大跨度空间结构的发展历史及分类

 大跨度空间结构的发展历史及分类

【摘 要】按照古代、近代、现代的时间顺序介绍空间结构的发展历程。按传统划分方法、单元组成划分法对空间结构进行分类，后者能更好的囊括和包络既有的空间结构形式。 

　　【关键词】大跨度空间结构；发展历史；分类 

　　1982年中国成立空间结构委员会，在此后三十多年里大跨度空间结构发展迅速，兴建了大量体育场馆、会议展览馆、机场车库、大型娱乐场所、多功能厅等，结构在跨度上跨度的要求越来越高，在形式上，也不断创新。 

　　一、空间结构的发展历史 

　　在二十世纪前，古代空间结构就已经出现并大量应用，主要标志性结构为拱券式穹顶，该结构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。该类结构的代表工程：南京无梁殿（明洪武14年），平面尺寸38m×54m， 净高 22m。 

　　二十世纪初叶（1925年）后，涌现了大梁的近代空间结构，主要标志性结构为薄壳结构、网格结构和一般悬索结构。其中薄壳结构代表工程有：北京火车站（1959年），跨度35m×35m；网架结构代表工程有：首都体育馆（1968年），跨度99m ×112.2m；悬索结构代表工程：北京工人体育馆（1961年，跨度94m），浙江人民体育馆（1967年，跨度60m ×80m ）， 成都城北体育馆（1979年，跨度61m）。 

　　到二十世纪末叶（1975 年前后） ，现代空间结构开始发展， 其主要标志性结构为索膜结构、索杆张力结构、索穹顶结构等。例如，2008 年建成的114m×144m北京奥运会国家体育馆是世界上最大跨度的双向弦支桁架结构。 

　　二、按传统方法划分空间结构 

　　按传统的划分方法，空间结构分为薄壳结构、网架结构、网壳结构、悬索结构和膜结构五类。五种空间结构的定义及主要形式如下： 

　　（一）网架结构是以多根杆件按照一定规律组合而成的网格状高次超静定空间杆系结构，有以下主要形式：（1）平面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Ⅰ型和Ⅱ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。 

　　（二）网壳结构是将杆件沿着某个曲面有规律地布置而组成的空间结构体系其受力特点与薄壳结构类似，是以“薄膜”作用为主要受力特征的。主要有球面网壳、双曲面网壳、圆柱面网壳、双曲抛物面网壳等。 

　　（三）薄膜结构以性能优良的柔软织物为材料，由膜内空气压力支承膜面，或利用柔性钢索或刚性支承结构使膜产生一定的预张力，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。主要有空气支承膜结构、张拉式膜结构、骨架支承膜结构等形式。 

　　（四）悬索结构是以能受拉的索作为基本承重构件，并将索按照一定规律布置所构成的一类结构体系。悬索结构按索的布置方向和层数分为：单向单层悬索结构、辐射式单层悬索结构、双向单层悬索结构、单向双层预应力悬索结构、辐射式预应力悬索结构、双向双层预应力悬索结构、预应力索网结构等。 

　　（五）薄壳结构指建筑工程中满足t/R≤1/20的壳体。薄壳结构按曲面形成可分为旋转壳与移动壳；按建造材料分为钢筋混凝土薄壳、砖薄壳、钢薄壳和复合材料薄壳等。 

　　除以上几种空间结构外，尚有组合网架结构、预应力网格结构、管桁结构、张弦梁结构、点连接玻璃幕墙支承结构、索穹顶结构等几种常用空间结构。 

　　三、按单元组成划分空间结构 

　　国内外出现的空间结构多达38种，若按上诉传统分类方法则很难囊括和包络现有的各种形式。根据空间结构的单元组成来分类各种形式的空间结构，可避免传统分类方法的局限性，分别是板壳单元、梁单元、杆单元、索单元和膜单元共五种。仅由单一单元组成的结构有15种，由两种及以上单元组成的结构有23种。由两种及以上单元组成的结构仅以一种单元为主要组成单元，以板壳为主的结构有4种，以梁为主的结构有6种，以杆为主的结构有6种，以索为主结构有5种，以膜为主的结构有2种。具体见表1。 

　　参考文献： 

　　[1]董石麟.空间结构的发展历史、创新、形式分类与实践应用[J].空间结构，2009，15（3）：23-41. 

　　[2]刘锡良主编.现代空间结构[M].天津：天津大学出版社，2002.