薄殼結構在工程中的應用資料

《信息檢索與利用》課程綜合大作業

空間結構在工程中的應用

摘要：隨著科技的日新月異的發展，空間結構在工程中的應用也越來越多，占著

很重要的位置。空間結構指結構構件三向受力的大跨度的，中間不放柱子，用特

殊結構解決的叫做空間結構。有以下五種類型：網架結構、懸索結構、殼體結構、

管桁架結構、膜結構。下面讓我們看一看空間結構在工程中的應用。

關鍵詞：空間結構；應用；發展

1、研究空間結構在工程中的應用的意義

1.1 空間結構在國內外科技創新發展概況和最新發展趨勢

當今國際新型空間結構發展的熱點當屬張拉整體結構體系、膜結構、玻璃采

光頂鋼網殼等輕型體系。

1.1.1 張拉體結構體系

1962年美國著名建筑大師R.提出張拉整體概念，并創造了Tengrity

一詞。Fuller將此形象地定義為使壓桿成為拉桿海洋中的孤島。1984年美國

D．H．Geiger利用此概念構造了連續受拉索和不連續的壓桿組成的預應力空間結

構索穹頂，1988年用于漢城奧運會體育場館與擊劍館以來，世界上已建索穹項十

余幢。美M．ELevy和T．EJing設計的1996年亞特蘭大奧運會主場館，平面尺寸

240×192m，更是得到了世界各國的矚目。IASS--2004大會共有20多篇與此相關的

論文。主要研究開拓新的結構型式、結構體系的判定、找型分析的運動學和靜力

學方法、預應力模態和優化設計、溫度效應分析、穩定問題、施工成形技術全過

程分析等。IASS委員會執委法國R．Morro經過十年研究，于2003年出版了索穹

頂的專著，認為該類體系為結構的未來；2002年日本K．Kawaquchi等在Chiba建

造了一對張拉整體框架，上有薄膜屋面，用以研究溫度變化對結構的影響。

1.1.2 模結構

膜結構以其造型千姿百態、施工安裝快速、自重輕、透明度較好等優點受到

建筑界的青睞，近十余年來在國內外得到較迅速發展。IASS--2004大會就有12位

教授應大會邀請作了“膜結構在中國的發展與現狀”的報告。

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在世紀交接之際，在英國倫敦格林尼治半島出現的直徑365米的千年穹頂，

