大跨度空间结构

4.空间结构的发展、种类及应用

大跨度空间结构具有受力合理、自重轻、造价低、结构形体和品种多样, 是建筑科学技术水平的集

中表现, 因此各国科技工作者都十分关注和重视大跨度空间结构的发展历程、科技进步、结构创新、形

式分类与实践应用.

（一）谈到空间结构的发展历史, 就要追溯到公元前14 年建成的罗马万神殿, 是一幢由砖、石、浮

石、火山灰砌成的拱式结构, 圆形结构, 直径43*5m, 净高43* 5m, 顶部厚度120cm, 半球根部支承在

620cm 厚的墙体上， 穹顶的平均厚度370cm， 我国用砖石砌成代表工程是建于明洪武14 年( 公元1381

年) 南京无梁殿, 平面尺寸38m * 54m, 净高22m . 以穹顶屋盖结构为主轴线, 时间跨度从公元前14年到

2009 年共二千多年. 从中可以看出, 各种类型的空间结构只在近百年来有所发展, 特别是近二三十年

来, 开拓和创新的速度更趋频繁.

( 1) 以砖、石等建筑材料筑成的拱式穹顶, 充分利用拱券合理传力的原理, 有连环拱、交叉拱、拱

上拱、大拱套小拱. 自罗马万神殿建成以后, 如1612 年建成的罗马圣彼得教堂和建于约300 年前的伦敦

圣保罗大教堂, 其跨度均比罗马万神殿小, 但是装修更庄重、屋顶更高. 因此, 以砖、石等筑成的拱式

穹顶,长期来基本上没有更进一步的发展和创新.

( 2) 自1925 年在德国耶拿玻璃厂建成历史上第一幢直径40m 的钢筋混凝土薄壳结构以后, 到二十

世纪五六十年代, 世界各国的薄壳结构发展到了高潮. 罗马奥运会小体育馆的平面直径59* 2m 的带肋

薄壳( 图3) 以及北京火车站35m * 35m 的双曲扁壳是当时特别推荐的. 一般来说, 40m~ 50m 跨度的钢

筋混凝土薄壳穹顶, 其混凝土的折算厚度约为8cm~ 10cm, 是罗马万神殿平均厚度的1/ ( 50~40) ; 结构

自重约为( 200~ 250) kg / m2 , 是罗马万神殿平均自重的1/ ( 50~ 30) . 前苏联和我国还编制出版颁

发了钢筋混凝土薄壳结构设计行业规程, 以便广大设计人员推广薄壳结构的应用

( 3) 生铁、普通钢、高强钢、铝合金等建筑材料的生产和工程应用, 研究开发了网架网壳等格构式

空间结构. 1924 年建成了世界上第一个直径为15m 的半球形单层网壳, 采用生铁材料, 用于德国耶那

蔡司天文馆. 由于网格结构刚度大, 用材省、性能好, 便于工厂制作现场装配, 至二十世纪六、七十年

代网格结构有了蓬勃的发展. 当时, 有代表性的工程如

1970 年建成的日本大阪博览会展馆六柱支承108m* 292m 网架, 1968 年建成的首都体育馆99m*112*

2m 网架, 1973 年建成的名古屋国际展览馆134m 直径圆形平面网壳, 1967 年建成的郑州体育馆64m 直

径圆形平面助环型单层网壳. 60m 左右跨度网格结构自重约为( 40~ 50) kg / m2 , 是同等跨度薄壳结

构自重的1/ ( 4~ 5) . 1997 年从美国引进建成了铝合金的上海体操馆, 68m 直径的圆形平面单层网壳,

自重仅12kg/ m2 , 是相应跨度钢网壳自重的1/ ( 4~ 5) .

( 4) 悬索结构要追溯到我国在公元前285 年建成跨越四川岷江的灌县竹索桥-----安澜桥和1703年

建成跨越大渡河的铁链桥----- 泸定桥. 但在房屋建筑上的应用要首推于1953 年建成的美国北卡州瑞

雷竞技馆, 近似圆形平面直径91* 5m 的鞍形索网结构. 此后, 在二十世纪六七十年代我国建成了当时

著名的三大悬索结构: 1961 年建成跨度94m双层车辐式圆形平面的北京工人体育馆,1967 年建成跨度

60m * 80m 鞍形索网式椭圆平面的浙江人民体育馆, 1979 年建成跨度61m 双层车辐式( 索与内孔相切)

圆形平面的成都城北体育馆. 悬索结构自重小、屋盖轻、施工也比较方便成熟, 无需大型的机具设备, 是

有推广应用前景的空间结构.1988 年在加拿大加尔加里建成当时跨度最大的悬索结构冰球馆, 是一幢

135*3m * 129* 4m 椭圆平面鞍形索网悬挂薄壳

( 5) 二十世纪七八十年代气承式充气膜结构发展到一个高潮, 在美国、加拿大和日本共建成了超百

米跨度的十余幢大型体育场馆. 其中有代表性的是美国在1975 年建成的168m *220m 长椭圆平面庞提亚

克体育馆和日本在1988 年建成的180m * 180m 方椭圆平面东京后乐园棒球馆. 由于气承式膜结构要不时

地耗能充气, 以及庞提亚克体育馆曾发生垮塌事故, 二十世纪九十年代后已基本不再兴建气承式充气膜

结构.

( 6) 为1988 年汉城奥运会的召开, 1986 年建成了120m 跨度圆形平面的索穹顶综合馆用钢指标13.

