空間結構發(fā)展前景論文

導語：空間結構發(fā)展前景論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：20世紀人們?yōu)殚_放與交流而興建的建筑都有要求一個大的空間,其中有代表性的是體育、會議展覽和機場建筑,并采用了不少引人注目的空間結構.文中評述了當代體育建筑中采用空間結構后些典型工程,最后討論了另空間結構的發(fā)展水平和前景,并指出有必要扭轉結構形式與結構防護在設計上的被動局面.

關鍵詞：空間結構結構藝術

一、前言

當世界即將邁入21世紀之際，回顧人類發(fā)展的歷史，就可發(fā)現(xiàn)其中一個顯著的特點就是其活動空間的不斷改善與擴充。遠古伊始，人類或挖洞穴居、或構木為巢，僅是為爭取勝一個生存的空間，隨著科學技術的發(fā)展，人們懂得運用各種材料建造出更牢固、更舒適的空間。從古羅馬的圣彼得大教堂到當今英國正在興建的“千年穹頂”，其直徑由42m擴大到320m，就是一個鮮明的例證。

20世紀人類的活動更加走向開放，人們已不再閉關自守，而是不斷擴大國與國、洲與洲以至全世界范圍的交流。這種需求必然會影響人類建設的格局。在各種交流活動中，體育比賽無異是一種最激動人心的方式。因此，奧林匹克體育競賽館、世界杯足球比賽場……就在世界各地堀起。學術、文化、藝術與商業(yè)上的交流促使一些大城市建成了規(guī)模龐大的會議展覽中心，此外，各種臨時性與永久性的博覽會，也要求提供上萬平方米的面積。為了進行交流，人們要更多地乖坐飛機旅行，20世紀是噴氣式客機的世紀，因而大規(guī)模的候機大廳與飛機庫就在本世紀誕生。這些建筑都有毫無例外地要求一個大的活動空間，因而跨度大、自重輕、造型富于變化就成為這些建筑的共同特征，有時還要求所圍護的空間能夠隨時開啟與閉合?？v觀建筑結構的發(fā)展歷史，三維的空間結構是最能滿足以上要求的，往往成為眾多結構方案中的首選。[1、2]

在人類古老的建筑中早就已經出現(xiàn)了空間結構的痕跡,例如我國半坡遺址的居屋就是一個原始的空間骨架,而北美印第安人從他們始祖繼承下來的棚屋,其以枝條搭成的穹頂與現(xiàn)代網殼則有驚人的類似.其后,自歐洲文藝復興時代所出現(xiàn)的教堂建筑,以磚石構成的穹頂雖然又厚又重,但在某種程度上仍體現(xiàn)了空間作用.然而現(xiàn)代空間結構的出現(xiàn),應該從20世紀初期興建的鋼筋混凝土薄殼算起,這應該道德歸功于先進建筑材料—鋼鐵與混凝土的誕生.第二次世界大戰(zhàn)之后,百廢待興,大量的建筑使空間結構走向蓬勃發(fā)展的康莊大道.50年代后期以桿件組成的空間網格結構嶄露頭角,其中平板形的稱為網架,曲面形的稱為網殼.這種結構的桿件以鋼、木或鋁合金制成,通過節(jié)點組合成網狀結構.以后又陸續(xù)出現(xiàn)了以受拉來主要受力特征的張拉結構,起初有以鋼索承重的懸索結構,其后則有以合成材料制成建筑織物來受力的膜結構.就結構自重而言,從磚石穹頂的6400㎏/㎡減少到膜結構的10㎏/㎡,說明了建筑結構飛躍的進步.因此,空間結構已成為本世紀建筑結構學科中最重要與最活躍的發(fā)展領域之一.

空間結構建造及其所采用的技術往往反映了一個國家建筑技術的水平,一些規(guī)模宏大、形式新穎、技術先進的大型空間結構也成為一個國家經濟實力與建筑技術水平的重要標志.近年來,世界各國在體育場館、會議展覽中心與機場的大規(guī)模建筑中采用了不少引人注目功能的要求.集中反映了當今的世界潮流,下面擬就體育建筑中采用空間結構后些典型工程加以評述,并對中國今后空間結構的發(fā)展提出一些看法.

二、當代工程進展

體育建筑一直是空間結構應用的廣泛領域,其中網架又是在早期建造得最多的一種結構類型,60年代在美國洛杉磯加利福尼亞大學體育館采用的網架結構啟發(fā)下,中國用自己的力量設計與建造了首都體育館.當時加州大學體育館的尺寸是91m×122m,采用正放四角錐網架,而首都體育館的尺寸則是99m×112m,采用兩向正交斜放網架.這個大跨度網架的成功興建大大推動了網架在體育建筑中的應用,此后一些省市的主體育館幾乎無一例外地都有采用網架結構.1990年北京為亞運會所建設的13項大中型體育館中,就有半數以上采用了網架結構,可見其影響之深遠.

