节点、焊接球节点4、双层网架、多层网架网架材料——钢材：钢管、型钢、钢球双向正交正放、斜放三向交叉正放四角锥体系四角锥体网架的上弦和下弦平面均为方形网格，上下弦错开半格，用斜腹杆连接上下弦的网格交点，形成一个个相连的四角锥体。

四角锥体网架上弦不易再分杆，因此网格尺寸受限制，不宜太大。

它用于中小跨度斜放四角锥•所谓斜放，是指四角锥单元的底边与建筑平面周边夹角为45。

大跨度空间结构的主要形式及特点大跨度建筑通常是指跨度在30米以上的建筑，我国现行钢结构规范则规定跨度在60米以上结构为大跨度结构。

大跨度空间结构往往是衡量一个国家或地区建筑技术水平的重要标志。

其结构形式主要包括拱结构、刚架结构、桁架结构、网架结构、折板结构、网壳结构、悬索结构、膜结构、薄壳结构等空间结构及各类组合空间结构。

形态各异的空间结构在体育场馆、会展中心、影剧院、大型商场、工厂车间等建筑中得到了广泛的应用。

结构是房屋的骨架，是形成建筑内部空间和外部形式的物质基础，结构是在特定的材料和施工技术条件下运用力学原理创造出来的。

某种新的结构一丹产生并在工程实践中反复出现时，便会逐渐形成一种崭新的建筑形式。

上面所提到的空间结构也可以分成：一实体结构类——薄壳结构、折板结构；二网格结构——网架结构、网壳结构；三张力结构——悬架结构、薄膜结构；四其他新型大跨度空间结构——可展开折叠式结构、开合屋顶、张拉整体结构、张弦结构、整体张拉预应拱架结构。

下面我就各空间结构作分析。

1拱结构1.1定义与特点拱结构是一种主要承受轴向压力并由两端推力维持平衡的曲线或折线形构件。

拱结构由拱圈及其支座组成。

拱是古代大跨度建筑的主要结构形式。

由于拱呈曲面形状，在外力作用下，拱内的弯矩可以降低到最小限度，主要内力变为轴向压力，且应力分布均匀，能充分利用材料的强度，比同样的梁结构断面小，能承受较大空间。

但是拱结构在承受荷载后将产生横向推力，为了维持结构的稳定性，必须设置宽厚坚固的拱脚支座抵抗横推力。

常见的方式是在拱的两侧作两道后墙来支承拱，墙厚随拱跨增大而加厚。

这样就会使建筑的平面空间组合受到约束。

1.2拱结构形式拱结构应用广泛，形式多种多样。

按建造的材料分类，有砖石砌体拱结构、钢筋混凝土拱结构、钢拱结构、胶合木拱结构等；按结构组成与支承方式分类，有无铰拱、两铰拱和三铰拱，无拉力杆拱和有拉杆拱；按拱轴的形式分类，常见的有半圆拱和抛物线拱；按拱身截面分类，有实腹式和格构式、等截面和变截面等。

摘要：⼤跨空间结构是⽬前发展最快的结构类型。

⼤跨度建筑及作为其核⼼的空间结构技术的发展状况是代表⼀个国家建筑科技⽔平的重要标志之⼀。

本⽂就空间格结构和张⼒结构两⼤类介绍了国内外（但主要是国外）空间结构的发展现状和前景。

对这⼀领域⼏个重要理论问题，包括空间结构的形态分析理论、⼤跨柔性属盖的动⼒风效应、壳结构的稳定性和抗震性能等问题的研究提出了看法。

⼀、概述 在这实际的三维世界⾥，任何结构物本质上都是空间性质的，只不过出于简化设计和建造的⽬的，⼈们在许多场合把它们分解成⼀⽚⽚平⾯结构来进⾏构造和计算。

与此同时，⽆法进⾏简单分解的真正意义上的空间体系也始终没有停⽌其⾃⾝的发展，⽽且⽇益显⽰出⼀般平⾯结构⽆法⽐拟的丰富多彩和创造潜⼒，体现出⼤⾃然的美丽和神奇。

空间结构的卓越⼯作性能不仅仅表现在三维受⼒，⽽且还由于它们通过合理的曲⾯形体来有效抵抗外荷载的作⽤。

当跨度增⼤时，空间结构就愈能显⽰出它们优异的技术经济性能。

事实上，当跨度达到⼀定程度后，⼀般平⾯结构往往已难于成为合理的选择。

从国内外⼯程实践来看，⼤跨度建筑多数采⽤各种形式的空间结构体系。

近⼆⼗余年来，各种类型的⼤跨空间结构在美、⽇、欧等发达国家发展很快。

建筑物的跨度和规模越来越⼤，⽬前，尺度达150m以上的超⼤规模建筑已⾮个别；结构形式丰富多彩，采⽤了许多新材料和新技术，发展了许多新的空间结构形式。

例如 1975年建成的美国新奥尔良“超级穹顶”（superdome），直径207m，长期被认为是世界上的球⾯壳；现在这⼀地位已被1993年建成夏径为222m的⽇本福冈体育馆所取代，但后者更的特点是它的可开合性：它的球形屋盖由三块可旋转的扇形壳组成，扇形沿圆周导轨移动，体育馆即可呈全封闭、开启1／3或开启2／3等不同状态。

1983年建成的加拿⼤卡尔加⾥体育馆采⽤双曲抛物⾯索屋盖，其圆形平⾯直径135m，它是为1988年冬季奥运会修建的，外形极为美观，迄今仍是世界上的索结构。

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。