空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)發(fā)展百廿年回顧

一  空間結(jié)構(gòu)的概念

  空間結(jié)構(gòu)(Space structures 或 Spatial structures)是形態(tài)呈三維立體狀態(tài)，在荷載作用下具有三維傳力特性，既表現(xiàn)為三維空間工作的結(jié)構(gòu)?？臻g結(jié)構(gòu)的荷載、內(nèi)力、變形則必須在三維空間內(nèi)考慮，即作用于空間而非平面內(nèi)。

二   空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

（1）自重輕。這是空間結(jié)構(gòu)最主要的優(yōu)點(diǎn)，由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件呈空間分布，荷載作用下力的傳遞以軸向拉力或壓力為主，構(gòu)件中的材料強(qiáng)度可以充分利用，因而可以大幅節(jié)約材料，降低自重。而且，目前大部分空間結(jié)構(gòu)都采用鋼材和膜材等，這都使結(jié)構(gòu)自重大大減輕。

（2）工業(yè)化生產(chǎn)施工速度快。空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)件通?？稍诠S中預(yù)制，這些簡單的預(yù)制構(gòu)件非常適合標(biāo)準(zhǔn)化及商業(yè)化，不需要復(fù)雜的技術(shù)，在工地上就可以很快地安裝起來。

（3）剛度大、支承布置靈活。由于空間結(jié)構(gòu)具有三維特性，所有構(gòu)件都能充分受力。因此，空間結(jié)構(gòu)能很好地承受不對(duì)稱荷載或較大的集中荷載。此外，在結(jié)構(gòu)平衡及支承柱的布置上也有較大的靈活性，這些特點(diǎn)使空間結(jié)構(gòu)特別適合在大跨度建筑中使用。

（4）抗震性能好。自重輕使得地震反應(yīng)小，剛度大且三維空間受力更使結(jié)構(gòu)抗震性能大為改善。

（5）造價(jià)低。輕質(zhì)高強(qiáng)材料的采用以及大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，使其造價(jià)較低。

（6）造型美觀。為滿足建筑上的需要，空間結(jié)構(gòu)可以提供許多造型和形式。目前建筑藝術(shù)方面有一種趨勢，即將結(jié)構(gòu)外露作為建筑的一種直觀表達(dá)形式，空間結(jié)構(gòu)恰好能滿足這樣的視覺效果。

三  空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)發(fā)展百廿年回顧

  空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)受力合理、制作安裝方便，是空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域最常用結(jié)構(gòu)形式。空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的百廿年發(fā)展史最早能追溯到1903年，美國著名發(fā)明家A. G. Bell（1847-1922）采用三角錐單元裝配空間網(wǎng)格，并將其應(yīng)用于飛行器等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

  1943年，德國工程師提出了MERO體系，開啟了平板網(wǎng)架的商品化應(yīng)用；隨后，英國的Space Deck、美國的Octe、加拿大的Triodetic等產(chǎn)品相繼上市，進(jìn)一步推動(dòng)了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。1950年以來，R. B. Fuller（1895-1983）發(fā)展了多面體網(wǎng)格穹頂結(jié)構(gòu)，在1967年美國蒙特利爾世博會(huì)中建造了直徑為67m的球形穹頂結(jié)構(gòu)。

1964年，西班牙結(jié)構(gòu)工程師 Emilio Péreg Pinero（1936-1972）提出了折疊展開網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，結(jié)構(gòu)在運(yùn)輸時(shí)處于折疊狀態(tài)以提高運(yùn)輸效率，在工作時(shí)處于展開狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)建筑功能。1970年，日本大阪世博會(huì)中采用了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了292m×108m的結(jié)構(gòu)尺寸，展示了這類結(jié)構(gòu)優(yōu)秀的空間跨越能力。

        1993年，國際《空間結(jié)構(gòu)》雜志主編Z.S. Makowski（1922-2005）在IASS會(huì)議上指出：“在1966年空間結(jié)構(gòu)還被認(rèn)為是一種有趣但仍屬陌生的非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然而現(xiàn)在已被全世界所接受。”伴隨著技術(shù)的發(fā)展和成熟，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)被大量應(yīng)用于世博會(huì)、奧運(yùn)會(huì)等重大國際活動(dòng)的場館建設(shè)中，如1992巴塞羅那奧運(yùn)會(huì)主場館東京國立競技場、2020年東京奧運(yùn)會(huì)主場館東京國立競技場和2020年迪拜世博會(huì)阿爾瓦斯?fàn)栺讽數(shù)取?/span>

空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在我國起步較晚。1964年建成的上海師范大學(xué)球類館是我國第一個(gè)平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，尺寸為32m×41m。1968年建成的首都體育館是我國首個(gè)有影響力的大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其平面尺寸為99m×112m。

上世紀(jì)90年代，中國空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)入了快速發(fā)展期。一方面，改革開放帶來了中國經(jīng)濟(jì)騰飛，為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)；另一方面，結(jié)構(gòu)計(jì)算理論逐漸成熟，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等各類規(guī)范相繼問世，MSTCAD等輔助設(shè)計(jì)軟件推廣應(yīng)用，為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)。文獻(xiàn)指出，1992年前，我國已有超過50家專門或部分生產(chǎn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的企業(yè)，在1987年之后的十年里，我國空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的年用鋼量提高了近十倍，1992年亞運(yùn)會(huì)場的13個(gè)新建大型場館中有11個(gè)都采用了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

發(fā)展至今，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在我國得到了廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用場景包括但不限于：工業(yè)廠房、儲(chǔ)煤結(jié)構(gòu)、機(jī)庫、機(jī)場航站樓、高鐵站房和大型體育場館。

