薄壳结构在工程中的应用资料

《信息检索与利用》课程综合大作业

空间结构在工程中的应用

摘要：随着科技的日新月异的发展，空间结构在工程中的应用也越来越多，占着

很重要的位置。空间结构指结构构件三向受力的大跨度的，中间不放柱子，用特

殊结构解决的叫做空间结构。有以下五种类型：网架结构、悬索结构、壳体结构、

管桁架结构、膜结构。下面让我们看一看空间结构在工程中的应用。

关键词：空间结构；应用；发展

1、研究空间结构在工程中的应用的意义

1.1 空间结构在国内外科技创新发展概况和最新发展趋势

当今国际新型空间结构发展的热点当属张拉整体结构体系、膜结构、玻璃采

光顶钢网壳等轻型体系。

1.1.1 张拉体结构体系

1962年美国著名建筑大师R.提出张拉整体概念，并创造了Tengrity

一词。Fuller将此形象地定义为使压杆成为拉杆海洋中的孤岛。1984年美国

D．H．Geiger利用此概念构造了连续受拉索和不连续的压杆组成的预应力空间结

构索穹顶，1988年用于汉城奥运会体育场馆与击剑馆以来，世界上已建索穹项十

余幢。美M．ELevy和T．EJing设计的1996年亚特兰大奥运会主场馆，平面尺寸

240×192m，更是得到了世界各国的瞩目。IASS--2004大会共有20多篇与此相关的

论文。主要研究开拓新的结构型式、结构体系的判定、找型分析的运动学和静力

学方法、预应力模态和优化设计、温度效应分析、稳定问题、施工成形技术全过

程分析等。IASS委员会执委法国R．Morro经过十年研究，于2003年出版了索穹

顶的专著，认为该类体系为结构的未来；2002年日本K．Kawaquchi等在Chiba建

造了一对张拉整体框架，上有薄膜屋面，用以研究温度变化对结构的影响。

1.1.2 模结构

膜结构以其造型千姿百态、施工安装快速、自重轻、透明度较好等优点受到

建筑界的青睐，近十余年来在国内外得到较迅速发展。IASS--2004大会就有12位

教授应大会邀请作了“膜结构在中国的发展与现状”的报告。

1

《信息检索与利用》课程综合大作业

在世纪交接之际，在英国伦敦格林尼治半岛出现的直径365米的千年穹顶，

在12根100m高的钢桅杆悬吊中更显得挺拔雄伟，夜光中甚是光彩夺目；2003年巴

西在露天剧院上建造了两个不对称的柔性边界的锥形膜屋盖结构，长70m、宽50m

为巴西最大的柔性边界膜结构。还有法国里昂机场候机楼，采用骨架式膜结构，

投产快、使用效果良好，半年内即收回成本，甚得业主的欢迎。以及罗马体育场，

白色的雕塑群与白色膜屋盖相伴，令人意气风发、耳目一新。

1.1.3 玻璃采光顶与玻璃结构

现今空间结构向透明与轻型两方向发展，很自然玻璃材料更吸引建筑师的目

光。室内采光的渠道不仅是从门窗和玻璃幕墙，现已进一步发展到在大跨房屋上

采用玻璃采光顶。有关玻璃的应用分为两类，一是玻璃作为非承重构件的屋面、

幕墙等，另一是玻璃直接用作承重结构材料。当今主要是作为覆盖材料有了较多

的应用，有关其结构支撑体系有不少问题正在研究。

1998年建成的德国柏林DZ银行以其大曲率的玻璃采光顶而闻名。值得重点

提及的是随团重点考察的正在施工的意大利米兰新博览会工程，被称为目前欧洲

规模最大和建造最快的建筑。整个博览会工程占地120公顷，建筑面积53万平方

米，施工周期仅30个月。共8个展览馆，6个单层(240×160m)、2个双层(240×120m)。