在12根100m高的鋼桅桿懸吊中更顯得挺拔雄偉，夜光中甚是光彩奪目；2003年巴

西在露天劇院上建造了兩個不對稱的柔性邊界的錐形膜屋蓋結構，長70m、寬50m

為巴西最大的柔性邊界膜結構。還有法國里昂機場候機樓，采用骨架式膜結構，

投產快、使用效果良好，半年內即收回成本，甚得業主的歡迎。以及羅馬體育場，

白色的雕塑群與白色膜屋蓋相伴，令人意氣風發、耳目一新。

1.1.3 玻璃采光頂與玻璃結構

現今空間結構向透明與輕型兩方向發展，很自然玻璃材料更吸引建筑師的目

光。室內采光的渠道不僅是從門窗和玻璃幕墻，現已進一步發展到在大跨房屋上

采用玻璃采光頂。有關玻璃的應用分為兩類，一是玻璃作為非承重構件的屋面、

幕墻等，另一是玻璃直接用作承重結構材料。當今主要是作為覆蓋材料有了較多

的應用，有關其結構支撐體系有不少問題正在研究。

1998年建成的德國柏林DZ銀行以其大曲率的玻璃采光頂而聞名。值得重點

提及的是隨團重點考察的正在施工的意大利米蘭新博覽會工程，被稱為目前歐洲

規模最大和建造最快的建筑。整個博覽會工程占地120公頃，建筑面積53萬平方

米，施工周期僅30個月。共8個展覽館，6個單層(240×160m)、2個雙層(240×120m)。

端部飄揚著高39m的海洋波帆，展覽館中央通道上為1200×32m的波浪帆。整個工

程如乘風波浪、洶涌澎湃、雄偉壯觀，顯示了玻璃采光頂鋼網殼空間結構的風采；

2002年建成的柏林LehrterBahnhof鐵路車站，也引人注意。玻璃作為結構材料問

題已有少量研究探索。1998年曾作過玻璃拱，現有德國L¨Blandini，W．Sobek設

計建造了直徑8．5m的玻璃穹頂，厚度僅10mm,是成功的嘗試。有關其材料力學

特性、節點、支座等系列問題尚有待于研究，前景如何尚無定論。

1.2空間結構的應用對社會發展的作用

空間結構建筑的發展推動了社會的發展，它大大地改變了人們的生活場所，

為人們的生活帶來了很大的改變，是我們不可或缺的一部分。

2、空間結構的研究內容

2.1具體研究開發內容和要重點解決的關鍵技術問題

當今國際空間結構科研的焦點當屬抗震分析及動力穩定性、結構控制、抗風

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設計、結構損傷識別。以上四方面均屬于大跨空間科技前沿課題，為國外關注的

