現(xiàn)代大跨空間結(jié)構(gòu)在中國的應(yīng)用與發(fā)展

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今天我想跟大家討論一個問題，討論現(xiàn)代大跨空間結(jié)構(gòu)在中國的應(yīng)用與發(fā)展，什么是現(xiàn)代？怎么劃分？是怎樣產(chǎn)生的？它包括哪些類型等等，提一些看法，大家都可以討論，而且結(jié)合中國的情況，我們當(dāng)前應(yīng)用的現(xiàn)在大跨空間結(jié)構(gòu)的情況，以及存在的問題等等跟大家做些討論。我沒有舉國外的例子，僅在中國的應(yīng)用和發(fā)展。
    我爭取在四十分鐘以內(nèi)，因為這個問題也比較多，大家一起討論、提一些看法。我想講六個問題：一是引言；二是現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的分類；三是現(xiàn)代剛性空間結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展；四是現(xiàn)代柔性空間結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展；五是現(xiàn)代剛?cè)嵝越M合空間結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展。
    第一，引言，幾年前也和有關(guān)同志討論過，空間結(jié)構(gòu)我認(rèn)為可以分為三個歷史階段：現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)由兩部分組成，這個我們從下面這張圖來看，我們的空間結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是古代的空間結(jié)構(gòu)、近代的空間結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)，我們想這么分。劃分的節(jié)點實際上是很難的，應(yīng)該有一段時間，這里正好有些工程，我正向劃分是1925年到1975年?，F(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)主要是從1975年開始，近代空間結(jié)構(gòu)是1925年到1975年，古代空間結(jié)構(gòu)是從1900年到1925年。
    在近代空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展采用了一些新的技術(shù)，采用了結(jié)構(gòu)的組合、材料的組合，應(yīng)用一些結(jié)構(gòu)概念以及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新形成在近代發(fā)展起來的組合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、一些其他的結(jié)構(gòu)。這個年代是這么看，藍(lán)色的線是現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)，分兩部分，一部分是新材料發(fā)展以后；第二部分是近代空間結(jié)構(gòu)在原有的基礎(chǔ)采用新的建設(shè)以后，藍(lán)的線1975年這個里面也有，我們近代空間結(jié)構(gòu)和古代空間結(jié)構(gòu)也并不是死的。為什么1925~1975年呢？古代的空間結(jié)構(gòu)大家知道羅馬的萬神殿，主要是拱券式穹頂結(jié)構(gòu)，比如說南京的無梁殿主要是磚石。
    最早的薄殼結(jié)構(gòu)是德國耶拿玻璃廠，后來四十年代、五十年代比較典型的是羅馬小體育館。網(wǎng)架、網(wǎng)殼空間結(jié)構(gòu)也在德國，一個蔡司天文館，15米跨度，后來各個國家也都有了。我們國家的網(wǎng)架代表是首都體育館。古老的懸索結(jié)構(gòu)我們國家古代1825年竹索橋和鐵索橋，近代一點1953年美國瑞雷競技館和北京工人體育館。1975年美國龐提亞克體育館是168m×220m，巨型的氣承式充氣膜結(jié)構(gòu)。后來日本人在東京設(shè)立了棒球館。我們第一部分材料采用了輕質(zhì)、高強的材料、模材、索材以及鋼棒。向輕盈、高效空間發(fā)展，如氣承式膜結(jié)構(gòu)。
    第二部分由這些近代空間結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、RC 殼，不再是單一，鋼筋混凝土、鋼筋都在一起，或是鋼材，包括其他的材料都合在一起，結(jié)構(gòu)形式也不是單一的，多種的組合。另外采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，包括結(jié)構(gòu)的概念與形體的創(chuàng)新形成了一些新的空間結(jié)構(gòu)，典型的比如說組合網(wǎng)架等等?，F(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)由這兩部分組成，大致的年代從上個世紀(jì)的七、八十年代開始到現(xiàn)在大概有三十幾年的時間。
    從1975年到現(xiàn)在大概35年的時間，其中中間的50年近代空間結(jié)構(gòu)是比較多的。另外要說的我們近代空間結(jié)構(gòu)還在用，并不是現(xiàn)在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)就不用了，這張圖說明當(dāng)代空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的情況，大致的內(nèi)容，由什么組成的，這是我想講的引言。