近年來,可能由于平板型網架的外形過于單調,失去了建筑師們的偏愛.另外,由于計算機的迅猛發(fā)民展使曲面形網殼的設計與制作大為方便,因而在體育建筑中網殼的應用有逐步上升的趨勢，特別是穹頂幾乎風靡了日本全國.

穹頂（dome）就其原意來說是一個半圓形的頂蓋，而用網殼建造穹頂并非新事，早在本世紀初，德國工程師施威德勒（Schwedler）就發(fā)明了一種肋環(huán)斜桿型的網殼，這種以他名字命名的網殼一直在圓形屋頂的建設流傳。70年代美國休斯頓的宇宙穹頂（Astrodome）和新奧爾良的超級穹頂（Superdome）也分別以196m和207m的直徑保持了多年的網殼大跨度記錄。90年代這種穹頂在日本得到了振興，其名稱為被音譯為“多姆”（卜-），其外形也不限制為圓形了。一些城市的體育館都有被稱為“多姆”，象大阪、名古屋、大館、熊本以及札幌、仙臺等地已建成或準備興建的“多姆”就不下二來個。這種穹頂的特點是，不僅可以用作體育比賽，還可以用作多種文化活動與展覽的場所，這正符合了人們要求交流的需要，同時在建筑與結構上也有所創(chuàng)新.

日本名古屋穹頂（圖1）是當前世界上跨度最大的單層網殼。該體育館整個圓形建筑的直徑為229.6m,支承在看臺框架柱頂的屋蓋直徑則有187.2m,采用以鋼管構成的三向網格.每個節(jié)點上都有六根桿件相交,采用直徑為1.45m的加肋圓環(huán),鋼管桿件與圓環(huán)焊接,成為能承受軸向力與彎矩的剛性節(jié)點.由于羅馬尼亞布加勒斯特穹頂的單層網殼(直徑93.5m)在1961年的一次暴風雪后出現(xiàn)過倒塌事故,大跨度的單層網殼一直被視為禁區(qū).名古屋穹頂之所以獲得突破性的進展是與科研工作分不開的.在設計中曾對各種荷載情況以及抗震、穩(wěn)定與施工過程中的缺陷進行了詳細的分析和研究.

大阪穹頂的中間部分是直徑為134m的雙層網殼,周圍與寬16m的Y形鋼框架相連接,形成直徑為166m的圓形頂蓋.整個網殼通過受拉環(huán)支承在九層高的框架上.如圖2所示,大阪穹頂在建筑上有一些特色,首先是在框架頂部建造了一圈作為商業(yè)與文化娛樂用的拱形“節(jié)日大廳”,宛如浮云環(huán)繞著穹頂.此外,穹頂上部的頂棚可以上下移動以滿足不同的功能,譬如體育比賽時,頂棚向上升高,形成寬敞的空間,而舉行文藝演出時,頂棚可以下調,以增強音響效果。

澳大利亞悉尼市為主辦2000年的奧運會而興建了一系列體育場館[3].其中國際水上運動中心與用作球類比賽的展覽館采用了材料各異的網殼結構.水上運動中心的屋蓋凈跨67m,采用帶拉桿的圓柱形網殼(圖3).鋼管桿件沿斜向布置并將推力傳給邊桁架,沿縱向每隔25m設一道加勁拱形桁架.這樣形成的受力體系是:重力荷載由帶拉桿的網殼拱肋承受,而穩(wěn)定性與抗彎剛度則由加勁桁架提供.該館的一個特點是奧運會期間可向外增設8000個座位,為此沿一側縱墻設置了一榀凈跨140m的拱形立體桁架,其斜桿用來懸吊網殼屋蓋并防止拱的側向壓屈。

皇家農學會的展覽館在奧運會期間用作排球、手球與羽毛球比賽之用,包括一個直徑100m的圓球形網殼與三個跨度為67m,矩形平面的圓柱形網.兩個網殼均為單層,采用三角形網格.桿件為膠合木梁,兩端以鋼節(jié)點連接,可承受壓力與彎矩.如此大跨度的單層網殼,穩(wěn)定性是結構設計上的主要考慮,三角形網格就可提供較強的剪切剛度防止局部失穩(wěn).此外圓球殼采用較大的矢高一35m,圓柱殼則每隔3m6加設V形桁架相連系.膠合木梁的桿件穩(wěn)定性則以固定在梁頂部的連續(xù)圓鋼管檁條來保證。