1 工業(yè)廠房

制造業(yè)、冶金工業(yè)、造船業(yè)等行業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了工業(yè)廠房的快速建設(shè)?？臻g網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房中的應(yīng)用形式大多為柱網(wǎng)支承的中小跨度、大面積網(wǎng)架屋蓋。早期的代表工程有建成于1992年的天津無縫鋼管加工車間，文獻(xiàn)指出，這是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)首次用于有重級(jí)工作制吊車的冶金工廠單層工業(yè)廠房，其面積約6.2萬m2，與傳統(tǒng)的平面鋼桁架結(jié)構(gòu)方案相比，節(jié)省了約43%的用鋼量。建成于2021年的上海特斯拉超級(jí)工廠采用了正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，面積達(dá)到15.7萬m2。

2儲(chǔ)煤結(jié)構(gòu)

煤是工業(yè)的主要?jiǎng)恿碓粗?，為避免室外堆放造成的損耗和環(huán)境污染，我國建造了大量的儲(chǔ)煤結(jié)構(gòu)。為保證儲(chǔ)煤結(jié)構(gòu)中長臂堆煤、挖煤機(jī)械的正常工作，儲(chǔ)煤結(jié)構(gòu)通常體現(xiàn)出大跨度、大面積、大空間的特點(diǎn)?！洞罂缍葍?chǔ)煤結(jié)構(gòu)—設(shè)計(jì)與施工》一書中統(tǒng)計(jì)了2006年以前的國內(nèi)儲(chǔ)煤結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)都采用了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，如建成于2006年的河南鴨口干煤棚，采用柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，尺寸達(dá)到108m×150m。近年來，儲(chǔ)煤結(jié)構(gòu)的尺寸和跨度不斷增加，如建成于2021年的國電寧夏方家莊電廠跨度達(dá)到了229m。

3機(jī)庫

機(jī)庫需要足夠飛機(jī)停放的大跨度、大空間，也需要一定的承載能力來承受飛機(jī)維修過程中設(shè)備帶來的荷載。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是機(jī)庫中最常用的結(jié)構(gòu)形式，為提高承載能力，機(jī)庫結(jié)構(gòu)的建設(shè)也伴隨著對(duì)傳統(tǒng)雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和創(chuàng)新。如建成于1996年的北京首都機(jī)場四機(jī)位機(jī)庫采用三層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，尺寸為(153+153)m × 90m。建成于2019年的北京大興國際機(jī)場南航機(jī)庫，采用W型桁架+網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系，大門開口邊跨度達(dá)到222m。

4航站樓

航站樓是重要的交通樞紐，也通常是城市的地標(biāo)性建筑和對(duì)外交流的窗口，在滿足大跨度、大面域的建筑功能的同時(shí)，還常通過自由曲面構(gòu)造豐富的建筑造型。我國首個(gè)采用空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的機(jī)場航站樓是建成于1991年的深圳T1航站樓，采用正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，建筑面積約為4000m2。建成于2019年的北京大興國際機(jī)場航站樓，是當(dāng)前世界上規(guī)模最大、單體建筑尺寸最大的航站樓之一，最大跨度為125m，總建筑面積達(dá)到143萬m2。

5鐵路站房

為滿足鐵路站房的大量人員流動(dòng)功能需求，鐵路站房通常呈現(xiàn)出大跨度、大面積的特點(diǎn)。建成于2009年的武漢站是我國第一個(gè)高鐵站房，采用正交正放式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)造自由曲面，最大主拱跨度為116m。建成于2020年的雄安高鐵站屋蓋采用單層正交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，平面尺寸為355.5m×450m，最大跨度為78m，是亞洲已建成的建筑規(guī)模最大的車站之一。

6體育場館

自1990年北京亞運(yùn)會(huì)以來，我國舉辦了大量有影響力的體育賽事和大型活動(dòng)，對(duì)大型場館的建設(shè)提出了需求。大型體育場館除了大跨度、大空間的建筑功能需求外，還以富有寓意的建筑造型、創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)體系為主要特征。有代表性的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體育場館包括廣東省人民體育館、國家體育場“鳥巢”、國家游泳中心“水立方”、杭州奧體中心體育場等?？砷_啟空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在體育場館中也得到了一定的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)“晴天室外、雨天室內(nèi)”的功能，我國最早的大跨度開啟屋蓋結(jié)構(gòu)是建成于2005年的杭州黃龍中心網(wǎng)球館，發(fā)展至今，典型工程包括建成于2008年的鄂爾多斯東勝體育場、建成于2011年的國家網(wǎng)球中心和建成于2017年的杭州奧體中心網(wǎng)球館等。

總之，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)經(jīng)過了百廿年的發(fā)展，在空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域展現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力，已經(jīng)得到“廣為認(rèn)可，廣泛應(yīng)用”。中國空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了三十年的快速發(fā)展，形成了比較完整的科研、設(shè)計(jì)、施工和應(yīng)用和人才培養(yǎng)體系，成為了名副其實(shí)的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)大國。

空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，也仍有可以進(jìn)一步思考的方向。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，可以考慮以多尺度精細(xì)化模擬、逆向工程、人工智能等技術(shù)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理念；體系創(chuàng)新方面，可以發(fā)展基于新材料、新工藝的新型空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；生產(chǎn)和施工方面，可以進(jìn)一步推進(jìn)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)各產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一化、產(chǎn)品加工的自動(dòng)化和智能化；應(yīng)用場景方面，可以融合綠色和低碳的發(fā)展理念，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和能源設(shè)計(jì)，形成大面域、大空間的區(qū)域小環(huán)境，構(gòu)建舒適、生態(tài)的人類生活空間。

浙江大學(xué)  羅堯治、薛宇

(摘自《第十屆結(jié)構(gòu)工程新進(jìn)展論壇》特邀報(bào)告文集)