端部飘扬着高39m的海洋波帆，展览馆中央通道上为1200×32m的波浪帆。整个工

程如乘风波浪、汹涌澎湃、雄伟壮观，显示了玻璃采光顶钢网壳空间结构的风采；

2002年建成的柏林LehrterBahnhof铁路车站，也引人注意。玻璃作为结构材料问

题已有少量研究探索。1998年曾作过玻璃拱，现有德国L¨Blandini，W．Sobek设

计建造了直径8．5m的玻璃穹顶，厚度仅10mm,是成功的尝试。有关其材料力学

特性、节点、支座等系列问题尚有待于研究，前景如何尚无定论。

1.2空间结构的应用对社会发展的作用

空间结构建筑的发展推动了社会的发展，它大大地改变了人们的生活场所，

为人们的生活带来了很大的改变，是我们不可或缺的一部分。

2、空间结构的研究内容

2.1具体研究开发内容和要重点解决的关键技术问题

当今国际空间结构科研的焦点当属抗震分析及动力稳定性、结构控制、抗风

2

《信息检索与利用》课程综合大作业

设计、结构损伤识别。以上四方面均属于大跨空间科技前沿课题，为国外关注的

焦点与难点。

2.1.1 抗麓分析硬动力稳定性

弹性阶段抗震分析：有关抗震分析现研究较多的是多维地震输入、动力分析

中结构阻尼的取值、上部结构与支承体系共同工作等问题。日本建筑学会于2003

年专门组织了结构阻尼比评定委员会，对205幢多高层建筑进行阻尼比实测，其

中钢结构137栋，钢与混凝土组合结构43栋，混凝土结构25栋，系统分析了个各

参数影响，给出了阻尼比简化计算公式。虽然没有包括大跨结构，但钢结构的结

果可以参考。日本Y．Taniguchi用1．8X2．1m的双层柱面网壳模型对有薄膜屋面

与无屋面覆盖两种情况的阻尼比进行了对比。日本T．Kumaqai等以单层球面网壳

为例，研究了单维输入与水平竖向同时多维输入阶跃荷载的动力响应时程的区

别，得出了需对网壳进行多维分析的结论。

弹塑性性能及动力稳定性：对于结构的弹塑性性能及动力稳定性等集中在强

震作用下弹塑性响应及动力稳定性。在强烈地震作用下，大跨空间结构的弹塑性

分析现处于初始研究阶段。主要研究弹塑性分析方法、内力位移响应规律、在强

震下结构的变形能力与耗能能力、破坏机理、可能的动力失稳

破坏。后者主要研究动力稳定性的判别方法，空间结构动力稳定性的临界荷载等

问题。

2.1.2 结构摄动控翻。

结构振动控制虽可追溯到百年之前已出现的基础隔震，但现代结构控制理论

的提出与建立仅是近30余年的事，至今结构控制仍处于研究阶段。意大利

GC．Giuliani对国际结构振动控制研究现状作了综述。除了被动控制有一定应用

外，其他主动控制、半主动控制、混合控制均仅属于起步阶段，国外仅有少数几

个实例。

大跨空间结构虽然受力性能好，在一些地震中经历了考验(如日本阪神大地

震中网壳结构)，但由于作为公共建筑更广泛的社会影响，进行振动控制更显得

必要。由于空间结构自由度甚多、频率密集、往往是高阶振型对动力响应贡献较

大，空间受力特性明显，因此如何对大跨空间结构进行有于效的振动控制是当今

国际研究焦点之一，更是处于初始起步期。

2.1.3 风致响应分析

由于索膜轻型结构对风作用敏感，如何考虑气流与结构的相互作用(流固耦

3

《信息检索与利用》课程综合大作业

合效应)是空间结构研究难点之一。

对于索膜结构，随着结构变形风荷载明显变化，若仅按经验估计的一个风振

系数，显然不符合实际，更不可能涉及气动失稳问题。现一般在有条件情况下尽