由于建筑織物這一新型材料的出現(xiàn),使膜結構逐漸得到了應用。當代日本的穹頂開始于東京的后樂園球場。這個直徑204m的氣承式空氣膜結構以其最先進的自動控制技術來維持屋蓋的安全。在此之間，美國的一些氣承式空氣膜結構體育館曾多次發(fā)生事故。因此這個機械、電子與土建相結合的智能建筑多少消除了人們的擔心，也使日本建設省下決心批準這種空氣膜結構可以作為永久性建筑。然而，曾幾何時，昂貴的運轉與維持費用又使后樂園背上了沉重的經濟包袱，以致日本以后的穹頂大多采用空間網格結構來支承膜屋面。

位于日本雪國秋田“空中穹頂”建于1990年，當時是僅次于后樂園的大型室內運動場。建筑切取球體的一部分，長邊為130m，短邊為100m，高30m，采用骨架支承膜結構（圖4）。屋蓋的格構式空間拱系沿長向為空腹拱、沿短向為鋼管拱，交點為剛接。沿長向還設置鋼索，以便對膜面施加張力，從而在屋面上形成V形槽溝，使雪易于滑落。另外利用緊貼膜面的鋼管拱作為通道，向其中送暖風，對屋蓋起融雪作用。屋面膜材為單層玻璃纖維織物涂敷特氟隆。這是位于寒冷地區(qū)的體育館采用大跨度膜結構的成功范例。同樣位于秋田的大館穹頂，其屋面也采用了V形膜面，但為雙層，支承骨架則是膠合木拱。這個平面為卵形的網殼（178m×157m）因地制宜地采用了當地生產的木材，成為當前世界上最大的木穹頂。值得注意的是，有一些大跨度網殼采用了木結構，一方面是利用木材便于受壓的特點，一方面也是由于當前“綠色建筑”的潮流所驅使。

日本熊本公園體育場，不像東京后樂園那樣采用全封閉的氣承式空氣膜結構，而是在主屋蓋部分采用了雜交索加強雙層氣承式空氣膜結構，其基本設計思想是使屋蓋像浮云一樣覆蓋在大地上。雙層空氣膜結構直徑為107m，中心部分設置了高14m的圓錐形鋼結構中心環(huán)。中心環(huán)與周圍的環(huán)狀桁架之間由上下各48根鋼索連接并覆蓋以膜材，完工后向雙層膜中加壓，以保持其設計開頭結構體系和雙層空氣膜的構成如圖5所示。熊本穹頂是由傳統(tǒng)的氣脹式空氣膜結構和車輪型索結構復而成。鋼索不僅是作為膜的加強材料，也是主要的承重結構，形成了融合兩種特色的雜交結構。

70年代，美國蓋格爾總結了氣承式空氣膜結構的經驗教訓，在已故著名結構專家富勒創(chuàng)始的“張拉整體”（Tensegrity）體系這一概念的基礎上，首先提出了以索、膜與壓桿組成的“索穹頂”設計，荷載從中心受拉環(huán)通過一系列幅射狀脊索、受拉環(huán)索與斜拉索，傳到周圍的受壓圈梁上。這種結構成功地被用在1986年韓國漢城奧運會的體操館與擊劍館上，其直徑分別為120m與93m。其后索穹頂得到了不斷地創(chuàng)新與發(fā)展，用于美國伊利諾斯州立大學紅鳥體育館（橢圓形91m×77m）、臺灣桃園體育館（直徑136m）以及佛羅里達的太陽海岸穹頂等工程其中跨度最大的是太陽海岸穹頂（圖6），由于直徑達210m，設置了四道受拉環(huán)索，為了滿足棒球比賽的要求，屋蓋傾斜為6°，最高點離地面68m，使空間符合飛球的射線。玻璃纖維膜材敷設在主結構的脊索與幅射狀的谷索之間，后者將膜材下壓并張緊，同時也便于排水。

美國李維也繼承了“張拉整體”的構想，并采用了富勒以三角形為基礎的屋蓋體系，開始稱為“雙曲拋物面一張拉整體穹頂”，以后注冊“騰星”（Tenstar）穹頂，其處女代表作就是1996年在美國亞特蘭大舉行的奧運會主館—佐治亞穹頂。這個尺寸為235m×186m的擬橢圓形索膜結構構成為世界上最大的室內體育館。穹頂的上索網采用三角形網格，膜采用菱形單元以便形成具有足夠剛度的雙曲拋物面。以后這種穹頂又用于阿根廷的拉普拉達體育場，平面由兩個重疊的圓（直徑為85m，圓心相距48m）組成，具有雙峰的外形。兩個騰星穹頂支承在看臺頂部周邊三角形桁架和中間鋼拱架上。屋面采用22%透光率的新型織物，加上周邊開敞和良好的通風系統(tǒng)，使得草坪得以生長。

