现代刚柔性组合空间结构的应用与发展

现代刚柔性组合空间结构是现代化空间结构应用与发展的主流，品种繁多，主要是指张弦梁结构、弦支网壳、索穹顶——网壳、张弦气肋梁、预应力网架（壳）、斜拉网架（壳）、张弦（立体）桁架、预应力装配弓式结构、索桁结构和索穹顶结构10种。

1.张弦梁结构是由下弦索、上弦梁、竖杆三种单元组成的刚柔性组合空间结构，20世纪90年代由日本引进，当时称为BSS(Beamstringstructure）体系。张弦梁通过张拉下弦索成形并可构成自平衡体系。由于其本身为平面结构，要采用屋面支承体系保证平面外的稳定性。设计与施工宜采用多阶级张弦及受荷方式，以利用材料的反复受力性能，并应考虑结构几何非线性的影响。如在双向都采用张弦梁结构，便由平面结构真正转变为空间结构。代表工程有上海浦东国际机场航站楼、上海浦东机场T2航站楼等。

2.弦支网壳是由弦支体系的斜索与环索、竖杆及单层网壳的空间梁三种单元组成刚柔性组合空间结构，具有单层网壳和索弯顶两种结构体系的优点。通过施加预应力可提高结构刚度，是一种自平衡空间结构，可不产生或减少结构的水平推力。建筑平面以圆形居多，也可适用于椭圆形、多边形和矩形平面。代表工程有全运会济南体育馆（是目前世界上跨度最大的弦支网壳）、深圳北站无站台柱雨篷（是国内外首创矩形平面弦支圆柱面网壳结构）。

现代刚柔性组合空间结构是现代化空间结构应用与发展的主流

3.索穹顶——网壳是我国率先提出的一种新型空间结构体系（图一），由索穹顶的索杆体系与单层网壳组合而成，也是杆、索、梁三种单元构成的刚柔性组合空间结构。施工时无需满堂红脚手架，可在自平衡的索杆体系上安装单层网壳，并可做成刚性屋面，一改通常索穹顶的膜面屋顶，以扩大应用范围。

4.张弦气肋梁是在张弦梁结构中用气肋来代替竖杆而构成的空间结构体系，也是梁、索、膜三种单元组成刚柔性组合空间结构。2004年在法国召开的国际薄壳及空间结构学会的学术会议上，首次对张弦气肋梁有所报道，2007年已建成张弦气肋梁结构试点工程，应用于瑞士蒙特立克斯车站汽车库，法国的一座桥梁也采用了这种张弦气肋梁结构。我国目前尚无这类工程实例，有关高校和科研单位，对其结构理论、分析方法、构造措施和应用前景在进一步研究和探讨。

5.预应力网架（壳）是把预应力技术应用到网架（壳）中，构成杆、索两种单元组成的刚柔性组合空间结构。通常在网架下弦的下方、双层网壳的周边设置裸露的预应力索，以改善结构的内力分布、降低内力峰值、提高结构刚度、节省材料耗量。根据国内经验，采用预应力网架（壳）比非预应力网架（壳）可节省钢材用量的25%。代表工程有广东清远体育馆、攀枝花体育馆等。

6.斜拉网架（壳）是把斜拉桥的斜拉体系应用到网架（壳）中，构成杆、索两种单元组成的刚柔性组合空间结构。在网架、双层网壳的顶上，设置多道斜拉索，相当于增加了节点、减小结构跨度、提高刚度，而且斜拉索尚可施加预应力，改善结构的内力分布，节省材料耗量。斜拉索宜全方位设置，设计时应考虑在任何载荷作用下不出现松弛现象。代表性的工程有新加坡港务局仓库、杭州黄龙体育中心体育馆等

7.张弦（立体）桁架是以（立体）桁架替代张弦梁的上弦梁，便构成了张弦（立体）桁架。这也是一种杆、索单元组成的刚柔组合空间结构。桁架可设计成平面桁架或立体桁架，但都要设置屋面支撑体系以保证张弦（立体）桁架的平面外稳定性。代表性的工程有广州国际会展中心、国家体育馆（是目前世界上跨度最大的双向张弦桁架结构）。