焦點與難點。

2.1.1 抗麓分析硬動力穩定性

彈性階段抗震分析：有關抗震分析現研究較多的是多維地震輸入、動力分析

中結構阻尼的取值、上部結構與支承體系共同工作等問題。日本建筑學會于2003

年專門組織了結構阻尼比評定委員會，對205幢多高層建筑進行阻尼比實測，其

中鋼結構137棟，鋼與混凝土組合結構43棟，混凝土結構25棟，系統分析了個各

參數影響，給出了阻尼比簡化計算公式。雖然沒有包括大跨結構，但鋼結構的結

果可以參考。日本Y．Taniguchi用1．8X2．1m的雙層柱面網殼模型對有薄膜屋面

與無屋面覆蓋兩種情況的阻尼比進行了對比。日本T．Kumaqai等以單層球面網殼

為例，研究了單維輸入與水平豎向同時多維輸入階躍荷載的動力響應時程的區

別，得出了需對網殼進行多維分析的結論。

彈塑性性能及動力穩定性：對于結構的彈塑性性能及動力穩定性等集中在強

震作用下彈塑性響應及動力穩定性。在強烈地震作用下，大跨空間結構的彈塑性

分析現處于初始研究階段。主要研究彈塑性分析方法、內力位移響應規律、在強

震下結構的變形能力與耗能能力、破壞機理、可能的動力失穩

破壞。后者主要研究動力穩定性的判別方法，空間結構動力穩定性的臨界荷載等

問題。

2.1.2 結構攝動控翻。

結構振動控制雖可追溯到百年之前已出現的基礎隔震，但現代結構控制理論

的提出與建立僅是近30余年的事，至今結構控制仍處于研究階段。意大利

GC．Giuliani對國際結構振動控制研究現狀作了綜述。除了被動控制有一定應用

外，其他主動控制、半主動控制、混合控制均僅屬于起步階段，國外僅有少數幾

個實例。

大跨空間結構雖然受力性能好，在一些地震中經歷了考驗(如日本阪神大地

震中網殼結構)，但由于作為公共建筑更廣泛的社會影響，進行振動控制更顯得

必要。由于空間結構自由度甚多、頻率密集、往往是高階振型對動力響應貢獻較

大，空間受力特性明顯，因此如何對大跨空間結構進行有于效的振動控制是當今

國際研究焦點之一，更是處于初始起步期。

2.1.3 風致響應分析

由于索膜輕型結構對風作用敏感，如何考慮氣流與結構的相互作用(流固耦

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合效應)是空間結構研究難點之一。

對于索膜結構，隨著結構變形風荷載明顯變化，若僅按經驗估計的一個風振

系數，顯然不符合實際，更不可能涉及氣動失穩問題。現一般在有條件情況下盡

量作風洞試驗，但大量做試驗終究是成本高，難以普及。近幾年提出的數值風洞

方法是很有前途的新動向。現在研究對流固耦合效應正確模擬的計算模型，已在

橋梁顫振分析中應用。

英國J．Buton等對幾個1：100錐形膜屋蓋進行風洞試驗，研究了流體與膜結

構之間的耦合效應，找出隨結構變形風荷載變化情況，并與數值風洞分析結果相

比較。

意大利GBartoli等對希臘Piraeaus靠海的新奧林匹克足球場屋蓋進行了邊界

層風洞。該屋蓋有14個懸臂鋼格構支承，跨度33m。試驗研究了各方向的來風的

影響，找出空氣動力系數平均值、標準差、最大最小值，并在時域中進行動力響

應分析，研究了可能引起的共振作用。

2.1.4 結構損傷識別

雖然該學科已有幾十年研究歷史，但由于結構的離散性、實測及理論上的難

度，雖已有一些理論分析方法和研究成果，但至今尚還沒有公認的較簡單實用方

法。所以仍屬于科技前沿課題。近年各國更感到進行工程結構損傷識別的重要性，

如美國聯邦高速公路行署報告中指出美國有42％公路橋有大小不同的損傷，為預

防破壞需要限制車輛載重、通行量和維修。此外亦有些房屋建筑破壞的實例。因

此結構損傷識別更成為國際科研焦點之一。

對結構損傷識別必定基于實測數據的基礎上。在靜力響應數據和動力響應數

據兩類中，由于前者對實際建筑加至同樣數量級的荷載的困難及測得數據的局限

性等缺陷，現國際上均傾向于基于動力測試的結構識別。

基于動力測試數據基礎上的結構損傷識別方面，現研究較多的是集中在基于

傳統數學的動力特性參數分析法和基于神經網絡的智能化信息處理系統。

西班牙A．Samartin采用動力測試數據，基于頻率、振型、剛度變化，針對

金屬殼板結構與混凝土結構兩類體系，提出了結構損傷識別方法。第一類體系按

三級識別，即影響結構安全度的裂縫、局部裂縫和影響耐久性的表面裂縫。第二

類混凝土結構由于材料不勻質、有細小裂縫時其頻率與振型等特征參數的變化難

以在實測中反映出來，所以難度更大。

2.2 空間結構的創新

剛柔性組合空間結構是空間結構的一個重大創新。

由剛性基本單元和柔性基本

單元組成(也可稱雜交構成)的空間結構可稱為剛柔性組合空間結構，它可充分發

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揮剛性與柔性建筑材料不同的特點和優勢，構成合理的結構式．因此，剛柔性組