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5kg/ m2 ; 为1996 年亚特兰大奥运会召开, 1995 年建成了192m* 240m 椭圆平面的索穹顶主赛馆, 用钢

指标25kg/ m2 . 这二幢索穹顶的建立使空间结构的科技水平达到了一个崭新的高峰, 结构体系新颖、高

效, 其用钢指标仅约为跨度L的12L/ 100( 跨度L 以m 计, 用钢指标以kg / m2 计,例如100m 跨度的索穹

顶, 其用钢指标约为12kg/

m2 ) . 索穹顶在中国大陆尚属空白, 国外的技术一直保密, 然而浙江大学、同济大学、建研院等高

校、科研单位已进行了十余年的研究和试验工作, 对索穹顶的受力特性和分析计算已有比较完整的认识.

（二）刚性空间结构的组成、分类与实践应用空间结构是由基本单元组成或集合而成, 基本单元( 也

是基本构件) 有刚性基本单元: 板壳单元、梁单元和杆单元, 也有柔性基本单元: 索单元和膜单元. 可

以说, 由刚性基本单元组成的空间结构可称为刚性空间结构.

（1）仅由一种板壳单元组成的刚性空间结构, 现在有三种具体结构形式

a)薄壳结构:通常指光面的、但可包括等厚度和变厚度的钢筋混凝土薄壳结构. 根据其几何外形又可

分为旋转壳、球面壳、柱面壳、双曲扁壳、鞍形壳、扭壳和劈锥壳等. 典型工程如当时我国跨度最大的

球面薄壳结构是60m 直径圆形平面的新疆某机械厂金工车间b) 折板结构:用于工业厂房和车站站台较多

的是一种比较简单的V 形折板, 非预应力的可做到27m 跨度, 预应力的可做到36m 跨度. 折板结构的截

面还可采用多折线的, 此外也可采用多面体空间折板结构.c)波形拱壳结构:波形拱壳结构的特点使截面

的抗弯刚度可大幅度的增加, 提高整个结构的刚度和稳定性. 有钢筋混凝土波形拱壳结构, 如1960 年

建成的罗马奥运会大体育馆, 为球面波形拱壳结构, 跨度100m. 也有薄钢板的柱面波形拱壳结构.

(2)仅由一种梁单元组成的刚性空间结构, 现有五种具体结构形式

a)单层网壳:工程中应用最多的是单层钢网壳, 其几何外形类同于薄壳结构的几何外形. 网格形式

对于球面网壳有助环型、助环斜杆型、三向网格型和短程线型等; 对于柱面网壳有联方网格型、纵横斜

杆型、三向网格型和米字网格型等 b) 空腹网架:通常是由钢筋混凝土的平面空腹桁架发展而来, 主要有

两向空腹网架和三向空腹网架, 可用于屋盖结构也用于楼层结构.c) 空腹网壳.d)树状结构，这是近年来

采用的一种新结构，实际上是一种多级分支的立柱结构，柱杆和枝支杆都可由梁单元集成。e) 多面体空

间框架结构, 这是一种全新的结构体系, 由多面体几何的棱边构成空间结构的骨架. 这种结构内部每个

节点有四根杆件相交, 适宜于用在以最少的节点数和杆件数去填充一定厚度的平板或三维体结构, 由于

每个杆件是空间梁单元, 而且必须是空间梁单元,致使仍能承载和传递各方向外力作用. 2008 年奥运会

国家游泳中心 水立方􀇇用了这种多面体空间框架结构。

(3)仅由一种杆单元组成的刚性空间结构, 现有三种具体结构形式：

a) 网架结构:这是最典型的铰接杆系空间结构, 设计、计算、制作、安装都比较方便, 造价也比较

低廉, 我国到处都有推广应用,b) 立体桁架;这是一种在宽度方向有一定空间作用的单向桁架, 通常桁

架截面采用三角形, 上弦用二根、下弦用一根. 我国在二十世纪六十年代就建成跨度54m 的广西南宁体

育馆. 近年在机场航站楼( 如成都双流机场、深圳宝安机场二期、济南遥墙机场等, 较多地选用了拱形

大跨度立体桁架结构c) 双层网壳;这是一种曲面型平板网架, 可由铰接杆系集成.我国大跨度空间结构

首次超百米跨度的工程便是1994 年建成天津新体育馆108m 跨度双层网壳

(4)由板壳单元为主和梁单元组成的刚性空间结构, 现有三种具体结构形式:

a) 带肋薄壳;在光面薄壳下增加肋, 或在装配式薄壳结构的预制小壳板的边框上加肋, 便于吊装运

输, 最终均可构成壳板折算厚度增加不多而抗弯刚度大幅增加的带肋薄壳. 罗马奥运会小体育馆是个著

名的工程实例. b) 带肋折板:与带肋薄壳类似, 在光面折板的基础上增设纵肋或横肋可构成带肋折板.