量作风洞试验，但大量做试验终究是成本高，难以普及。近几年提出的数值风洞

方法是很有前途的新动向。现在研究对流固耦合效应正确模拟的计算模型，已在

桥梁颤振分析中应用。

英国J．Buton等对几个1：100锥形膜屋盖进行风洞试验，研究了流体与膜结

构之间的耦合效应，找出随结构变形风荷载变化情况，并与数值风洞分析结果相

比较。

意大利GBartoli等对希腊Piraeaus靠海的新奥林匹克足球场屋盖进行了边界

层风洞。该屋盖有14个悬臂钢格构支承，跨度33m。试验研究了各方向的来风的

影响，找出空气动力系数平均值、标准差、最大最小值，并在时域中进行动力响

应分析，研究了可能引起的共振作用。

2.1.4 结构损伤识别

虽然该学科已有几十年研究历史，但由于结构的离散性、实测及理论上的难

度，虽已有一些理论分析方法和研究成果，但至今尚还没有公认的较简单实用方

法。所以仍属于科技前沿课题。近年各国更感到进行工程结构损伤识别的重要性，

如美国联邦高速公路行署报告中指出美国有42％公路桥有大小不同的损伤，为预

防破坏需要限制车辆载重、通行量和维修。此外亦有些房屋建筑破坏的实例。因

此结构损伤识别更成为国际科研焦点之一。

对结构损伤识别必定基于实测数据的基础上。在静力响应数据和动力响应数

据两类中，由于前者对实际建筑加至同样数量级的荷载的困难及测得数据的局限

性等缺陷，现国际上均倾向于基于动力测试的结构识别。

基于动力测试数据基础上的结构损伤识别方面，现研究较多的是集中在基于

传统数学的动力特性参数分析法和基于神经网络的智能化信息处理系统。

西班牙A．Samartin采用动力测试数据，基于频率、振型、刚度变化，针对

金属壳板结构与混凝土结构两类体系，提出了结构损伤识别方法。第一类体系按

三级识别，即影响结构安全度的裂缝、局部裂缝和影响耐久性的表面裂缝。第二

类混凝土结构由于材料不匀质、有细小裂缝时其频率与振型等特征参数的变化难

以在实测中反映出来，所以难度更大。

2.2 空间结构的创新

刚柔性组合空间结构是空间结构的一个重大创新。

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

4

《信息检索与利用》课程综合大作业

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。

2.2.1 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。

2.2.2 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

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。

1994年建成的六边形平面对角线长93．6m清远体育馆采用六块组合型双层扭网

壳，在相邻六支座处采用了六道预应力索。1995年建成的缺角八边74．8m×74．8m

攀枝花体育馆，采用双层球面网壳，在相邻八支座处设置八榀平面桁架，其下弦

选用了预应力索。采用预应力网架(壳)比非预应力网架(壳)可节省钢材用量约

25％。

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．代表性的工程有：1993年建成的新加坡港务局仓库采用4幢