    第二，現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的分類?，F(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的分類以往有傳統(tǒng)的分類方法，五大空間結(jié)構(gòu)：薄殼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)，還可以更細(xì)的分。所有的空間結(jié)構(gòu)按這五大空間結(jié)構(gòu)分類我感覺現(xiàn)在不太夠，有些空間結(jié)構(gòu)不能包含在里面，前幾年我們提出了分類方法按組成空間結(jié)構(gòu)的基本單元，組成空間結(jié)構(gòu)的基本單元不管是哪一種結(jié)構(gòu)五大單元組成，這五大單元是：板殼單元、梁單元、索單元、桿單元、膜單元。
    對這五大單元我們做些說明，五后面有一系列的具體空間結(jié)構(gòu)，具體的空間結(jié)構(gòu)有具體空間結(jié)構(gòu)的名稱，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、立體桁架、雙層網(wǎng)殼是桿單元組成的。預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼是由桿單元組成的等等。組合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，上面是鋼筋混凝土，是由混凝土的板，這塊板肯定要帶梁的，是由梁單元以及下面的桿單元組成。我們統(tǒng)計一下總共有具體名字的是38種，這個圖大家可以看一下，我們有幾點說明，這38點總共有17個小類，剛性單元組成是7種，3類柔性空間結(jié)構(gòu)，7類剛?cè)峤M合空間結(jié)構(gòu)。
    這38種空間結(jié)構(gòu)其中17種空間結(jié)構(gòu)是由桿單元或是由索單元、梁單元，比較活躍的是桿單元、梁單元、索單元。按這樣的分類方法，我感覺空間結(jié)構(gòu)分類直觀性比較強，一看就清楚，他由什么東西組成的很清楚。它是由什么單元組成的，分析計算的時候用哪些單元的軟件來分析？包容性把所有的空間結(jié)構(gòu)都包含里面。開放性是今后新的空間結(jié)構(gòu)還要發(fā)展，都可以往里面填充。
    說到現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)，這里面總共有17種，根據(jù)剛才的分類方法是屬于現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)，在這個圖里黃色的是現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)，從空腹網(wǎng)殼開始。下面我講快一點，把每一個空間結(jié)構(gòu)的特點和我們國內(nèi)的工程應(yīng)用情況做個介紹。
    第三，現(xiàn)代剛性空間結(jié)構(gòu)，空腹網(wǎng)殼，樹狀結(jié)構(gòu)，多面體空間剛架結(jié)構(gòu)，局雙層網(wǎng)殼，組合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，折板型網(wǎng)殼。
    空腹網(wǎng)殼，典型的就是國家大劇院，原來安德魯搞的時候由140片空腹殼組成的，沒有交叉桿，我們通過分析研究，發(fā)現(xiàn)它抗扭性不行、穩(wěn)定性不行，我們建議他加四道交叉桿，安德魯吸收了我們的經(jīng)驗，現(xiàn)在的國家大劇院里面有交叉桿，這是一個特例?？崭咕W(wǎng)架，是寶安體育館。
    樹狀結(jié)構(gòu)，實際上是多級分枝立柱支承結(jié)構(gòu)，它可以分為主、次要，按粗、中、端枝來分，用這樣的結(jié)構(gòu)體系，后面都可以解釋。這是深圳的文化中心。這個是杭州的奧體中心，當(dāng)時搞的其中一個方法是用樹狀結(jié)構(gòu)。這個是浦東國際機場二期，我覺得這是簡單的樹狀結(jié)構(gòu)。
    多面體空間框架結(jié)構(gòu)，典型的例子是水立方。水立方大家都清楚，由多面體組成的。墻體里面由多面體的連邊組成，這就是多面體的結(jié)構(gòu)體系。大家可以看到多面體空間剛架結(jié)構(gòu)有一個特點，內(nèi)部每一個結(jié)點有四根桿相交，一個框架至少有六個桿，他只有四個桿。
    局部雙層網(wǎng)殼，它是梁單元和桿單元組合，薄膜內(nèi)力處為主用單層網(wǎng)殼，有些彎曲內(nèi)力處為主用雙層網(wǎng)殼。這是廣西桂平市體育館，這個是杭州奧體中心，它是花瓣式的，有三層的，有雙層的。這是南通的體育場，大部分是單層，但是用立體桁架分一下，通過網(wǎng)的體系把它劃分為一塊一塊的，有的地方是單層。
    組合網(wǎng)架，去掉上弦，替代RC帶肋板，用兩種材料鋼筋混凝土、鋼材，承重作用合而為一，可以用高層，多層也可以。這是新鄉(xiāng)百貨大樓是多層建筑，36米×36米跨度的百貨大樓。上海購物中心七層、八層用組合網(wǎng)架。
    折板型網(wǎng)殼，外形為折板型，可梁元或桿元，可以單層也可以雙層，早期杭州有一個工程，杭州陳經(jīng)綸網(wǎng)球場。深圳大運體育中心，深圳大運會游泳館。還有廣州大劇院，這個是在我們學(xué)校專門做了一個模擬大運會場館。