徐州一盐库便采用了一种拱式的V 型带肋折板结构, 混凝土灌缝处形成一拱肋.c) 双层薄壳:上下两层

薄壳之间加肋, 便可构成抗弯刚度甚大的双层薄壳结构, 适宜用在大跨度和超大跨度空间结构。

（5）由梁单元为主和板壳单元组成的刚性空间结构, 现有二种具体结构形式：

a) 空腹夹层板:空腹夹层板通常是在钢筋混凝土空腹网架上搁置预制小板, 灌缝形成整体后便构成

空腹夹层板结构, 这可用作层盖, 也可用作楼层. 典型的工程是贵州大学邵逸夫学术活动中心屋盖。b)

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组合网壳:通常是在单层钢网壳的上面, 搁置预制钢筋混凝土小板( 也可带小边肋的) , 灌缝形成整体

后便构成钢网壳与钢筋混凝土( 带肋) 薄壳共同工作的组合网壳.

(6)由杆单元( 为主) 和梁单元组成的刚性空间结构现只有一种具体的结构形式, 即局部双层网壳.

对于跨度较大的双层球面壳和双曲扁壳, 其中部往往以壳体的薄膜内力为主, 便可采用单层网壳,从而

形成局部双层局部单层的网壳结构, 习惯简称局部双层网壳.

综上所述, 刚性空间结构共分七小类, 有18 种具体结构形式.

(三) 柔性空间结构组成、分类与实践应用

(1) 仅由一种索单元组成的柔性空间结构, 现有二种具体结构形式:

a) 悬索结构:这里主要是指矩形平面单向单层悬索结构以及圆形平面辐射式单层悬索结构和双向单

层悬索结构. 这种单层索系都是承重索, 没有稳定索, 因此要保持单层悬索结构的稳定性要通过屋面板

的共同工作来保证的.b) 索网结构:索网结构的外形通常是构成一个负高斯曲率的曲面( 鞍型曲面) ,

向下凹的索系为承重索, 向上凸的索系为稳定索, 两向索系的曲率相反, 因此可以建立适当的预应力,

成为自平衡结构体系, 以保证这种索网结构在预应力态和荷载态情况下具有足够的刚度和稳定性.

(2) 仅由一种膜单元组成的柔性空间结构, 现有二种具体结构形式

a) 气囊式膜结构:这是由充气的气囊构件( 如拱、梁、柱、枕) 连接起来的结构体系, 由于气囊中

的气压可高达3~ 7 大气压, 故又称高压体系充气结构. 世界上著名的气囊式膜结构是1970 年大阪世界

博览会日本富士馆.b) 气承式膜结构:这种气承式膜结构由于膜内仅为0. 3 ‰ 大气压,

故又称为低压体系充气结构.

（四）刚柔性组合空间结构的组成、分类与实践应用，由刚性基本单元和柔性基本单元组成( 也可

称杂交构成) 的空间结构可称为刚柔性组合空间结构,它可充分发挥刚性与柔性建筑材料不同的特点和

优势, 构成合理的结构形式. 因此, 刚柔性组合空间结构是今后、特别是现代空间结构发展的一个重要

趋向。

（1）由板壳单元( 为主) 和索单元组成的刚柔性组合空间结构, 现只有一种具体结构形式, 即悬挂

薄壳。单向单层悬索在挂混凝土屋面小板的同时另加适量超载, 灌缝形成整体后, 再把超载卸去, 即可

构成预应力悬挂薄壳结构. 对鞍形索网结构, 在挂板、灌缝后可对承重索施加预应力, 也可构成悬挂薄

壳结构, 如加拿大加尔加里冰球馆。

（2）由杆单元( 为主) 与索单元组成的刚柔性组合空间结构, 有四种具体结构形式：

a) 预应力网架( 壳):通常在网架下弦的下方、双层网壳的周边设置裸露的预应力索, 以改善结构的

内力分布, 降低内力峰值, 提高结构刚度, 可节省用钢量b) 斜拉网架( 壳):在网架、双层网壳的上弦之

上, 设置多道斜拉索, 相当于在结构顶部增加了支点, 减小结构的跨度, 提高刚度. 而且斜拉索尚可施

加预应力, 改善结构内力分布, 节省钢材耗量. 二十世纪八九十年代斜拉网架( 壳) 在我国已开始获得

推广应用.

(3) 由梁单元( 为主) 和杆单元、索单元组成的刚柔性组合空间结构, 现有三种具体结构形式：

a) 张弦梁结构;( Beam St ring St ructure= BSS) 早年从日本引进, 后在我国推广应用且发展甚

快. 我国采用大跨度的张弦梁要首推上海浦东国际机场航站楼,b) 弦支网壳:弦支网(Suspen-dome) 通

常是由上层单层网壳、下层若干圈环索、斜索通过竖杆连接构成, 是一种自平衡的空间结构体系. 弦支

网壳具有单层网壳和索穹顶两种结构体系的优点. 日本最早在1993 年建成35m 跨的弦支光球穹顶。c)

索穹顶-- 网壳:这是我国自己提出的一种新的空间结构体系, 由

索穹顶的索杆体系与单层网壳组合而成, 施工时无需满堂红脚手架, 可在自平衡的索杆体系上安装

单层网壳, 并与索杆体系连成整体协同工作.

(4) 由梁单元( 为主) 和索单元、膜单元组成的刚柔性组合空间结构, 现仅有一种具体的结构形式

------张弦气肋梁: 张弦气肋梁( Tension + air + integ rity= Tensairrity)是张弦梁结构中的竖杆

用充气肋来替代而构成的空间结构体系. 2004 年在法国南部城市蒙特皮肋尔( Mo ntpel lier) 召开的

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IASS 国际空间结构学术大会上首次对张弦气肋梁有所报导.2007 年已建成张弦气肋梁结构试点工程,

应用于瑞士蒙特立克斯车站汽车库.