120mX 96m六塔柱、2幢96m×70rn四塔柱斜拉网架。1995年建成的山西太旧高速

公路旧关收费站采用14m×65m独塔式斜拉双层。2000年建成的杭州黄龙体育馆中

心体育馆，采用月牙形50m×244m双塔柱斜拉双层网壳。

张弦立体桁架：以立体桁架替代张弦梁的上弦梁便构成张弦立体桁架。2002

年建成的广州国际会展览中心，便采用了跨度为126．6m张弦立体桁架。2008年

建成的奥运会国家体育馆采用114m×144m双向正交的张弦桁架(平面桁架)结构。

预应力装配弓式结构：早年这种弓式结构曾用于小型机库。1994年建成了45m

跨度的北京钓鱼台国宾馆室内网球场弓形屋盖，其中段在纵向可开启。

2005年建成了北京温都水城72m跨度嬉水乐园，局部屋盖也可开放．这种预应力

装配弓式结构特别适用于可装拆的临时性仓库建筑和舞台建筑，曾建成

跨度达130m构筑物，施工安装方便。

5

《信息检索与利用》课程综合大作业

3、 空间结构的应用及市场概况

3.1空间结构的应用市场概况及需求情况

目前空间结构建筑在国内外市场的需求十分广泛，很多大型建筑都用到了空

间结构。在这里我们主要说说现代空间结构的发展趋势。

3.1.1 现有发展条件

建筑行业已成为国民经济发展的主要支柱产业；大型公共建筑已成为一个城

市乃至一个国家的经济、 文化、建筑技术发展水平的重要标志; 大跨度建筑体现

了新颖、美观、实用的建筑目的; 现代大跨度建筑能成为带动其它行业发展的龙

头; 八十年代空间网架的推广应用，带动大批钢构企业的 产生和发展; 现代大跨

度建筑使原有的建筑制造安装企业得到技术、 观念的更新，并有效地促进相关

行业，如材料、机械、电 子控制等的发展。

3.1.2 发展机遇

国民经济的持续飞速发展、西部大开发战略和振兴东北战略的实施、北京奥

运会场馆设施建设、上海世博会场馆设施建设。

3.1.3 大跨度空间结构体系的发展过程

大跨度空间结构体系是结构方面近50年来最活跃的领域。 结构形式经历了

由传统的梁肋体系、拱结构体系、桁架体系、薄壳空间结构体系，到现代的网架、

网壳、 悬索、悬挂（斜拉）、充气结构、索膜结构、各种杂交 结构、可伸展结

构、可折叠结构以及张拉集成结构等。

3.1.4 发展现状

已有的大跨度空间结构体系基本上可分为三大分支： 刚性体系 (折板、薄

壳、网架、网壳、空间桁架等); 柔性体系 (索结构、膜结构、索膜结构、张拉

集成体系 等); 杂交体系 (拉索—网架、拉索—网壳、拱—索、索—桁 架等); 由

于 “柔”性化，使得结构表现出很强非线性特征，因 而每种新结构体系的出现，

都可能引出全新的问题需要解决。 虽仅有几十多年的历史，但已充分表明这是

6

《信息检索与利用》课程综合大作业

一类很有活力、适应性强、方兴未艾的结构体系。

3.1.5 主要发展趋势

张拉结构体系，包括索穹顶、索桁架、张弦梁等在内的柔性大跨度结构在分

析理论、设计方法、工程应用方面 需要进一步发展。 开启式结构的发展与应用，

要求其不固定于封闭的室 内环境。 各类杂交、组合结构的发展与应用。

3.1.6 研究展望

材料、施工技术等相关方面的突破：新材料、新结构、新技术、新节点、新

工艺、新的制作、安装与控制技术。结构体系上的突破：特别对最热门的索一杆

(梁)杂交结构体系和索穹顶，以填补我国的空白。 结构形式的突破：各类可开

启式、可展开式空间钢结构体系。分析理论及控制技术的突破：抗风、抗震计算

理论；针对各类新体系的不同特殊问题、实用的设计方法；施工过程模拟计算理

论与技术。 重要空间结构的健康监测；使用过程中的检测技术与安全性评定方

法；火灾、风灾及地震作用下的灾害控制。

3.2 空间结构应用一些实例

3.2.1 在园林建筑中的应用

空间结构在我国大型的公共建筑中发挥了重要的作用,同样在我国园林建筑

中也起到不容忽视的作用, 深受园林建筑师的重视。以空间结构在我国园林建筑

