我国空间钢结构发展与应用

吴纪达 王广振 王彦伟 何绪家（1山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590）(2山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590）

我国空间钢结构发展与应用

吴纪达 王广振 王彦伟 何绪家
（1山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590）
(2山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590）

本文简要阐述了近年来空间钢结构的发展现状和应用方面的进展情况。空间钢结构分为空间网格结构与张拉结构两大类，文中分别就网架结构、网壳结构、张拉结构各自的发展特点予以论述，介绍了一些有代表性的工程实例，最后讨论了空间钢结构的发展动向，并对未来空间钢结构的发展与应用进行了展望。

空间钢结构；网架结构；网壳结构；张拉结构；发展与应用

一、概述

空间结构可以看作平面结构的深化和扩展，空间结构在十九世纪迅速发展。从早期的混凝土薄壳到近期的膜结构,空间结构都以受力性能好、形式美观和施工方便而受到人们的欢迎，应用在大跨度、大空间的体育场馆、会展中心、文化设施、交通枢纽乃至工业厂房等建设中。

空间钢结构是一种仿生结构,具有自重轻、复杂性、多样性、空间大、经济性和艺术性等优点，这些优点使空间钢结构有了更高的应用价值和美好的发展前景，空间钢结构展示着轻盈优美的造型，为人类工作和体育文化生活创造了舒适的环境。钢产量的提高、政府部门的引导支持、设计方案水平的提高、设计软件的开发、制作和安装水平的提高、加工和试验设备的改进、文化和体育事业的发展等都促进了空间钢结构发展。

空间钢结构通常包括空间网格结构和张拉结构两大类，网格结构包括网架与网壳结构，网格结构是当前我国大、中跨建筑中用的最为广泛的一类空间结构，具有受力合理、计算简便、刚度大、材料省、杆件单一、制作安装方便等优点。张拉结构包括悬索与膜结构，它们共同的特点是构件只能受拉。

二、网架结构

网架结构是平板网架的简称。网架结构经过近半世纪的研究、开发与应用，已成为建筑物屋盖中最普遍的一种结构形式。网架是由杆件按一定规律组成的结构，大多数为高次超静定结构。

网架结构的形式主要包括：平面桁架系组成的网架结构、四角锥体组成的网架结构、三角锥体组成的网架结构、六角锥体组成的网架结构。网架具有多向传力的性能，主要技术特点是重量轻、刚度大、抗震性能好；施工安装简便；网架杆件和节点便于定型化、商品化,可在工厂中成批生产，有利于提高生产效率；网架的平面布置灵活，屋盖平整，有利于吊顶、安装管道和安装设备；网架的建筑造型轻巧、美观、大方，便于建筑处理和装饰。

随着大规模工业的发展，生产厂房的形式也发生了剧烈的变化，以满足不同生产工艺与使用要求。网架结构以大柱网、大跨度的特点，有效地取代了过去常用的钢筋混凝土薄腹梁或拱形屋架的形式，使屋盖自重大大减轻。

三、网壳结构

当网格为平板型时为网架结构，当网格为曲面形状并具有壳体的结构特性时即为网壳结构，并分为单层和双层两大类。网壳结构的主要结构形式有：球面网壳、双曲面网壳、圆柱面网壳、双曲抛物面网壳。

网壳结构兼有杆系结构和薄壳结构的主要特性，在网壳结构中，各杆件协同作用，在荷载作用下各杆件发挥各自的作用，内力分布均匀，应力峰值较小，这点与网架结构的上下弦工作的原理有所不同。网壳结构是典型的空间结构，结构的刚度大、跨越能力大，合理的曲面可以使结构力流均匀，其结构变形小，稳定性高，节省材料。小型构件和连接节点都可以预制，通过小型构件组装成空间；网壳结构安装较为简便，综合经济指标好，造型丰富多彩。

网壳结构应用范围广，既可以用于中、小跨度的民用和工业建筑，也可用于大跨度的各种建筑，特别是超大跨度的建筑。网壳结构的主要特点是外形变化多，杆件可以组成任意形状的曲面，并能充分满足建筑外形及功能方面的要求。在建筑平面上可以适应多种形状，如圆形、矩形、多边形、扇形以及各种不规则的平面。在建筑外形上可以形成多种曲面。

网格结构的优美建筑造型，设计师可以对建筑平面和外形进行充分的自由创作。对于薄壳结构与网格结构所不能实现的形态，网壳结构几乎都可以实现。在形态方面，既能表现静态美，又能通过平面和立面的切割以及网格、支撑与杆件的变化表现动态美。另外，网壳结构呈曲面形状，自然地形成了排水功能。

四、张拉结构

张拉结构包括悬索与膜结构，它们共同的特点是构件只能受拉。

悬索结构是由悬挂在边缘构件或支撑结构上的一系列高强度钢索所组成的一种张拉结构。随着支撑结构与钢索布置规律的不同，可以构成多种结构体系的悬索结构，以适应各种平面形状和外形轮廓的要求钢索只能承受沿截面均匀分布的拉力，因此一般悬索屋盖的抗弯刚度很小，要依靠调整几何外形，对钢索施加预应力等措施来增强其承载力。悬索结构的受力特点是仅通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用，结构中不出现弯矩和剪力效应，可充分利用钢材的强度，结构受力合理；悬索结构形式多样，适应性强，布置灵活，造型美观；由于钢索的自重很小，施工便捷，施工设施简单。但是，悬索结构的稳定性较差，是一种可变体系，其平衡形式随荷载分布方式而变化。

膜结构是用高强度柔性薄膜材料形成既承重又围护的曲线形空间结构。其依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索共同构成机构体系。同悬索结构类似，膜结构依靠具有曲率的外形与施加预应力来承重。膜结构是由多种薄膜材料及加强构件(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，将膜结构和钢结构紧密的联系在一起，形成能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式，这种结构节能、自重轻、、柔性好、跨度大，建筑造型自由丰富，制作安装简便，具有良好的经济性和较高的安全性。

五、空间钢结构的展望

中国突飞猛进的经济建设为空间钢结构的发展提供了优越的条件。常用于体育馆、会展中心、车站、机场、仓库等建筑，随着建筑科学的发展，人们越来越需要大量具有新颖功能、形式多样的建筑，这也需要结构设计和研究更高的要求。

从空间钢结构的发展趋势来看,跨度将越来越大，建筑形式也会更富于变化，这就要求大力开展形体设计的研究，加大形式的创新。

钢材仍将是主要的材料，它的强度和性能将得到进一步提高,尤其是防火和抗腐蚀的性能。通过不断的试验研究，生产出强度更高、耐久性和自洁性更好的膜材，并解决废材的回收与循环利用问题。

钢结构设计应正确合理地运用不同的计算理论和设计方法，通过精确的分析，得出较高的性能和新颖的结构形式，充分发挥材料特性、减小自重、减少施工难度、增大跨度是空间钢结构设计必须考虑的指标，从而不断推动空间钢结构的发展和应用。

[1]刘锡良.现代空间结构[M].天津:天津大学出版社,2003.

[2]沈世钊.悬索结构设计[M].第2版.北京:建筑工业出版社,2006.

[3]张毅刚.大跨空间结构[M].北京:机械工业出版社,2005.

[4]蓝天.从现代空间结构的成就看中国的发展前景,现代土木工程的新发展[M].江苏南京,东南大学出版社,1998.

[5]蓝天.21世纪的大跨度空间结构[A].中国土木工程学会第八届年会论文集[C].北京：清华大学版社，1998.

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