(5) 由索单元( 为主) 和杆单元组成的刚柔性组合空间结构, 有四种具体结构形成;

a) 张拉整体结构:张拉整体结构( Tengrity 来源于T ensile 和Integrity 的结合) 是二十世纪

五十年代建筑师富勒( R. B. Fuller) 提出的一种结构体系, 这种结构体系的大部分单元是连续的张拉

索, 而零星单元是受压杆, 犹如张力海洋中的孤岛. 张拉整体结构的重要特性是预应力成形和提供刚度.

初期的张拉整体结构曾用于如Snelson 的研究模型.b) 悬索- 桁架结构:这通常是一种单向单层的悬索

结构, 通过垂直于索跨度方向设置平面桁架系, 强制将桁架两端施加拉力锚固在支承结构上, 使悬索向

下变位并产生预拉力, 与桁架内力共同构成一自平衡体系, 保证整

体结构的刚度和稳定性. 安徽省体育馆是我国有代表性的最早建成的悬索-- 桁架结构之一.c) 索

桁结构:将双层索( 向下凹的称为承重索, 向上凸的称为稳定索) 布置成如图64 的多种形式, 索间设置

受压撑杆( 受拉时一般设置拉索) , 当承重索( 或稳定索)施加预应力后, 便可构成自平衡的有预应力

的索桁结构。为改善索桁结构平面外的刚度, 承重索和稳定索可错位( 半格) 设置.d) 拉索网架:将一般

网架的上下弦改用柔性拉索, 受拉的斜腹杆也改用柔性拉索, 只是受压的竖腹杆仍用劲性型钢, 此时便

构成所谓拉索网架. 要使这种拉索网架成形、承载, 必须先在上下弦索施加适当的预应力.深圳市民中心

采光顶在我国成功地首次采用平面尺寸36m* 45m 的拉索网架.

(6)由索单元( 为主) 和杆单元、膜单元组成的刚柔性组合空间结构, 现只有一种具体结构形式,即

索穹顶结构. 1986 年建成的汉城奥运会120m 跨度综合馆索穹顶, 由美国工程师盖格尔( Geiger) 创建,

是一种肋环型索穹顶. 1995 年勒维( Lev y) 提出了葵花型索穹顶, 可改善助环型索穹顶辐射向平面桁

架系平面外的刚度, 应用于同年建成的192m 240m 椭圆平面亚特兰大奥运会主赛馆. 我国尚未建成索

穹顶结构,然而研究并提出了Kiew it t 型、混合 型( 助环型和葵花型重叠式组合) 、混合( Kiewit

t 型和葵花型内外式组合) 、鸟巢型等多种形式的索穹顶. 同时对肋环型、葵花型索穹顶提出了初始预

应力分布的快速计算法, 对一般索穹顶提出求解整体自应力模态的二次奇异值法, 为索穹顶预应力设计

提供了创新的分析方法.

(7) 由膜单元( 为主) 和梁单元组成的刚柔性组合空间结构, 现仅存一种具体结构形式, 即刚性支

承膜结构. 又称骨架支承式膜结构, 支承在梁( 包括实体梁和桁架式梁) 、拱( 包括实体拱和桁架式拱)

等支承结构上. 因此, 刚性支承膜结构的膜材, 主要是覆盖作用, 与支承结构的共同工作, 并不非常明

显. 代表性的工程有香港大球场、浙江大学紫金港校区风雨操场.

(8) 由膜单元( 为主) 和杆单元、索单元组成的刚柔性组合空间结构, 现也仅有一种具体结构形式,

即柔性支承膜结构. 又称索系支承式膜结构, 支承在脊索、谷索、边索、吊索、撑杆( 有时包括飞柱) 等

主要是柔性索系上. 因此, 柔性支承膜结构的膜材与支承索系的共同工作非常明显,设计计算时必须考

虑索膜协同作用.代表性的如有1985 年建成的沙特阿拉伯哈吉航空港, 它由210 个单元膜结构( 45m *

45m) 组成, 建筑覆盖面积达420000m2 .

综上所述, 刚柔性组合空间结构共分8 小类, 有16 种具体结构形式, 空间结构刚柔性的程度, 基

本可由组成结构的刚柔性单元的多少来确定。

5.空间网架结构研究的发展方向

网架结构是一种平板型的, 由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连接而形成的空间结构, 属于

空间铰接杆系, 多次超稳定空间结构, 具有工业化程度高、自重轻、稳定性好、外形美观的特点。构成

网架的基本单元包括三角锥、三棱体、正方体、截头四角锥等, 由这些基本单元可组合成平面桁架系网

架, 四面锥体系网架, 三角锥体系网架等不同网架形式; 根据网架连接节点形式不同, 一般可以分为焊

接球节点, 螺栓球节点, 钢板节点三大类。我国于1964 年建成第一个平板网架( 上海师范学院球类房,

31.5 m * 40 5 m) ; 在1967 年建成的首都体育馆采用斜放正交网架, 其矩形平面尺寸为99 m 112

m, 厚6 m, 采用型钢构件, 高强螺栓连接; 1973 年建成的上海万人体育馆采用圆形平面的三向网架净架

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110 m, 厚6 m, 采用圆钢管构件和焊接空心球节点; 20 世纪80 年代后期北京为迎接1990 年亚运会兴建

