⼤跨度结构简介
2019-04-19
摘要：20世纪的⼯业⾰命推动了建筑技术的发展，在出现了⽔泥和钢铁等新型材料之后，⼈们学会了建造拱、钢架之类的平⾯结构，跨越50—70m的跨度。随着⽣活⽔平的提⾼，⼈类从事⽣产和社会活动对更⼤跨度的空间突出了需要。
关键词：⼤跨度；结构；体系
中图分类号：TU318 ⽂献标识码：Aretractable
1.分类介绍
（1）空间⽹格结构  ⽹壳结构的出现早于平板⽹架结构。在国外，传统的肋环型穹顶已有⼀百多年历史，⽽第⼀个平板⽹架是1940年在德国建造的（采⽤Mero体系）。中国第⼀批具有现代意义的⽹壳是在50和60年代建造的，但数量不多。当时柱⾯⽹壳⼤多采⽤菱形“联⽅”⽹格体系。直到80年代初期，第⼀个平板⽹架（上海师范学院球类房，31.5mx40.5m）于1964年建成以来，⽹架结构才有了较好发展势头。当时平板⽹架在国内还是全新的结构形式，这两个⽹架规模都⽐较⼤，即使从今天来看仍然具有代表性，因⽽对⼯程界产⽣了很⼤影响。在当时体育馆建设需求的激励下，国内各⾼校、研究机构和设计
部门对这种新结构投⼊了许多⼒量，专业的制作和安装企业也逐渐成长，为这种结构的进⼀步发展打下了较坚实的基础。改⾰开放以来的⼗多年⾥是我国空间结构快速发展的黄⾦时期⽽平板⽹架结构就⾃然地处于捷⾜先登的优先地位。甚⾄80年代后期北京为迎接1990年亚运会兴建的⼀批体育建筑中，多数仍采⽤平板⽹架结构。在这⼀时期，⽹架结构的设计已普遍采⽤计算机，⽣产技术也获得很⼤进步，开始⼴泛采⽤装配式的螺栓球结点，⼤⼤加快了⽹架的安装。
（2）膜结构
膜结构（Membrane Structures）是20世纪中期发展起来的⼀种新型建筑结构形式，是由多种⾼强薄膜材料(PVC或Teflon)及加强构件(钢架、钢柱或钢索)通过⼀定⽅式使其内部产⽣⼀定的预张应⼒以形成某种空间形状，作为覆盖结构，并能承受⼀定的外荷载作⽤的⼀种空间结构形式。膜结构可分为充⽓膜结构和张拉膜结构两⼤类。充⽓膜结构是靠室内不断充⽓，使室内外产⽣⼀定压⼒差（⼀般在10mm－30mm⽔柱之间），室内外的压⼒差使屋盖膜布受到⼀定的向上的浮⼒，从⽽实现较⼤的跨度。张拉膜结构则通过柱及钢架⽀承或钢索张拉成型，其造型⾮常优美灵活。膜结构所⽤膜材料由基布和涂层两部分组成。基布主要采⽤聚酯纤维和玻璃纤维材料；涂层材料主要聚氯⼄烯和聚四氟⼄烯。常⽤膜材为聚酯纤维覆聚氯⼄烯（PVC）和玻璃纤维覆聚聚四氟⼄烯（Teflon）。PVC材料的主要特点是强度低、弹性⼤、易⽼化、徐变⼤、⾃洁性差，但价格便宜，容易加⼯制作，⾊彩丰富，抗折叠性能好。为改善其性能，可在其表⾯涂⼀层聚四氟⼄烯涂层，提⾼其抗⽼化和⾃洁能⼒，其寿命
可达到15年左右。Teflon材料强度⾼、弹性模量⼤、⾃洁、耐久耐⽕等性能好，但它价格较贵，不易折叠，对裁剪制作精度要求较⾼，寿命⼀般在30年以上，适⽤于永久建筑。
（3）张⼒结构
中国现代悬索结构的发展始于50年代后期和60年代，北京的⼯⼈体育馆和杭州的浙江⼈民体育馆是当时的两个代表作。北京⼯⼈体育馆建成于1961年，其圆形屋盖采⽤车辐式双层悬索体系，直径达94m。浙江⼈民体育馆建成于1967年，其屋盖为椭圆平⾯，长径80m，短径60m．采⽤双曲抛物⾯正交索⽹结构。世界上最早的现代悬索屋盖是美国于1953年建成的Raleigh体育馆，采⽤以两个斜放的抛物线拱为边缘构件的鞍形正交索⽹。我国建造的上述两个悬索结构⽆论从规模⼤⼩或技术⽔平来看在当时都可以说是达到国际上较先进⽔平的。但此后我国悬索结构的发展停顿了较长⼀段时间，⼀直到80年代，由于⼤跨度建筑的发展⽽提出的对空间结构形式多样化的要求，这种形式丰富的轻型结构重新引起了⼈们的热情，⼯程实践的数量有较⼤增长，应⽤形式趋于多样化理论研究也相应地开展起来形势相当喜⼈。2.新体系
