现代空间结构在中国的发展前景

李娜++牛平美

摘 要： 20世纪人们为开放与交流而兴建的建筑，其中有代表性的是体育、会议展览和机场 建筑，并采用了不少引人注目的空间结构.文中评述了当代体育建筑中采用空间结构后些典型工程， 最后讨论了另空间结构的发展水平和前景，并指出有必要扭转结构形式与结构防护在设计上的被动局面.

关键词： 空间结构 ；结构艺术

一、前言

当世界即将迈入21世纪之际，回顾人类发展的历史，就可发现其中一个显著的特点就是其活动空间的不断改善与扩充。 远古伊始，人类或挖洞穴居、或构木为巢，仅是为争取胜一个生存的空间，随着科学技术的发展，人们懂得运用各种材料建 造出更牢固、更舒适的空间。从古罗马的圣彼得大教堂到当今英国正在兴建的“千年穹顶”，其直径由42m扩大到320m ，就是一个鲜明的例证。

20世纪人类的活动更加走向开放，人们已不再闭关自守，而是不断扩大国与国、洲与洲以至全世界范围的交流。 这种需求必然会影响人类建设的格局。在各种交流活动中，体育比赛无异是一种最激动人心的方式。因此，奥林匹 克体育竞赛馆、世界杯足球比赛场……就在世界各地堀起。学术、文化、艺术与商业上的交流促使一些大城市建成 了规模庞大的会议展览中心，此外，各种临时性与永久性的博览会，也要求提供上万平方米的面积。为了进行交流 ，人们要更多地乖坐飞机旅行，20世纪是喷气式客机的世纪，因而大规模的候机大厅与飞机库就在本世纪诞生。这 些建筑都有毫无例外地要求一个大的活动空间，因而跨度大、自重轻、造型富于变化就成为这些建筑的共同特征，有时还要求所围护的空间能够随时开启与闭合。纵观建筑结构的发展历史，三维的空间结构是最能满足以上要求的， 往往成为众多结构方案中的首选。

在人类古老的建筑中早就已经出现了空间结构的痕迹，例如我国半坡遗址的居屋就是一个原始的空间骨架，而北 美印第安人从他们始祖继承下来的棚屋，其以枝条搭成的穹顶与现代网壳则有惊人的类似.其后，自欧洲文艺复兴时 代所出现的教堂建筑，以砖石构成的穹顶虽然又厚又重，但在某种程度上仍体现了空间作用.然而现代空间结构的出 现，应该从20世纪初期兴建的钢筋混凝土薄壳算起，就结构自重而言，从砖石穹顶的6400㎏/㎡减少到膜结构的10㎏/㎡，说明了建筑结构飞 跃的进步.因此，空间结构已成为本世纪建筑结构学科中最重要与最活跃的发展领域之一。

近年来，世界各国在体育场馆、会议展览中心与机 场的大规模建筑中采用了不少引人注目功能的要求.集中反映了当今的世界潮流，下面拟就体育建筑中采用空间结构 后些典型工程加以评述，并对中国今后空间结构的发展提出一些看法。

二、当代工程进展

60年代在美国洛杉矶加利福尼亚大学体育馆采用的网架结构启发下，中国用自己的力量设计与建造了首都体育馆.当时加州大学体育馆的尺 寸是91m×122m，采用正放四角锥网架，而首都体育馆的尺寸则是99m×112m，采用两向正交斜放网架.这个大跨度网架 的成功兴建大大推动了网架在体育建筑中的应用，此后一些省市的主体育馆几乎无一例外地都有采用网架结构。

近年来，可能由于平板型网架的外形过于单调，另外，由于计算机的迅猛发民展使曲面形网壳的设计与制作大为方便，因而在体育建筑中网壳的应用有逐步上升的趋势，特别是穹顶几乎风靡了日本全国。

日本名古屋穹顶是当前世界上跨度最大的单层网壳。该体育馆整个圆形建筑的直径为229.6m，支承在看台框架柱顶的屋盖直径则有187.2m，采用以钢管构成的三向网格.每个节点上都有六根杆件相交，采用直径为 1.45m的加肋圆环，钢管杆件与圆环焊接，成为能承受轴向力与弯矩的刚性节点。