的一批体育建筑中大部分皆采用平板网架结构; 时至今日, 空间网架结构在我国的应用已经比较广泛,

被广泛用作体育馆、展览馆、俱乐部、影剧院、食堂、会议室、候车厅、飞机库、车间等的屋盖结构。

（一）空间网架结构发展对策分析：

1) 网架结构的设计技术参数与工程实际应相符合。在实际

工作中, 往往忽视空调机、风管、空调水、消防等设施引起的荷载,等到网架安装时, 或是设备、装

修施工时, 问题才充分暴露出来,导致设备安装、吊顶装修不得不屈同网架结构, 从而给室内装修空间利

用带来诸多麻烦, 影响最终效果。2) 网架结构的室内精装修方案应先于网架结构设计。网架结构的室内

精装方案是建筑设计院做的初步方案, 在实施前, 建设方应重视请装修设计单位预先进行精装修方案的

设计, 以避免在精装修阶段增加网架结构设计未考虑到的荷载, 实施时产生设计与装修的矛盾, 导致精

装修屈同于网架结构设计, 使精装修难以实现预定目标。3) 网架结构的安装方法应体现在合同中。网架

结构的安装方法在合同中往往留下伏笔, 当进现场作业时, 碰到的第一个问题是施工组织设计, 涉及到

的重要问题之一是安装方法的采用, 从而也就涉及到施工费用问题, 导致甲方不得不让步于安装单位,

增加不

（二）空间网架结构今后研究方向：

随着我国经济实力的增强, 空间网架结构科研工作的深入,各种计算手段的丰富, 我国今后空间网

架结构的发展呈现以下趋势: 1) 结构形式多样化, 空间网架结构多姿多彩。近年来兴建的大型公共建筑

大多都采用了钢管杆件直接汇交的管桁网架结构,它的外形丰富、结构轻巧, 传力简捷、制作安装方便、

经济效果好,正在引起日益广泛的重视和应用。2) 现代预应力技术的引入使空间网架结构更具活力。在

大跨度空间网架结构中引入现代预应力技术, 使结构体形更为丰富的同时, 也使其先进性、合理性、经

济性得到充分展示。目前许多高校对涉及索托结构, 索网结构等以高强钢索与钢材为主承重结构的预应

力钢结构新体系正在进行理论研究, 积极准备工程实践, 可以预期新型的预应力大跨空间网架钢结构在

将来必将有广阔的发展空间。3) 结构新材料的应用进一步推动空间网架结构的发展。在普通碳素钢获得

大

量应用的同时, 不锈钢、铝合金、膜材也在许多大跨度网架建筑中获得了应用, 国际上已有许多专

业生产公司建成了较多的铝合金结构。我国的相关科研院所和企业也已经开始进行基础性研究和工程实

践, 积极进行产品研制、开发, 并进行了一些工程实践,取得了较好的技术经济效果。4) 计算技术的进

步为空间网架结构的发展创造了有利条件。当前已经研发出一些网架分析软件,一般这些软件都具有完善

的前后处理功能, 可在计算机上进行复杂的空间网格结构设计, 随着研究的深入, 软件程序在功能上将

更趋完善, 涵盖面也将会不断扩展。5) 产、学、研紧密结合是推动空间网架结构发展的源动力。从20 年

来网架生产企业的发展过程可以看出坚持产、学、研相结合是企业兴旺发达的重要保证。未来产、学、

研一体化的更加紧密结合将可以使得企业最便捷地将科研成果转化为生产力, 以最新技术促进产品质量

的提高, 加速产品更新换代, 增强在市场竞争中的优势。

空间网架结构今后发展的一个重要趋势就是大跨度空间网架结构, 大跨空间网架结构也是衡量我国

建筑科技水平的重要标志之一, 我国当前针对于大跨度空间网架结构所涉及需要的新体系、新技术、新

材料还存在很大欠缺, 有待进一步研究和完善, 以更充分的体现大跨度空间网架结构的先进性、经济性

与合理性,最终促使我国空间钢结构积极、健康地发展, 更好的为我国经济建筑服务。

6. 新型穹顶钢结构安装方法

随着人们生活水平的不断提高，工业生产及文化、体育事业的不断进步，社会对建筑结构有了更高的

要求。近十余年来，空间网壳结构发展迅速，不断有新的结构形式被提出、被研究，并在实际工程中应

用。等高线型大跨度穹顶网壳结构就是一种新型的网壳结构形式。目前已封顶的佛山岭南明珠体育馆屋

盖钢结构正是采用了这种新型穹顶网壳形式。本文将以佛山岭南明珠体育馆穹顶钢屋盖工程作为实际工

程背景，对该类结构的安装方法进行初步探讨。

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(一)工程概况

