现代大跨空间结构在中国的应用与发展

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今天我想跟大家讨论一个问题，讨论现代大跨空间结构在中国的应用与发展，什么是现代？怎么划分？是怎样产生的？它包括哪些类型等等，提一些看法，大家都可以讨论，而且结合中国的情况，我们当前应用的现在大跨空间结构的情况，以及存在的问题等等跟大家做些讨论。我没有举国外的例子，仅在中国的应用和发展。
    我争取在四十分钟以内，因为这个问题也比较多，大家一起讨论、提一些看法。我想讲六个问题：一是引言；二是现代空间结构的分类；三是现代刚性空间结构的应用与发展；四是现代柔性空间结构的应用与发展；五是现代刚柔性组合空间结构的应用与发展。
    第一，引言，几年前也和有关同志讨论过，空间结构我认为可以分为三个历史阶段：现代空间结构由两部分组成，这个我们从下面这张图来看，我们的空间结构可以认为是古代的空间结构、近代的空间结构以及现代空间结构，我们想这么分。划分的节点实际上是很难的，应该有一段时间，这里正好有些工程，我正向划分是1925年到1975年。现代空间结构主要是从1975年开始，近代空间结构是1925年到1975年，古代空间结构是从1900年到1925年。
    在近代空间结构的发展采用了一些新的技术，采用了结构的组合、材料的组合，应用一些结构概念以及结构创新形成在近代发展起来的组合网架结构、一些其他的结构。这个年代是这么看，蓝色的线是现代空间结构，分两部分，一部分是新材料发展以后；第二部分是近代空间结构在原有的基础采用新的建设以后，蓝的线1975年这个里面也有，我们近代空间结构和古代空间结构也并不是死的。为什么1925~1975年呢？古代的空间结构大家知道罗马的万神殿，主要是拱券式穹顶结构，比如说南京的无梁殿主要是砖石。
    最早的薄壳结构是德国耶拿玻璃厂，后来四十年代、五十年代比较典型的是罗马小体育馆。网架、网壳空间结构也在德国，一个蔡司天文馆，15米跨度，后来各个国家也都有了。我们国家的网架代表是首都体育馆。古老的悬索结构我们国家古代1825年竹索桥和铁索桥，近代一点1953年美国瑞雷竞技馆和北京工人体育馆。1975年美国庞提亚克体育馆是168m×220m，巨型的气承式充气膜结构。后来日本人在东京设立了棒球馆。我们第一部分材料采用了轻质、高强的材料、模材、索材以及钢棒。向轻盈、高效空间发展，如气承式膜结构。
    第二部分由这些近代空间结构，网格结构、RC 壳，不再是单一，钢筋混凝土、钢筋都在一起，或是钢材，包括其他的材料都合在一起，结构形式也不是单一的，多种的组合。另外采用预应力技术，包括结构的概念与形体的创新形成了一些新的空间结构，典型的比如说组合网架等等。现代空间结构由这两部分组成，大致的年代从上个世纪的七、八十年代开始到现在大概有三十几年的时间。
    从1975年到现在大概35年的时间，其中中间的50年近代空间结构是比较多的。另外要说的我们近代空间结构还在用，并不是现在网架结构和网壳结构就不用了，这张图说明当代空间结构发展的情况，大致的内容，由什么组成的，这是我想讲的引言。
    第二，现代空间结构的分类。现代空间结构的分类以往有传统的分类方法，五大空间结构：薄壳结构、网架结构、网壳结构、悬索结构、薄膜结构，还可以更细的分。所有的空间结构按这五大空间结构分类我感觉现在不太够，有些空间结构不能包含在里面，前几年我们提出了分类方法按组成空间结构的基本单元，组成空间结构的基本单元不管是哪一种结构五大单元组成，这五大单元是：板壳单元、梁单元、索单元、杆单元、膜单元。
    对这五大单元我们做些说明，五后面有一系列的具体空间结构，具体的空间结构有具体空间结构的名称，网架结构、立体桁架、双层网壳是杆单元组成的。预应力网壳是由杆单元组成的等等。组合网架结构，上面是钢筋混凝土，是由混凝土的板，这块板肯定要带梁的，是由梁单元以及下面的杆单元组成。我们统计一下总共有具体名字的是38种，这个图大家可以看一下，我们有几点说明，这38点总共有17个小类，刚性单元组成是7种，3类柔性空间结构，7类刚柔组合空间结构。
    这38种空间结构其中17种空间结构是由杆单元或是由索单元、梁单元，比较活跃的是杆单元、梁单元、索单元。按这样的分类方法，我感觉空间结构分类直观性比较强，一看就清楚，他由什么东西组成的很清楚。它是由什么单元组成的，分析计算的时候用哪些单元的软件来分析？包容性把所有的空间结构都包含里面。开放性是今后新的空间结构还要发展，都可以往里面填充。
    说到现代空间结构，这里面总共有17种，根据刚才的分类方法是属于现代空间结构，在这个图里黄色的是现代空间结构，从空腹网壳开始。下面我讲快一点，把每一个空间结构的特点和我们国内的工程应用情况做个介绍。
    第三，现代刚性空间结构，空腹网壳，树状结构，多面体空间刚架结构，局双层网壳，组合网架结构，折板型网壳。
    空腹网壳，典型的就是国家大剧院，原来安德鲁搞的时候由140片空腹壳组成的，没有交叉杆，我们通过分析研究，发现它抗扭性不行、稳定性不行，我们建议他加四道交叉杆，安德鲁吸收了我们的经验，现在的国家大剧院里面有交叉杆，这是一个特例。空腹网架，是宝安体育馆。
