现代空间结构的新发展

一、 概述

　　空间结构是指结构的形态呈三维状态，在荷载作用下具有三维受力特性并呈空间工作的结构。平板网架、网壳以及悬索结构等空间结构在我国得到了广泛的应有，已为人们所熟悉。空间结构与平面结构相比具有很多独特的优点，国内外应用非常广泛。特别是近年来，人们生活水平不断提高，工业生产、文化、体育等事业不断进步，大大增强了社会对空间结构尤其是大跨度高性能空间结构的需求。而计算理论的日益完善以及计算机技术的飞速发展使得对任何极其复杂的三维结构的分析与设计成为可能。这些正是空间结构能够扩大应用范围得以蓬勃发展的主要因素。近几十年来，世界上建造了成千上万的大型体育馆、飞机库、展厅，采用了各类空间结构，展示着优美的造型，成为一道道风景。更有无数的厂房、仓库等采用空间结构，实现了经济、合理的完美统一。

　　目前空间结构向着轻量、大跨方向发展，这种发展趋势要求必须千方百计降低结构自重，降低结构自重的途径一方面是研制运用轻质高强的新型建筑材料，另一方面是研究开发合理的结构形式。结构受拉部位采用膜材或钢索，受压部分采用钢或铝合金构件，这样膜、索、杆结合使用，形成杂交结构，可望实现理想的轻量大跨结构。

　　张拉整体结构和膜结构是降低结构自重的较理想的结构体系，可跨越很大的跨度。目前跨度已做到200m左右。这两种结构我美国和日本发展最快，建造了很多大型工程。

　　另外适应全天候气候条件的开合结构、施工便捷的折叠结构，以及外观华丽扌度结构等也都有属于现代空间结构新发展的课题。国外已有很多的工程应用。下面对前面提到的几种空间结构分别予以论述。

　　二、张拉整体结构

　　“张拉整体”（Tensegrity）概念是美国建筑师富勒（R.B.Fuller）的发明，这旨“张拉”（tensile）和“整体”（integrity）的缩合。一社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一只析原理进行的，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，最在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。

　　对于张拉整体结构的研究开始于40多年前，从最初的设想到工程实践大约经历了以下几个阶段：想象和几何学、拓扑和图形分析、力学分析及试验研究。其中力学分析包括找形、自就历程准则、工作机理工科稳步力作用下的性能等。张拉整体结构的几何形状同时依赖于构件的初始几何形状、关联结构（拓扑）及形成一定刚度的自应力的存在。另外这种结构在外力作用下的变形（与自应力的效果不同）也提出了其它结构问题，首先它属于临界类体系，结构在外荷载过程中刚度不断发生变化，传力途径也就随之改变；其次这种结构只能在考虑了几何非线性甚至材料非线性时才能分析。

　　从50年代起，许多研究工作者都采用了靠想象的实用方法，如斯耐尔森（K.Snelson）的雕塑及莫瑞挪（Moreno）的设想等。最重要的几何学上的工作是由富勒和埃墨瑞赤（D.G.Emmerich）完成的。加拿大的结构拓扑研究小组在形态学方面做了最重要的工作，他们出版的杂志包括了许多张拉整体体系拓扑方面的文章，但这些研究都是数学上的，在三维空间上工程应用的研究也只为警告设计者们容易出现的不稳定方案。在大多数情况下，张拉整体多面体几何的构成特性使得图形理论可以用来模型化它们的拓扑。

　　张拉整体的找形分析为的是使体系的几何形式满足自应力准则。对于一个基本单元，可以用一种简单的静力方法来获得自应力几何，其原则包括寻找一个或一套元素的或最小和度，同时得到其它元素的尺寸条件。佩里哥瑞挪（S.Pellegrino）建议了用一种标准非线性程序解决这一问题的方法。而一个基于虚阻尼的动力松驰方法也得到了同样的结果。

　　张拉整体结构的力学分析类似于预应力铰节点索杆网格结构，除了一些特殊的图形外，都含有内部机构，呈现几何柔性。为了研究的目的，除了一般的找形和静动力分析过程外，有时还用到一个中间过程：稳定性、机构及预应力状态的研究。张拉整体体系的分析模型必须考虑非线性特性和平衡自就历程的存在。莫赫瑞（Mohri）说明了如何保证适当的自应力及单元的刚度，还给出了识别与索提供的刚度相一致的自应力状态的算法。张拉整体结构的静力性能的非线性分析已经完成，其模型基于松驰原理或牛顿-拉夫逊型过程的矩阵追赶法原理，有人也做了动力松驰的模型。

　　斯耐尔森的极具艺术性的雕塑是体现富勒张拉整体思想的最早尝试。这之后富勒、埃墨瑞赤、瓦尔耐（O.Vilnay）、莫特罗（R.Motro）、汉纳（A.Hanaor）等创造了多种张拉整体结构体系。目前在世界很多地方都有建造了艺术品性质的张拉整体结构，如法国的公园雕塑、华沙国际建筑联合会前的自张拉空间填充体、荷兰国家博物馆前覆盖的四棱柱张拉整体单体以及1958年富勒为布鲁塞尔博览会设计的一个有表现力的张拉整体桅杆等。