合空間結構是今后、特別是現代空間結構發展的一個重要趨向。

2.2.1 由板殼單元(為主)和索單元組成的剛柔性組合空間結

構。現只有一種具體結構形式，即懸掛薄殼。

單向單層懸索在掛混凝土屋面小板的同時另加適量超載，灌縫形成整體后，

再把超載卸去，即可構成預應力懸掛薄殼結構．對鞍形索網結構，在掛板、灌縫

后可對承重索施加預應力，也可構成懸掛薄殼結構。

2.2.2 由桿單元(為主)與索單元組成的剛柔性組合空間結構，

有四種具體結構形式

預應力網架(殼)：通常在網架下弦的下方、雙層網殼的周邊設置裸露的預應

力索，以改善結構的內力分布，降低內力峰值，提高結構剛度，可節省用鋼量。

1994年建成的六邊形平面對角線長93．6m清遠體育館采用六塊組合型雙層扭網

殼，在相鄰六支座處采用了六道預應力索。1995年建成的缺角八邊74．8m×74．8m

攀枝花體育館，采用雙層球面網殼，在相鄰八支座處設置八榀平面桁架，其下弦

選用了預應力索。采用預應力網架(殼)比非預應力網架(殼)可節省鋼材用量約

25％。

斜拉網架(殼)：在網架、雙層網殼的上弦之上，設置多道斜拉索，相當于在

結構頂部增加了支點，減小結構的跨度，提高剛度．而且斜拉索尚可施加預應力，

改善結構內力分布，節省鋼材耗量．二十世紀八九十年代斜拉網架(殼)在我國已

開始獲得推廣應用．代表性的工程有：1993年建成的新加坡港務局倉庫采用4幢

120mX 96m六塔柱、2幢96m×70rn四塔柱斜拉網架。1995年建成的山西太舊高速

公路舊關收費站采用14m×65m獨塔式斜拉雙層。2000年建成的杭州黃龍體育館中

心體育館，采用月牙形50m×244m雙塔柱斜拉雙層網殼。

張弦立體桁架：以立體桁架替代張弦梁的上弦梁便構成張弦立體桁架。2002

年建成的廣州國際會展覽中心，便采用了跨度為126．6m張弦立體桁架。2008年

建成的奧運會國家體育館采用114m×144m雙向正交的張弦桁架(平面桁架)結構。

預應力裝配弓式結構：早年這種弓式結構曾用于小型機庫。1994年建成了45m

跨度的北京釣魚臺國賓館室內網球場弓形屋蓋，其中段在縱向可開啟。

2005年建成了北京溫都水城72m跨度嬉水樂園，局部屋蓋也可開放．這種預應力

裝配弓式結構特別適用于可裝拆的臨時性倉庫建筑和舞臺建筑，曾建成

跨度達130m構筑物，施工安裝方便。

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3、 空間結構的應用及市場概況

3.1空間結構的應用市場概況及需求情況

目前空間結構建筑在國內外市場的需求十分廣泛，很多大型建筑都用到了空

間結構。在這里我們主要說說現代空間結構的發展趨勢。

3.1.1 現有發展條件

建筑行業已成為國民經濟發展的主要支柱產業；大型公共建筑已成為一個城

市乃至一個國家的經濟、 文化、建筑技術發展水平的重要標志; 大跨度建筑體現

了新穎、美觀、實用的建筑目的; 現代大跨度建筑能成為帶動其它行業發展的龍

頭; 八十年代空間網架的推廣應用，帶動大批鋼構企業的 產生和發展; 現代大跨

度建筑使原有的建筑制造安裝企業得到技術、 觀念的更新，并有效地促進相關

行業，如材料、機械、電 子控制等的發展。

3.1.2 發展機遇

國民經濟的持續飛速發展、西部大開發戰略和振興東北戰略的實施、北京奧

運會場館設施建設、上海世博會場館設施建設。

3.1.3 大跨度空間結構體系的發展過程

大跨度空間結構體系是結構方面近50年來最活躍的領域。 結構形式經歷了

由傳統的梁肋體系、拱結構體系、桁架體系、薄殼空間結構體系，到現代的網架、

網殼、 懸索、懸掛（斜拉）、充氣結構、索膜結構、各種雜交 結構、可伸展結

構、可折疊結構以及張拉集成結構等。

3.1.4 發展現狀

已有的大跨度空間結構體系基本上可分為三大分支： 剛性體系 (折板、薄

殼、網架、網殼、空間桁架等); 柔性體系 (索結構、膜結構、索膜結構、張拉

集成體系 等); 雜交體系 (拉索—網架、拉索—網殼、拱—索、索—桁 架等); 由

于 “柔”性化，使得結構表現出很強非線性特征，因 而每種新結構體系的出現，

都可能引出全新的問題需要解決。 雖僅有幾十多年的歷史，但已充分表明這是

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一類很有活力、適應性強、方興未艾的結構體系。

3.1.5 主要發展趨勢

張拉結構體系，包括索穹頂、索桁架、張弦梁等在內的柔性大跨度結構在分

析理論、設計方法、工程應用方面 需要進一步發展。 開啟式結構的發展與應用，

要求其不固定于封閉的室 內環境。 各類雜交、組合結構的發展與應用。

3.1.6 研究展望

材料、施工技術等相關方面的突破：新材料、新結構、新技術、新節點、新

工藝、新的制作、安裝與控制技術。結構體系上的突破：特別對最熱門的索一桿

(梁)雜交結構體系和索穹頂，以填補我國的空白。 結構形式的突破：各類可開

啟式、可展開式空間鋼結構體系。分析理論及控制技術的突破：抗風、抗震計算

理論；針對各類新體系的不同特殊問題、實用的設計方法；施工過程模擬計算理

論與技術。 重要空間結構的健康監測；使用過程中的檢測技術與安全性評定方

法；火災、風災及地震作用下的災害控制。

3.2 空間結構應用一些實例

3.2.1 在園林建筑中的應用

空間結構在我國大型的公共建筑中發揮了重要的作用,同樣在我國園林建筑

中也起到不容忽視的作用, 深受園林建筑師的重視。以空間結構在我國園林建筑

中的應用所取得的成就意義來看主要有三個方面: 1) 在園林建筑中應用新材料

代替了木材、磚、石; 2)在結構上趨于計算更合理的利用空間; 3) 適用于形態

多樣的造型, 結構穩定強度大, 能塑造大型空間建筑, 節省物力、財力。這些空

間結構所具有的優越性在園林建筑應用發展中具有十分重要的意義。

現代公園是人們休閑活動的場所, 往往人流大, 活動內容豐富, 其建筑也

是多種多樣, 在造型上要求美觀新穎獨特又能整體統一而又有變化的新型空間

結構, 空間這一結構就能充分發揮它的作用, 它適合規則的正方形、長方形、圓

形、橢圓形, 也適合三角形和多邊形及一些不規則的形狀, 使用靈活。其次還可

做成形式多樣的懸挑結構, 經濟、實用、美觀、安全是它可發展的優勢。再次就

是材料上的應用, 重視復合材料的應用, 變化創新結構形式,注重結構的減輕,

是空間結構發展的前景, 比如在材料方面當前所大量采用的套箍混凝土由于它

強度高, 重量輕、塑性好, 延性大的特點, 通過它可塑出造型優美、體型輕巧的

空間建筑, 像輕骨料混凝土, 高強混凝土, 纖維混凝土, 預應力混凝土等都很

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適宜薄殼結構的建筑應用, 再就是采用壓型鋼板, 組合構件又可形成多種不同