由于建筑织物这一新型材料的出现，使膜结构逐渐得到了应用。当代日本的穹顶开始于东京的后乐园球场。这个 直径204m的气承式空气膜结构以其最先进的自动控制技术来维持屋盖的安全。在此之间，美国的一些气承式空气膜结构体育馆 曾多次发生事故。因此这个机械、电子与土建相结合的智能建筑多少消除了人们的担心，也使日本建设省下决心批准这种空气 膜结构可以作为永久性建筑。然而，曾几何时，昂贵的运转与维持费用又使后乐园背上了沉重的经济包袱，以致日本以后的穹 顶大多采用空间网格结构来支承膜屋面。

近代体育场的兴起首先要归功于世界杯足球赛，因为每次比赛都要在若干个城市的足球场上进行角逐，像1990年世界杯赛在意大利举行，就新建或改建（加盖）了11座体育场。

三、中国的发展水平与前景

自从50年以来，中国在空间结构领域获得了长足的进步，不论是工程应用或理论研究方面均在国际上占有一席之地，网架结 构的应用范围与面积已位居世界各国前列，像首都体育馆上上海体育馆这样万人级的体育馆仍是大跨度网架结构中的佼佼者，相形之下，同属于张拉体系的膜结构，在中国的发展还比较落后.但最近建成的上海体育场马鞍形 看台挑蓬，采用悬挑钢桁架覆以伞形膜材，是中国的第一个大跨度膜结构，虽然其技术与材料主要还依靠国外，但对中国膜结构的发展必然将起 推动作用.值得提出的是，中国在制定空间结构技术规范的工作上在世界上是独树一帜的，有关薄壳、网架、网壳、悬索等的规程与标准，有的 已经颁发，有的正在编制，这些技术文件是中国在空间领域内工程实践和科研成果的结晶。

展望未来，中国正沿着改革开放道路阔步前进，随着交流的进一步扩大，必将建设更多的体育、展览、会议和机场建筑.这将为空间结构的 发展提供一个好的机会.经验证明，为了推动应用，相应的理论研究是必不可少的，过去，这些工作也有必要继续进行下去，及早扭转目前的被动局面。

空间结构最大的优点在于它形式的多样化.然而，在设计过程中结构工程师往往是被动地去满足建筑师所提出的建筑造型，而不是在设计 一开始就主动地参与确定形式，这对于初始形状不确定的张拉结构就更不合理了，决定结构形式不仅要依靠设计者的直觉和灵感，也要更多地 采用理性的科学方法.近年来在国外已出现了好几种“工具”可用来研究结构形式。

中国对网架高度与网格的优化成果已被列入设计规程中.此外， 日本半谷裕彦提出“形态分析”则从另一个角度来研究，结构形式，所谓“形”（form）是指结构的曲面形状与厚度，所谓“态”（system） 则指网格的划分、层数以及构件的拓朴等.形态分析是在设计过程中采用广义逆矩阵的解析与系统方法。

近年来，国外在高层与高耸结构中常采用主动或被动的阻尼装置来减轻动 力作用的影响，这种经验也被引用到大跨度结构中.旧金山国际机场候機大厅中，用以支承大跨度钢桁架的柱脚步与基础间就设置了基底隔震器，可以抵御8级以上的地震，是世界上最大的采用基底隔震的结构.另外，台湾一座火车站的大跨度壳体屋盖，以26对吊杆悬吊在一对跨长174m的钢索上，为了减少对悬挂屋盖的风振，设置了8对粘弹性阻尼器.目前还有人研究在网壳上设置调频质量阻尼器（TMD）作为被动减震的手段. 因此，不断探索对结构形式与结构防护的有效方法，必将使空间结构更加合理、经济与安全。

参考文献：

[1]齐康.城市建筑[M].南京：东南大学出版社，2001.

[2]赵巍岩.当代建筑美学意义[M].南京：东南大学出版社，2001.

[3]刘维屏.环境科学与人类文明[M].杭州：浙江大学出版社，2002.