在所有的體育建筑中，體育場可說是變化最大的，也最富有特點。最初的體育場不過是一片沒有遮蔽的露天場地，周圍設置了一些看臺，以后勤部部分看臺上加了挑蓬，其懸挑的跨度不過十來米。隨著需求的增長和技術的進步，不但懸挑跨度越來越大，覆蓋的范圍也發(fā)展到了全部看臺，僅留下了中央的一部分露天比賽場。然而，體育場的發(fā)展并未到此為止，中間部分的頂蓋還能做成晴天開敞、雨天遮蔽的開閉結構，以至體育場和體育館之間已沒有什么嚴格的界限了。

近代體育場的興起首先要歸功于世界杯足球賽，因為每次比賽都要在若干個城市的足球場上進行角逐，像1990年世界杯賽在意大利舉行，就新建或改建（加蓋）了11座體育場。其中羅馬奧運會體育場原建于1960年，平面尺寸為308m×237m，改建時采用了以幅射狀索桁架與受拉內環(huán)相結合的結構體系，懸挑跨主工業(yè)區(qū)50m。新建的巴里足球與田徑場則以成對的懸挑箱形鋼拱作為承重結構，最大懸挑跨度為26m。兩者都采用涂敷特氟隆的玻璃纖維布作為屋面。

此外，世界上一些主要城市也都需要一個達到國際標準、觀眾席在3萬人以上的體育場。正因為這個原因，香港在1994年對原有的露天下政府大球場進行擴建，將觀眾席增加至4萬。由于現(xiàn)存的鋼筋混凝土看臺已不堪重負，在結構布置上另辟蹊徑，即沿球場長向設置兩鉸落地拱，來承擔部分屋蓋重量。拱與看臺邊梁之間架設曲線形立體桁架，其上鋪以膜材，形成折線形屋面。鋼拱跨度為240m，矢高50m，采用3.m5方形截面.立體桁架的跨度在4m0至55m之間,為三角形截面,高3.5m桁架之間設有谷索用來張緊膜材(圖7).

作為2000年奧運會主辦城市的悉尼,理所當然地需要建設一座大型體育場,其設計規(guī)模為8萬人,奧運會期間可擴充到11萬人.結構布置類似香港體育場,也是沿長向設置兩鉸落地拱,跨度達290m,但看臺屋蓋則是采用了兩片新月形的雙曲拋物面網殼,這樣的幾何造型更美觀,同時雙曲面也能發(fā)揮其空間作用.鋼拱為三角形截面的格構式桁架,最大高度12.m,每個網殼覆蓋了大約220m×70m的面積,為雙層鉸接,最大厚度4.5m,網格尺寸為10m,網殼上覆蓋以半透明的聚碳酸脂屋面板。

作為采用膜結構的挑蓬來說,以受拉內環(huán)、索桁架與受壓圈梁相組合的結構體系是一種適宜的選型.1990年羅馬奧運會體育場擴建,1993年德國斯圖加特為舉辦世界田徑錦標賽將原有體育場改建都采用了這種形式.1998年馬來西亞吉隆坡為英聯(lián)邦運動會新建了一個10萬人體育場,其平面尺寸為286m×255.6m,看臺的挑蓬跨度達66.5m.和前兩個體育場不同的是它的受拉內環(huán)做成雙層,上下索之間以高18～20m的鋼柱相連系,周圍的受壓圈梁則為Ф1400㎜×35㎜的鋼管.在受拉內環(huán)與圈梁之間有36榀幅射狀的索桁架,其上設置了帶拉桿的鋼管拱,拱與拱之間可形成馬鞍形膜屋面,膜材采用了聚氯乙烯樹脂，外加一層含氟高分子的保護層。