　　美国已故工程师盖格尔（D.H.Geiger）为张拉整体思想的发展做出了极大贡献。他在富勒创造的富勒张拉整体穹顶的基础上，发明了支承于周边受压环梁上的一种索杆预应力张拉整体穹顶体系，即索穹顶，从而使得张拉整体的概念首次应用到大跨度建筑工程中。1986年以他的名字命名的盖格尔公司将索穹顶结构成功应用于汉城奥运会的体操馆（D=119.8m）和击剑馆（D=89.9m）。之后又相继建成了美国伊利诺斯州大学的红鸟体育馆（椭圆91.4m×76.8m）及佛罗里达州的太阳海岸穹顶（D=210m）。1992年在美国建造了世界上的索穹顶体育馆—乔治亚穹顶（Georgia Dome），它是1996年亚特兰大奥运会的主体育馆，平面为椭圆形（193m×240m），这种双曲抛物面型张拉整体索穹顶的耗钢量少得令人难以置信，还不到30㎏/㎡.应该看到盖格尔发明的张拉整体索穹顶结构源于富勒的张拉整体思想，属于张拉整体体系的范畴，但由于它还没有完全实现结构自支承、自应力的原则，离开下部受压环梁则不能成立，故而可以说彻底的大跨度张拉整体结构还没有建成。因此对于张拉整体结构无论在理论分析方面还是施工技术及建筑材料方面都还有很多工作要做。

　　三、膜结构

　　膜结构（Membrane）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10㎜～30㎜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。张拉摸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。

　　世界上第一座充气膜结构建成于1946年，设计者为美国的沃尔特。勃德（W.Bird），这是一座直径为15的充气穹顶。1967年在德国斯图加特召开的第一届国际充气结构会议，无疑给充气膜结构的发展注入了兴奋剂。随后各式各样的充气膜结构建筑出现在1970年大阪世界博览会上。其中具有代表性的有盖格尔设计的美国馆（137m×7m8卵形），以及川口卫设计的香肠形充气构件膜结构。后来人们认为70年大阪博览会是把膜结构系统地、商业性地向外界介绍的开始。大阪博览会展示了人们可以用膜结构建造永久性建筑。而70年代初美国盖格尔-勃格公司（Geiger-Berger Associates）开发出的符合美国永久建筑规范的特氟隆（Teflon）膜材料为膜结构广泛应用于永久、半永久性建筑奠定了物质基础。之后，用特氟隆材料做成的室内充气式膜结构相继出现在大中型体育馆中，如1975年建成的密歇根州庞蒂亚克“银色穹顶”（椭圆形220×159m），1988年建成的日本东京体育馆（室内净面积4，6767㎡，见图2）。

　　张拉形式膜结构的先行者是德国的奥托（F.Otto），他在1955年设计的张拉膜结构跨度在25m左右，用于联合公园多功能展厅。由于张拉膜结构是通过边界条件给膜材施加一定的预张应力，以抵抗外部荷载的作用，因此在一定初始条件（边界条件和应力条件）下，其初始形状的确定、在外荷载作用下膜中应力分布与变形以及怎样用二维的摸材料来模拟三维的空间曲面等一系列复杂的问题，都需要有计算来确定，所以张拉膜结构的发展离不开计算机技术的进步和新算法的提出。目前国外一些先进的摸结构设计制作软件已非常完善，人们可以通过图形显示看到各种初始条件和外荷载作用下的形状与变形，并能计算任一点的应力状态，使找形（初始形状分析）、裁剪和受力分析集成一体化，使得膜结构的设计大为简便，它不但能分析整个施工过程中各个不同结构的稳定性和膜中应力，而且能精确计算由于调节索或柱而产生的次生应力，完全可以避免各种不利荷载式况产生的不测后果。因此计算机技术的迅猛发展为张拉膜结构的应用开辟了广阔的前景。而特氟隆摸材料的研制成功也极大地推动了张拉膜结构的应用。比较的有沙特阿拉伯吉达国际航空港、沙特阿拉伯利雅得体育馆、加拿大林德塞公园水族馆、英国温布尔登室内网球馆、美国新丹佛国际机场等。

　　膜结构的设计主要包括体形设计、初始平衡形状分析、荷载分析、裁剪分析等四大问题。通过体形设计确定建筑平面形状尺寸、三维造型、净空体量，确定各控制点的坐标、结构形式，选用膜材和施工方案。初始平衡形状分析就是所谓的找形分析。由于膜材料本身没有抗压和抗弯刚度，抗剪强主芤很差，因此其刚度和稳定性需要靠膜曲面的曲率变化和其中预应力来提高，对膜结构而言，任何时候不存在无应力状态，因此膜曲面形状最终必须满足在一定边界条件、一定预应力条件下的力学平衡，并以此为基准进行荷载分析和裁剪分析。目前膜结构找形分析的方法主要有动力松驰法、力密度法以及有限单元法等。膜结构考虑的荷载一般是风载和雪载。在荷载作用下膜材料的变形较大，且随着形状的改变，荷载分布也在改变，因此要精确计算结构的变形和应力要用几何非线性的方法进行。荷载分析的另一个目的是一确定索、膜中初始预张力。在外荷载作用下膜中一个方向应力增加而另一个方向应力减少，这就要求施加初始张应力的程度要满足在最不利荷载作用下应力不致减少到零，即不出现皱褶。因为膜材料比较轻柔，自振频率很低，在风荷载作用下极易产生风振，导致膜材料破坏，如果初始预应力施加过高，膜材涂变加大，易老化且强度储备少，对受力构件强度要求也高，增加施工安装难度。因此初始预应力的确定要通过荷载计算来确定。经过找形分析而形成的摸结构通常为三维不可展空间曲面，如何通过二维材料的裁剪，张拉形成所需要的三维空间曲面，是整个膜结构工程中最关键的一个问题，这正是裁剪分析的主要内容。