    树状结构，实际上是多级分枝立柱支承结构，它可以分为主、次要，按粗、中、端枝来分，用这样的结构体系，后面都可以解释。这是深圳的文化中心。这个是杭州的奥体中心，当时搞的其中一个方法是用树状结构。这个是浦东国际机场二期，我觉得这是简单的树状结构。
    多面体空间框架结构，典型的例子是水立方。水立方大家都清楚，由多面体组成的。墙体里面由多面体的连边组成，这就是多面体的结构体系。大家可以看到多面体空间刚架结构有一个特点，内部每一个结点有四根杆相交，一个框架至少有六个杆，他只有四个杆。
    局部双层网壳，它是梁单元和杆单元组合，薄膜内力处为主用单层网壳，有些弯曲内力处为主用双层网壳。这是广西桂平市体育馆，这个是杭州奥体中心，它是花瓣式的，有三层的，有双层的。这是南通的体育场，大部分是单层，但是用立体桁架分一下，通过网的体系把它划分为一块一块的，有的地方是单层。
    组合网架，去掉上弦，替代RC带肋板，用两种材料钢筋混凝土、钢材，承重作用合而为一，可以用高层，多层也可以。这是新乡百货大楼是多层建筑，36米×36米跨度的百货大楼。上海购物中心七层、八层用组合网架。
    折板型网壳，外形为折板型，可梁元或杆元，可以单层也可以双层，早期杭州有一个工程，杭州陈经纶网球场。深圳大运体育中心，深圳大运会游泳馆。还有广州大剧院，这个是在我们学校专门做了一个模拟大运会场馆。
    第四，现代柔性空间结构：气承式充气膜结构，和柔性支承膜结构。
    气承式充气膜结构，气囊式、气承式中的一种，1.003atm，高压体系，膜面K>0，膜材要求强度：半透明，自洁性，耐燃性。膜材：织物基层+涂抹，PVC、PTFE、ETFE。充气膜结构在上个世纪的70年代在上海展览馆北馆做了一个，后来拆掉了，28米×36米。当前在2010年大家知道在内蒙古的鄂尔多斯在响沙湾做了105米×95米的展览馆，我们国内比较大一点的就是这个。
    柔性支承膜结构其实是索膜结构，它的水平更高一些，它是索单元、膜单元的组合，索膜协调，一般是风荷载控制，通常是与刚性支承混合应用。威海市体育场，236m×209m。典型的是上海世博会，97m×840m。这里面索膜结构的组成图，有边索、谷索、吊索等。这是施工安装的情况。这是深圳欢乐谷音乐厅，也是柔性支承的。
    第五，现代刚柔性组合空间结构的发展和应用
    张弦梁结构、弦支网壳，索穹顶-网壳，张弦气肋梁，预应力网架，斜拉网架，张弦立体桁架，预应力装配弓式结构，索桁结构，索穹顶。
    张弦梁结构，现在用得比较多了，实际梁、下弦、竖三种单元组合在一起。最早的是上海浦东国际机场，浦东机场的二期是多跨梁式的，张弦梁可以用V字型的支撑支承。
    弦支网壳，这两年搞得比较多，而且水平也比较高，怎么组成的我就不说了，大家看看工程。这是国内比较早的工程，天津保税区的大堂，35米，后来发展到60米到80米。这是北工大的羽毛球馆。济南体育馆。深圳新火车站跨度43米，这是它的剖面，这在世界上也是第一个。
    索穹顶-网壳组合结构，这个还没有工程，做了一些实验，这是索穹顶与单层网壳的组合结构，在我们学校做过模型实验。济南体育馆的时候我们做了一个方案，傅总也做了一个方案，最后没有采用。
    张弦气肋梁，这是当前世界新的一种结构体系，我们国内还在研究，它是张弦气肋梁，充气肋代替张弦梁的竖梁，2007年瑞士做了一个汽车站，这个张弦梁中间不是肋而是充气结构在一起的。这种我们国内也在研究，今后的发展方向还需要进一步的研究。这种结构体系国外用在桥梁里也有。
    预应力网架，这是早期1994年在广东清远有一个体育馆，六根弦的。攀枝花有一个体育馆，缺角八边形。高安体育馆，拉了四根索，围成四支点的。上海购物中心有四道索。
    斜拉网架，杭州的黄龙体育中心，除了稳定斜拉后面加了一些稳定索。这是在浙大搞了一个斜拉的结构，这是它的计算模型。
    张弦（立体）桁架，早期是广州的会展中心，这是施工的情况，北京奥运会的体育馆，这是当时跨度最大的张弦桁架，这是它的构造情况。
    预应力装配弓式结构，这个我们国内自己搞的，加一个索再提起来，再增加一段，再加一根索，施工安装比较方便，比较大型的机器设备。国内第一个典型工程1994年建成的，钓鱼台国宾馆的网球馆。
    索桁结构，由承重索和稳定索再加竖杆组成的，自平衡体系。这是吉林冰球馆、佛山世纪莲体育场，宝安体育场、乐清体育场的索不是封闭的，一半的地方断掉了，是这样体系，这是它的计算模型，在浙大做实验。
    索穹顶，效率比较高，省钢材。我们国内第一个索穹顶。这是72米鄂尔多斯体育馆，索穹顶今后可能很快会发展。
    第六，我们小结一下，空间结构分三大类，近代、古代、现代。现代空间结构由两大部分，它的特点是轻质、高强材料，轻盈、高效、创新。刚性、柔性可以分为现代刚性、现代柔性、现代刚柔性组合。有推广价值，在目前的基础上进一步提高、优化、深化。我们很多空间结构在世界之最，首次应用、跨度最大、覆盖面积最大等等。我们当前中国是一个现代空间结构的大国，我们下一步的发展方向共同努力向现代空间结构的强国来发展。
    谢谢大家。