等高线型大跨度穹顶网壳钢结构形式为世界首创，属于非典型的桁架结构，是斗拱式结构的半球型屋

顶。它的构思是与普通穹顶结构完全相反的，改变以往穹顶结构是拱的旋转体这种考虑方法，改为水平

环的集结体。其外形的形成不同于其它工程，完全以环梁结构发挥主导作用。由于其外形类似于地图上

表示山体高程的等高线，因此笔者暂且将这种结构称为等高线型大跨度穹顶网壳结构。佛山岭南明珠体

育馆钢屋盖的结构形式就是由这种类似等高线的15 层环梁结构实现的。在构造方面，屋盖采用连续的穹

顶结构，整个钢屋盖由一大二小连在一起的三个球壳构成， 其构造层次由三部分组成：环向水平桁架、

内层桁架间支柱及斜撑、外层斜拉杆组成的单层网壳）。整个建筑物在环梁的第1 层到第3层将跨度和高

度都不同的3个馆牢固的连接在一起。在上下水平环梁连接方面，钢管形成的网状结构实现了整个体育馆

抵抗风力和地震力等水平作用力的能力，整座体育馆结构形成一个稳定安全的体系。整个金属屋顶钢结

构采用连续穹顶网壳钢结构施工。它具有大跨度，大空间，节点量大，杆件多，受力复杂，而且多根杆

件从不同角度汇交，制作、加工、安装困难等特点。

（二）安装方案

（1）方案的比较分析：该工程结构是真正意义上的空间钢结构，从结构特点不难看出，安装阶段的空

间刚度与结构形成整体后的空间刚度相差十分悬殊，安装过程中构件内力的变化、结构安装的稳定性、

结构的变形等都难以控制，且其吊装区域面积大，吊装半径达几十米，吊装难度极大，所以，安装方案

的好坏是整个工程实施最关键的一个环节，且难度也是最大，安装方案的优劣将直接影响到工程质量、

工期和安全。因此，选择经济可靠、快速并有可操作性的安装方案就显得尤为重要。网壳的安装是指将

工厂加工好的零部件运至

施工现场并利用各种施工方法将网壳搁置在设计位置上的过程。网壳的安装方法随拼装方法和安装机

具的选用不同，主要有高空散装法、整体吊装法、整体提升法和整体顶升法等几种’!(。高空散装法是

将小拼单元或散件直接在设计位置进行总拼的方法。由于散件在高空拼装，垂直运输就无须起重机或无

须大型起重机，但却需要搭设大规模的拼装支架。这对大跨度大空间的穹顶网壳来说需要耗用大量材料。

另外，此种结构对安装精度要求很高，而应用高空散装法在网壳拼装过程中拼装支架容易产生位移和沉

降，拼装支架的变形将影响网壳的拼装精度。整体吊装法是指网壳在地面总拼后，采用单根或多根拔杆、

一台或多台起重机进行吊装就位的施工方法。应用这种方法时，建筑物在地面以上的结构必须待网壳制

作安装完成后才能进行，不能平行施工。当场地许可时，可在场外地面总拼网架，然后用起重机抬吊至

建筑物上就位，这样虽解决了场内结构拖延工期的问题，但起重机必须负重行驶较长距离。所以，无论

是场内还是场外拼装网架，对大跨度大空间的穹顶钢结构来说都不太现实。整体提升法是指在结构柱上

安装提升设备提升网架。此安装方法使用的提升设备一般较小，利用小机群安装大网架，起重设备小，

成本比较低。由于提升设备能力较大，可以将网架的屋面板、防水层等全部在地面及最有利的高度进行

施工，从而大大节省施工费用。网架整体提升法只能在设计位置垂直上升，不能将网架移动或转动，适

宜于施工场地狭窄时施工。

（2）实际选用方案

a)方案选择分析：对佛山岭南明珠体育馆钢屋盖来说，该结构杆件较多，跨度较大，如果采用常规搭

设满堂辅助支架， 起重机械设于跨外的施工安装的方法，不仅起重机的作业半径大，高空拼装工作量较

大，而且用于支承钢结构的支架材料及工作量之大可想而知，同时钢结构安装对土建结构施工和设备安

装带来种种限制，这显然不是可行的安装方案。由于近年来安装技术的不断提高，液压设备、载重小车、

电脑同步控制等先进技术已进入钢结构安装领域，如果采用钢结构原地整体散装，进行整体提升的安装

方案，则投入的费用将不能承受，且由于整个屋盖面积较大，在技术上存在不安全的隐患，同时具有上

述跨外吊装方案中的种种限制，故这也不是理想的安装方案。此外，该结构有另一个特点，就是施工过

程的简易化。我们可以利用结构特点将稳定的水平环层层叠加，并结合顶部整体提升组成穹顶，从而节

省施工费用。

（3）安装方案的确定