    第四，現(xiàn)代柔性空間結(jié)構(gòu)：氣承式充氣膜結(jié)構(gòu)，和柔性支承膜結(jié)構(gòu)。
    氣承式充氣膜結(jié)構(gòu)，氣囊式、氣承式中的一種，1.003atm，高壓體系，膜面K>0，膜材要求強度：半透明，自潔性，耐燃性。膜材：織物基層+涂抹，PVC、PTFE、ETFE。充氣膜結(jié)構(gòu)在上個世紀(jì)的70年代在上海展覽館北館做了一個，后來拆掉了，28米×36米。當(dāng)前在2010年大家知道在內(nèi)蒙古的鄂爾多斯在響沙灣做了105米×95米的展覽館，我們國內(nèi)比較大一點的就是這個。
    柔性支承膜結(jié)構(gòu)其實是索膜結(jié)構(gòu)，它的水平更高一些，它是索單元、膜單元的組合，索膜協(xié)調(diào)，一般是風(fēng)荷載控制，通常是與剛性支承混合應(yīng)用。威海市體育場，236m×209m。典型的是上海世博會，97m×840m。這里面索膜結(jié)構(gòu)的組成圖，有邊索、谷索、吊索等。這是施工安裝的情況。這是深圳歡樂谷音樂廳，也是柔性支承的。
    第五，現(xiàn)代剛?cè)嵝越M合空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用
    張弦梁結(jié)構(gòu)、弦支網(wǎng)殼，索穹頂-網(wǎng)殼，張弦氣肋梁，預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架，斜拉網(wǎng)架，張弦立體桁架，預(yù)應(yīng)力裝配弓式結(jié)構(gòu)，索桁結(jié)構(gòu)，索穹頂。
    張弦梁結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在用得比較多了，實際梁、下弦、豎三種單元組合在一起。最早的是上海浦東國際機場，浦東機場的二期是多跨梁式的，張弦梁可以用V字型的支撐支承。
    弦支網(wǎng)殼，這兩年搞得比較多，而且水平也比較高，怎么組成的我就不說了，大家看看工程。這是國內(nèi)比較早的工程，天津保稅區(qū)的大堂，35米，后來發(fā)展到60米到80米。這是北工大的羽毛球館。濟(jì)南體育館。深圳新火車站跨度43米，這是它的剖面，這在世界上也是第一個。
    索穹頂-網(wǎng)殼組合結(jié)構(gòu)，這個還沒有工程，做了一些實驗，這是索穹頂與單層網(wǎng)殼的組合結(jié)構(gòu)，在我們學(xué)校做過模型實驗。濟(jì)南體育館的時候我們做了一個方案，傅總也做了一個方案，最后沒有采用。
    張弦氣肋梁，這是當(dāng)前世界新的一種結(jié)構(gòu)體系，我們國內(nèi)還在研究，它是張弦氣肋梁，充氣肋代替張弦梁的豎梁，2007年瑞士做了一個汽車站，這個張弦梁中間不是肋而是充氣結(jié)構(gòu)在一起的。這種我們國內(nèi)也在研究，今后的發(fā)展方向還需要進(jìn)一步的研究。這種結(jié)構(gòu)體系國外用在橋梁里也有。
    預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架，這是早期1994年在廣東清遠(yuǎn)有一個體育館，六根弦的。攀枝花有一個體育館，缺角八邊形。高安體育館，拉了四根索，圍成四支點的。上海購物中心有四道索。
    斜拉網(wǎng)架，杭州的黃龍體育中心，除了穩(wěn)定斜拉后面加了一些穩(wěn)定索。這是在浙大搞了一個斜拉的結(jié)構(gòu)，這是它的計算模型。
    張弦（立體）桁架，早期是廣州的會展中心，這是施工的情況，北京奧運會的體育館，這是當(dāng)時跨度最大的張弦桁架，這是它的構(gòu)造情況。
    預(yù)應(yīng)力裝配弓式結(jié)構(gòu)，這個我們國內(nèi)自己搞的，加一個索再提起來，再增加一段，再加一根索，施工安裝比較方便，比較大型的機器設(shè)備。國內(nèi)第一個典型工程1994年建成的，釣魚臺國賓館的網(wǎng)球館。
    索桁結(jié)構(gòu)，由承重索和穩(wěn)定索再加豎桿組成的，自平衡體系。這是吉林冰球館、佛山世紀(jì)蓮體育場，寶安體育場、樂清體育場的索不是封閉的，一半的地方斷掉了，是這樣體系，這是它的計算模型，在浙大做實驗。
    索穹頂，效率比較高，省鋼材。我們國內(nèi)第一個索穹頂。這是72米鄂爾多斯體育館，索穹頂今后可能很快會發(fā)展。
    第六，我們小結(jié)一下，空間結(jié)構(gòu)分三大類，近代、古代、現(xiàn)代?，F(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)由兩大部分，它的特點是輕質(zhì)、高強材料，輕盈、高效、創(chuàng)新。剛性、柔性可以分為現(xiàn)代剛性、現(xiàn)代柔性、現(xiàn)代剛?cè)嵝越M合。有推廣價值，在目前的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高、優(yōu)化、深化。我們很多空間結(jié)構(gòu)在世界之最，首次應(yīng)用、跨度最大、覆蓋面積最大等等。我們當(dāng)前中國是一個現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的大國，我們下一步的發(fā)展方向共同努力向現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的強國來發(fā)展。
    謝謝大家。