三、中國的發(fā)展水平與前景

自從50年以來，中國在空間結構領域獲得了長足的進步，不論是工程應用或理論研究方面均在國際上占有一席之地，網架結構的應用范圍與面積已位居世界各國前列，像首都體育館上上海體育館這樣萬人級的體育館仍是大跨度網架結構中的佼佼者，近年來網殼結構逐漸興起，在體育館建設中頗有取代網架之勢。天津市體育館的雙層球形網殼，直徑有135m，黑龍江速滑館的主體結構采用由中央圓柱面與兩端半圓球面組成的雙層網殼，其輪廓尺寸為86.2m×191.2m.中國的懸索結構早在60年代即已起步[4],當時曾建造了直徑94m的圓形雙層懸索,用于北京工人體育館.其后在安徽體育館等工程上采用的橫向加勁懸索體系,以及在吉林滑冰館采用的空間雙層索系,都體現(xiàn)了中國在這方面的創(chuàng)新.相形之下,同屬于張拉體系的膜結構,在中國的發(fā)展還比較落后.但最近建成的上海體育場馬鞍形看臺挑蓬,采用懸挑鋼桁架覆以傘形膜材,是中國的第一個大跨度膜結構,雖然其技術與材料主要還依靠國外,但對中國膜結構的發(fā)展必然將起推動作用.值得提出的是,中國在制定空間結構技術規(guī)范的工作上在世界上是獨樹一幟的,有關薄殼、網架、網殼、懸索等的規(guī)程與標準,有的已經頒發(fā),有的正在編制,這些技術文件是中國在空間領域內工程實踐和科研成果的結晶.

展望未來,中國正沿著改革開放道路闊步前進,隨著交流的進一步擴大,必將建設更多的體育、展覽、會議和機場建筑.這將為空間結構的發(fā)展提供一個好的機會.經驗證明,為了推動應用,相應的理論研究是必不可少的,過去,這些工作也有必要繼續(xù)進行下去,以冀空間結構不斷獲得理論儲備[5].根據國外的經驗,還有兩個薄弱環(huán)節(jié)嚴重地影響著中國空間結構的向前發(fā)展,即結構形式和結構防護,必需及早扭轉目前的被動局面.

空間結構最大的優(yōu)點在于它形式的多樣化.然而,在設計過程中結構工程師往往是被動地去滿足建筑師所提出的建筑造型,而不是在設計一開始就主動地參與確定形式,這對于初始形狀不確定的張拉結構就更不合理了,決定結構形式不僅要依靠設計者的直覺和靈感,也要更多地采用理性的科學方法.近年來在國外已出現(xiàn)了好幾種“工具”可用來研究結構形式.

首先是結構形態(tài)學（StructuralMorphology）[6],它專門研究結構承重構件與形式之間的關系,包含了形狀、材料、荷載與結構體系四大要素,這就需要建筑與結構的設計研究人員共同參與.位于美國亞利桑那州沙漠中的“生物圈”2（Biosphere2）,采用了全封閉的空間網格結構,這個建筑就是根據結構形態(tài)學的原理而設計的.其欠,結構優(yōu)化已經被成功地運用在大量生產的汽車和飛機設計中,而采用復雜程度更高的形狀與拓樸優(yōu)化對于空間結構也具有巨大的潛力.為此,結合特定的材料、考慮多工況與多目標函數、以造價為推動力,都是使結構優(yōu)化進入實用的必要條件.德國拉姆（Ramm）等對殼體開頭與厚度的優(yōu)化具有啟發(fā)意義[7],中國對網架高度與網格的優(yōu)化成果已被列入設計規(guī)程中.此外,日本半谷裕彥提出“形態(tài)分析”則從另一個角度來研究,結構形式,所謂“形”（form）是指結構的曲面形狀與厚度,所謂“態(tài)”（system）則指網格的劃分、層數以及構件的拓樸等.形態(tài)分析是在設計過程中采用廣義逆矩陣的解析與系統(tǒng)方法[8].

空間結構除了靜荷載之外,還要承受像地震或風之類的動力作用.一般結構設計都是有多大的力就配以多大的截面,處于被動地位,而更積極的辦法是采用阻尼器等措施減少作用力,對地震或風進行主動的防護.早在1964年,日本東京代代木體育館的懸索結構就曾在主索上采用了油阻尼器以防止未能預計的強風對結構的危害,但以后在空間結構中未得到推廣.近年來,國外在高層與高聳結構中常采用主動或被動的阻尼裝置來減輕動力作用的影響,這種經驗也被引用到大跨度結構中.舊金山國際機場候機大廳中,用以支承大跨度鋼桁架的柱腳步與基礎間就設置了基底隔震器,可以抵御8級以上的地震,是世界上最大的采用基底隔震的結構.另外,臺灣一座火車站的大跨度殼體屋蓋,以26對吊桿懸吊在一對跨長174m的鋼索上,為了減少對懸掛屋蓋的風振,設置了8對粘彈性阻尼器[9].目前還有人研究在網殼上設置調頻質量阻尼器(TMD)作為被動減震的手段.因此,不斷探索對結構形式與結構防護的有效方法,必將使空間結構更加合理、經濟與安全.