从以上安装方案相比较以及根据工程特点和场地环境，佛山岭南明珠体育馆钢屋盖工程最终选择安装

方案为：采用高性能大型履带吊车从场外分段吊装与场内局部进行整体提升相结合的安装方案。

（4）安装方法和总体步骤

本工程采用的安装方法，是将- 个馆的环形桁架进行合理分段划分，根据现场吊车能力划分成需要

的吊装分段，在地面拼装区域进行整体拼装，再拆开用炮台车运输到起吊位置吊装，在结构顶部区域采

用局部整体提升进行安装，这样大大有利于施工进度及施工安全。

下面以主场馆为例，介绍佛山岭南明珠体育馆钢屋盖的安装步骤：第一步：吊装临时支承胎架；第

二步：第1层水平钢桁架吊装，并与两小馆的第1层闭合，使之形成强大的约束力，有利于上层桁架的吊

装；第三步：第2 层水平钢桁架吊装；第四步：第3-9 层水平钢桁架吊装，同时设置顶部提升区域的地

面拼装胎架；

第五步：第11-15 层水平钢桁架在平台上组装；第六步： 第11-15 层水平钢桁架整体提升；第七步：

第10层水平钢桁架塞装；第八步：第11-15 层水平钢桁架整体提升就位，并与第10 层桁架连接；第九步：

主场馆钢屋架逐层受力释放。

（三）施工效果：安装结果证明，该方案很好地解决了本工程钢结构的安装难题，最终保证体育馆满

足建筑功能和结构功能的双重要求，收到了良好的施工效果，且钢结构工期比计划提前了10天。

7. 网壳结构稳定性研究

网壳结构的失稳或者说屈曲形式的分类方法很多, 最易接受的分类方法是以网壳结构失稳后因产生

大变形而造成的新的几何外形作为依据。 导致网壳结构失稳的因素很多, 这些因素又是相互影响的。研

究表明可能导致网壳结构发生失稳的因素有:(1) 网壳结构的薄膜和弯曲刚度;(2) 网壳结构拓朴结构和

周面的曲率;(3) 结构所用的材料特性;(4) 结构的初始缺陷;(5) 结构的支承条件;(6) 网壳结构的节点

刚度; (7)荷载及荷载类型。

(一)国内外研究现状：自六十年代以来, 网壳结构的非线性稳定性研究一直是国内外学者们注意的焦

点。英、美、德、意大利、澳大利亚、罗马利亚、波兰等国的研究人员进行了多方面的理论分析和实验

研究。国内对网壳结构的研究进行得稍晚, 但也已取得了不少研究成果。同济大学、浙江大

学、东南大学、河海大学、哈尔滨建筑大学、天津大学、杭州城市设计研究院等单位分别就不同的课

题进行了研究。这些研究工作的内容大致可分为以下几方面: 网壳结构大位移几何非线性和单元弹塑性

变形的稳定性分析方法研究, 网壳结构节点连接理论分析和实验研究, 网壳结构对初始缺陷的敏感性及

网壳结构的极限承载力, 大型网壳结构稳定性试验方法探讨, 网壳结构动力分析, 球壳结构优化设计,

网壳网格划分研究以及对许多工程设计的实际分析等内容。

（二）今后的研究方向：

网壳结构稳定的分析模型、计算方法已趋于实际精细化, 理论研究的趋势是分析模型的系统化;网壳

稳定设计的研究方向是引入可靠性分析[ 53] 。今后还有许多工作要做:

( 1) 弹塑性稳定分析：网壳结构的非线性稳定分析, 近年来大多处于弹性非线性阶段的分析, 同时

考虑弹性几何非线性及单元材料非线性的研究只是刚刚起步, 还需进一步探讨。在网壳结构弹塑性有限

元分析时, 杆件部分进入塑性后杆件的单元刚度矩阵的正确表达式是极重要的, 关键是结构在加载过程

中塑性开展的规律和塑性区的范围和位置。塑性区发展后有可能形成塑性铰也有可能不形成塑性铰。这

些都与结构型式、拓扑及结构内力重分布能力有关。此外, 结构的加载历史十分重要。弹塑性失稳的全

过程跟踪分析方法也值得研究。适用几何非线性问题的解法不应直接沿用至双非线性问题。例如, 在几

何非线性全过程分析中常用的弧长法仍是在基本假定的基础上采用了线性叠加原理。在材料非线性问题

中, 线性叠加原理是否适用值得推敲。

(2) 初始缺陷灵敏度及影响的研究：初始缺陷影响的研究可归结为初始缺陷对结构屈曲荷载缩减的估

计、结构的屈曲类型 及结构对初始缺陷的灵敏度估计。初始缺陷影响的研究应从缺陷的实质上加以分析,

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至今绝大多数研究考虑的几何偏差不应作为一种缺陷因素, 而是缺陷的反映。缺陷的影响是初应力引起