的圓形、弧形、拆扇狀屋蓋, 造型可形成多種變化, 建筑施工又快又好。園林建

筑師首先是結構方案的創作者, 使建筑的受力結構以簡圖方案為基礎正確進行

設計, 又能做到以最簡單和最自然的方式把載荷和應力傳遞到柱子和基礎上,

僅有一個方案是不夠的, 特別在結構尺寸很大, 必須將結構外露的時候, 就需

要通過各部分的比例, 充分發揮材料的承載能力, 并在材料承載允許范圍內,

使結構骨架構成結構的主體, 使整個結構完美實在。建筑設計的精髓在于以簡化

的方式基礎針對性的估算, 也就是說要具有將復雜體系分解為幾個基本部分的

能力, 如果僅有實踐經驗, 而不具有這些基本的掌握和控制能力, 即使是一個

中等大小的結構物也無法確定它的尺寸, 這也是需要我們在空間結構時予以重

視的。

3.2.2 在體育建筑中的應用

縱觀國內外的體育建筑, 其主要采用的結構形式有以下兩類①薄殼結構②

懸索結構。隨著建筑科學技術水平的提高, 在近年來的體育建筑中, 出現了組合

索網、組合網殼、預應力鋼扭網等等新的屋蓋結構形式, 但其原理都離不開上述

兩類典型結構形式。下面就詳細討論這兩種典型結構及其在體育建筑中的應用

1957年設計的羅馬小體育館采用裝配整體式扁球殼頂,其內徑為58.54m, 高21m,

殼頂由1620塊預制菱形板組成, 在板塊中間配筋灌縫, 并在預制板表面澆混凝

土后澆層使之成為整體殼頂。殼頂邊緣處的斜向推力由36個Y形人字架來承受,。

該建筑的個形傾斜的支柱形式獨特、造型優美, 形支柱不僅受力合理, 而且與屋

蓋的拱肋結構形式統一, 使形與結構達到完美的和諧。懸索結構在體育建筑中應

用例子最多, 50年代中期美國耶魯大學溜冰場即為一例。該溜冰場采用單拱支撐

的懸索屋蓋, 屋蓋正中屋脊處為一鋼筋硅單拱, 拱跨101.6m, 高53.4m, 拱頂截

面為91.5mm x 153cm屋頂鋼索直徑24mm, 中距1.83m, 上端錨固于拱頂, 下

端錨固于曲線形的側墻頂曲梁上, 側墻中距55.8m, 屋脊兩側各設9根縱向穩定

鋼索, 并施加預應力。懸索下端的鋼筋鹼曲梁在平面上為拋物線承受下端拉力,

縱向穩定索的兩端設有鋼析架以承受穩定索拉力,屋蓋懸索上鋪以木質板。整個

建筑平面近似于橢圓形, 中心設溜冰場, 可以容納3000人。

文獻檢索：

[1]體育建筑設計與研究建設部科技情報研究所年月

[2]建筑結構方案及造型設計宋秉澤主編天津大學內部資料卿年

[3]劉錫良等編平板網架設計北京中國建筑工業出版社為年月

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[4]黃仕熊，薄殼建筑結構在園林建筑中的展望

[5]吳福成，中國空間結構建筑的發展趨勢和變化

[5]曹資，國際空間結構現狀淺述

[6]董石麟，空間結構的發展歷史、創新、形式分類與實踐應用

[7]尹德鈺．劉善維．錢若軍．網殼結構設計[M]．中國建筑工

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[8]沈祖炎．陳揚驥 網架與網殼『M1．同濟大學出版社、1997．

[9]董石麟 姚諫．網殼結構的未來與展望Ⅱ】．空間結構，NO．1．

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[11]王振華索穹頂與單層網殼組合的新型空間結構理論分析與試驗研究 2009

[12]傅學怡;顧磊;趙陽國家游泳中心水立方結構設計 2009

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