（1）折叠结构
折叠结构（Deployable Structures）是⼀种⽤时展开、不⽤时可折叠收起的结构。从这个意义上说，有着悠久历史⼴为⼈们所熟悉的⾬伞或遮阳伞就是⼀种折叠结构，这表明折叠结构的思想古已有之，
但折叠结构⽤于建筑领域、并形成相应的设计计算理论是近⼏⼗年的事。1961年西班⽛建筑师⽪奈偌（P．Pinero）展出了他的作品，⼀个可折叠移动的⼩剧院，⼈们从中发现了这种结构的诸多优点。折叠结构⼀般可重复使⽤，且折叠后体积⼩，便于运输及储存，与永久性建筑物相⽐不仅在施⼯上省时省⼒，⽽且可避免不必要的资⾦再投⼊⽽造成的浪费。随着⼈们对“折叠”概念的逐渐理解，折叠结构在计算理论上及结构形式上都得以很⼤发展，⽬前这种结构已⾛出实验室，得到了⼴泛的⼯程应⽤。在⽣活领域，可⽤于施⼯棚、集市⼤棚、临时货仓等临时性结构；在军事上可⽤于战地指挥、战场救护、装配抢修及野外帐篷等，对提⾼部队的后勤保障能⼒、增加部队战⽃⼒有重要意义；在航空航天领域，折叠结构有着不可替代的地位，已⽤作太阳帆、可展式⽆线等。
（2）开合结构
开合结构（Retractable Structures）的出现与⼈类体育事业的发展密切相关，是当代⼈类物质⽂化⽣活⽔平发展到相当程度，⼈们对体育⽐赛场馆功能要求⽇益完美的结果。体育场空间本来是个开放的空间，古代的奥运会就是在有天然草⽪的⼤地上，在阳光的照射与微风的吹拂中召开的。然⽽，热衷于体育运动的现代⼈却发展成了室内体育馆，通过装备⼀些设备，将室外体育设施室内化，把体育赛事作为⼀种观赏项⽬开展起来。这样做不仅能在⽐较恶劣的环境条件下保护观众和运动员，⽽且实现了能在预定的时间内，进⾏预定的体育⽐赛，这是体育现代化的必然要求。这种建造⼤型运动场馆的技术早已具备，⽽且⽆数
的体育场馆已投⼊使⽤。但是这些带有屋顶的运动场并⾮剧场，⼈们还是憧憬着⼤⾃然的天空，⼤⾃然的阳光，⼤⾃然的和风，如果条件允许，敞开式运动场是受观众和运动员欢迎的，因此开合式屋盖结构应运⽽⽣。对⼀个开合结构⼯程的评价是多⽅⾯的，应依据具体结构的功能及规模等进地，如屋盖开启状态下的开启、天空形状、屋盖形状、屋盖阴影、亮度对⽐，屋盖关闭后的屋盖形状、屋盖性能、屋盖的耐久性、屋盖的开合⽅式、屋盖⾛⾏部的运转，⼯程费⽤⾼低、施⼯难度、建筑⾯积及⼯程占地⾯积等都应是开合结构评价的主要内容。
（3）张拉整体结构
“张拉整体”（Tensegrity）概念是美国著名建筑师富勒（R．B．Fuller）的发明，它是“张拉”（tensile）和“整体”（integrity）的缩合。⼀这概念的产⽣受到了⼤⾃然的启发。富勒认为宇宙的运⾏是按照张拉整体的原理进⾏的，即万有引⼒是⼀个平衡的张⼒⽹，⽽各个星球是这个⽹中的⼀个个孤⽴点。按照这个思想张拉整体结构可定义为⼀组不连续的受压构件与⼀套连续的受拉单元组成的⾃⽀承、⾃应⼒的空间⽹格结构。这种结构的刚度由受拉和受压单元之间的平衡预应⼒提供，在施加预应⼒之前，结构⼏乎没有刚度，并且初始预应⼒的⼤⼩对结构的外形和结构的刚度起着决定性作⽤。由于张拉整体结构固有的符合⾃然规律的特点，最⼤限度地利⽤了材料和截⾯的特性，可以⽤尽量少的钢材建造超⼤跨度建筑。
3．总结
本⽂介绍空间结构，代表了当前世界空间结构的发展⽅向，可以说今后谁占有这⼏⽅⾯的优势，谁就必然在世界空间结构发展中占有领先地位。应当看到，我国在空间结构的前沿领域与世界发达国家差距还很⼤，在张拉整体结构、开合结构以及折叠结构的⼯程实践⽅⾯⼏乎属于空⽩。因此摆在我们⾯前的任务还很艰巨，利⽤我们所学的知识运⽤到实际⼯程中去，并将其发展改造创新，是我们努⼒的⽅向。
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