的,最后量测到的几何是初应力作用下已经自平衡后的几何。尽可能准确地估计初始缺陷的影响直接影响

到结构的设计。然而工程中的缺陷统计资料及目前的缺陷分析方法均很少, 所以深入的研究是极为迫切

的。

（3) 多自由度体系临界荷载的确定：在全过程分析方法中多自由度体系的临界点、临界荷载的确定、

以及如何进行处理都存在问题。

(4) 多参数体系的研究：对于荷载敏感型网壳结构,应当研究静载与活载,尤其是不对称活载之间的适

当比例对其临界荷载的影响。研究不同类型荷载共同作用时加载次序的影响。

(5) 稳定分析的数学方法：在网壳结构平衡路径全过程的跟踪中, 目前仍无公认比较完善的参数控制

迭代方法。完善结构的分枝失稳分析可与目前非线性科学中的混沌、多级分叉相联系。这方面工作已开

始, 但还不系统完整。

(6) 网壳结构屈曲研究的手段：结构的稳定试验对模型的制作精度和加载系统都有特定的要求。寻求

廉价而精确的试验依然是今后的方向。除此之外, 计算机技术的发展, 尤其是可视化技术的发展也为研

究结构屈曲机理, 失稳过程等提供了新的手段。从而有可能形象地显示结构屈曲模态, 屈曲的全过程以

及形状变化等。

(7) 网壳构造的研究：节点构造、网壳结构的形体及网格划分对网壳的屈曲特性有显著的影响。网

壳结构节点连接的理论分析和实验研究, 网壳结构的拓朴、形状、截面优化等问题仍在学者的探讨之中。

(8) 网壳结构稳定的设计研究：目前的设计思想仍然是将结构稳定的计算归结为结构各构件单元的

稳定计算。设计研究的趋势有两个方向, 一是间接引用理论研究成果, 从设计过程的各个方面进行深入

的研究,通过逐个消除误差确保整体设计的安全性和合理性; 二是直接引用理论研究成果, 对结构设计

体系进行双非线性分析和计算机仿真, 从分配上确保稳定设计的安全性和合理性, 这是一种全新的设计

方向, 在计算机软件技术高度发展的将来, 是完全可能的。

在网壳结构设计、计算以及使用阶段, 存在着许多不确定性因素。为了弥补由传统的确定

性参数概念带来的不安全性, 引入可靠性分析是必要的。

8. 悬索结构的分类、特点及应用

（一）悬索结构的特点

（1）受力合理、节约材料：悬索结构是一种受力比较合理的建筑结构形式, 将悬索结构与简支梁两

者的受力情况进行对比, 就可以看出这种合理性, 简支梁在竖向荷载作用下, 上纤维压应力的合力与下

纤维拉应力的合力组成了截面的内力矩, 合力间的距离即为内力臂, 它总在截面高度的范围内, 因此要

提高梁的承载能力, 就意味着要增加梁的高度。但在悬索结构中, 钢索在自重下就自然形成了垂度, 由

索中拉力与支承水平力间的距离构成的内力臂, 总在钢索截面范围以外, 增加垂度也就加大了力臂, 从

而可以有效地减少索中拉力和钢索截面面积。

（2）施工比较方便：由于钢索自重很小, 屋面构件一般也较轻, 因而给施工设带来了很大的方便。

安装时不需要大型起重设备，施工时不需要脚手架，也不需要模板。这些都是有利于加快施工进度，降

低工程造价，因而与其他结构形式比较造价较低。

（3）便于建筑造型：悬索结构由于索网布置灵活，便于建筑造型，可以适应多种多样的平面形状和

完形轮廓，因而能够较自由的满足各种建筑功能和表达形式的要求，使建筑结构的道完善的结合。这也

是建筑师们乐于这种形式的主要原因。

（二）悬索结构的主要形式：悬索结构的形式很多，根据索网、边缘构件和下部支撑结构的不同配置，

可以构成一系列形式各异的悬索结构。如将悬索结构和其他结构结合，又可以派生出许多新型的结构。

悬索按受力状态分成平面结构和空间结构。

（1）平面悬索结构：

主要在一个平面内受力的平面结构，多用于悬索桥和架空管道。按结构形式分为：①单层悬索结

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构。可用做柔式悬索桥，也可用于屋盖，结构刚度较小，在可变荷载作用下变形较大，宜在索上铺设重

屋面。②加劲式单层悬索结构。通过在索下面若干吊杆吊有加劲桁架（或加劲梁），以增强结构的刚度。

③双层悬索结构。其上索与下索曲率相反，并通过其间的受拉斜腹杆中施加预应力而具有较好的刚度。

（2）空间悬索结构：

一种处于空间受力状态的结构，多用于大跨度屋盖结构中。按结构形式分为：①圆形单层悬索

结构。用于圆形平面的屋盖，其索按辐射状布置，整个屋面形成下凹的旋转曲面。各根索的外端

固定于周边的钢筋混凝土圈梁上，内端固定于圆心附近的拉环上。当圆心处允许设柱时，可形成

伞形悬索结构。②圆形双层悬索结构。其外形与上述结构类似，只是有上下两层索，从而可以有

不同布置形式的预应力拉杆以增强刚度。中国北京工人体育馆直径94米的比赛大厅屋盖即采用

了这种结构形式。其圆心附近的拉环除承受环向拉力外，在竖直方向还承受压力。③双向正交索

网结构。由互相正交的两组索组成。下凹的一组为承重索,上凸的一组为稳定索,两组索形成负高

斯曲率的曲面。对其中一组索施加预应力时，另一组索也同时获得预应力的效果。通过施加预应

力，可使两组索在屋面荷载作用下始终贴紧，且获得良好的刚度。这种索网可用于椭圆平面、矩

形平面、菱形平面或其他平面的屋盖。意大利米兰体育馆屋盖采用了圆形平面的马鞍形索网结构,

直径140米，是目前世界上最大的索网结构。中国浙江省人民体育馆屋盖采用80×60米椭圆平

面的马鞍形索网，其索端固定于一个空间曲梁上。为了减 小曲梁内的弯矩，在索网下还设置了

一层水平拉索。 除上述悬索结构外，工程中还常用斜拉索结构，如斜张桥和斜拉索屋盖。这种

斜拉索主要是用来减小屋面或桥面结构构件的跨度，以满足整个结构的大跨度要求和达到节省材

料的目的。

随着卷材薄钢板的发展，近年来，有的国家采用悬挂板带结构。如联邦德国法兰克福航空港飞

机库的屋盖，平面尺寸达270×100米，分为两跨，每跨由10条长13米、宽7.5米的板带组成，

板带之间用3米宽的采光带隔开。

除上述各种悬索外，还有一种结构是利用钢索来吊挂混凝土屋盖的，这种结构叫悬挂式结

构，其特点是：充分利用钢索所具有的抗拉特点，而减小钢筋混凝土屋盖所承受的弯曲力。下图

所示日本代代木体育馆，采用高张力缆索为主体的悬索屋顶结构，创造出带有紧张感、力动感的

大型内空间。

在各种形式的悬索结构中，索的边缘构件及地锚的合理性和可靠性具有极其重要的意义，

在一定程度上决定着结构的技术经济指标和安全。

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