8.预应力装配弓式结构是我国科技工作者提出一项专利技术，它是通过逐段伸展预应力装配法来建造大跨度弓式结构。串式拉筋一方面是连接装配的手段，另一方面又起到施加预应力作用，一举两得。此外，这种弓式结构施工安装时无需大型的机具设备，只要利用小型千斤顶便能拼装大跨度空间结构。预应力装配弓式结构也是仅由杆、索二种单元组成的刚柔性组合空间结构。代表工程有北京钓鱼台国宾馆室内网球场、北京温都水城等。

9.索桁结构是将平面双层索（向下凹的称为承重索，向上凸的称为稳定索）布置成图二所示的各种形式，索间设置受压撑杆（受拉时一般设置成拉索），当承重索或稳定索施加预应力后，便可构成自平衡的有预应力的索桁结构。为改善索桁结构平面外的刚度，承重索和稳定索可错位设置（其水平投影线错开半格间距）。索桁结构除可用于矩形平面建筑外，也可适用于圆形平面和环形平面的大跨度体育场馆等公益建筑。代表工程有吉林冰球馆、佛山世纪莲体育场、宝安体育场等。

10.索穹顶是由索单元为主、杆单元和膜单元三种单元组成的偏柔性的刚柔组合空间结构。这也是一种周边支承在受压环梁上的张拉整体结构，完全体现了富勒关于“压力的孤岛存在于拉杆的海洋”的思想，是当前空间结构发展的一大高峰，具有极高的结构效率。1986年由美国工程师盖格尔首创建成的汉城奥运会120米跨度综合馆索穹顶是世界首例肋环形索穹顶，其平、剖面的基本构件为脊索、谷索、斜拉索、下弦环索、立柱、外环梁、中心环、膜片等。

我国已研究并提出了Kiewitt型、混合Ⅰ型（肋环型和葵花型重叠式组合）、混合Ⅱ型（Kiewitt型和葵花型内外式组合）、鸟巢型等多种形式的索穹顶。同时对肋环型、葵花型索穹顶提出初始预应力模态的快速计算法，对一般索穹顶提出求解整体自应力模态的二次奇异值法，为索穹顶预应力设计提供了创新的分析方法。索穹顶在我国的工程应用刚刚开始，2009年在浙江金华晟元集团标准厂房中庭采用平面尺寸19米×17米的索穹顶是我国首例索穹顶。2010年建成了圆形平面跨度为72米鄂尔多斯市伊金霍洛旗体育馆索穹顶。

结束语综上所述，结论如下：

1.我国现代空间结构与世界同步，发展历史并不太长，但已在体育场馆、会展中心、影剧院、候机（车）大厅、铁路站台雨篷、工业厂房与仓库中获得大量应用。

2.现代大跨空间结构可认为是由二部分组成。一是由采用轻质、高强的膜材和钢索而发展起来的诸如气承式充气膜结构、索膜结构、索桁结构、张弦梁结构、弦支网壳结构、索穹顶结构等，二是由薄壳结构、网格结构、一般悬索结构等近代空间结构，采用多种结构和材料的组合、预应力技术与形体的创新而发展起来的诸如组合网架结构、斜拉网格结构、预应力网格结构、多面体空间框架结构等。

3.按组成空间结构的基本构件即单元（包括板壳单元、梁单元、杆单元三种刚性单元及索单元、膜单元两种柔性单元）分类，现代空间结构又可分为现代刚性空间结构、现代柔性空间结构和现代刚柔性组合空间结构三大类，本文对这三类现代空间结构在我国的应用与发展分别作了简述。

4.文中所涉及的现代大跨空间结构是认为有推广价值和应用前景的空间结构，今后尚应总结提高，其设计水平和施工技术也应进一步优化和深化。17种现代大跨空间结构也不是发展的极限数，今后也必然会按组成空间结构的分类方法发展为更多数量的、形体各异的现代大跨空间结构。

5.从文中所述可知，从大跨空间结构世界之“最”来统计分析（包括新颖结构最早采用、结构跨度最大、结构幢数最多、建筑结构覆盖面积最大等等），中国不愧为现代空间结构的大国，下一步应着重关注从大国向现代大跨空间结构强国发展。（董石麟系中国工程院院士、浙江大学教授）