中的应用所取得的成就意义来看主要有三个方面: 1) 在园林建筑中应用新材料

代替了木材、砖、石; 2)在结构上趋于计算更合理的利用空间; 3) 适用于形态

多样的造型, 结构稳定强度大, 能塑造大型空间建筑, 节省物力、财力。这些空

间结构所具有的优越性在园林建筑应用发展中具有十分重要的意义。

现代公园是人们休闲活动的场所, 往往人流大, 活动内容丰富, 其建筑也

是多种多样, 在造型上要求美观新颖独特又能整体统一而又有变化的新型空间

结构, 空间这一结构就能充分发挥它的作用, 它适合规则的正方形、长方形、圆

形、椭圆形, 也适合三角形和多边形及一些不规则的形状, 使用灵活。其次还可

做成形式多样的悬挑结构, 经济、实用、美观、安全是它可发展的优势。再次就

是材料上的应用, 重视复合材料的应用, 变化创新结构形式,注重结构的减轻,

是空间结构发展的前景, 比如在材料方面当前所大量采用的套箍混凝土由于它

强度高, 重量轻、塑性好, 延性大的特点, 通过它可塑出造型优美、体型轻巧的

空间建筑, 像轻骨料混凝土, 高强混凝土, 纤维混凝土, 预应力混凝土等都很

7

《信息检索与利用》课程综合大作业

适宜薄壳结构的建筑应用, 再就是采用压型钢板, 组合构件又可形成多种不同

的圆形、弧形、拆扇状屋盖, 造型可形成多种变化, 建筑施工又快又好。园林建

筑师首先是结构方案的创作者, 使建筑的受力结构以简图方案为基础正确进行

设计, 又能做到以最简单和最自然的方式把载荷和应力传递到柱子和基础上,

仅有一个方案是不够的, 特别在结构尺寸很大, 必须将结构外露的时候, 就需

要通过各部分的比例, 充分发挥材料的承载能力, 并在材料承载允许范围内,

使结构骨架构成结构的主体, 使整个结构完美实在。建筑设计的精髓在于以简化

的方式基础针对性的估算, 也就是说要具有将复杂体系分解为几个基本部分的

能力, 如果仅有实践经验, 而不具有这些基本的掌握和控制能力, 即使是一个

中等大小的结构物也无法确定它的尺寸, 这也是需要我们在空间结构时予以重

视的。

3.2.2 在体育建筑中的应用

纵观国内外的体育建筑, 其主要采用的结构形式有以下两类①薄壳结构②

悬索结构。随着建筑科学技术水平的提高, 在近年来的体育建筑中, 出现了组合

索网、组合网壳、预应力钢扭网等等新的屋盖结构形式, 但其原理都离不开上述

两类典型结构形式。下面就详细讨论这两种典型结构及其在体育建筑中的应用

1957年设计的罗马小体育馆采用装配整体式扁球壳顶,其内径为58.54m, 高21m,

壳顶由1620块预制菱形板组成, 在板块中间配筋灌缝, 并在预制板表面浇混凝

土后浇层使之成为整体壳顶。壳顶边缘处的斜向推力由36个Y形人字架来承受,。

该建筑的个形倾斜的支柱形式独特、造型优美, 形支柱不仅受力合理, 而且与屋

盖的拱肋结构形式统一, 使形与结构达到完美的和谐。悬索结构在体育建筑中应

用例子最多, 50年代中期美国耶鲁大学溜冰场即为一例。该溜冰场采用单拱支撑

的悬索屋盖, 屋盖正中屋脊处为一钢筋硅单拱, 拱跨101.6m, 高53.4m, 拱顶截

面为91.5mm x 153cm屋顶钢索直径24mm, 中距1.83m, 上端锚固于拱顶, 下

端锚固于曲线形的侧墙顶曲梁上, 侧墙中距55.8m, 屋脊两侧各设9根纵向稳定

钢索, 并施加预应力。悬索下端的钢筋硷曲梁在平面上为抛物线承受下端拉力,

纵向稳定索的两端设有钢析架以承受稳定索拉力,屋盖悬索上铺以木质板。整个

建筑平面近似于椭圆形, 中心设溜冰场, 可以容纳3000人。

文献检索：

[1]体育建筑设计与研究建设部科技情报研究所年月

[2]建筑结构方案及造型设计宋秉泽主编天津大学内部资料卿年

[3]刘锡良等编平板网架设计北京中国建筑工业出版社为年月

8

《信息检索与利用》课程综合大作业

[4]黄仕熊，薄壳建筑结构在园林建筑中的展望

[5]吴福成，中国空间结构建筑的发展趋势和变化

[5]曹资，国际空间结构现状浅述

[6]董石麟，空间结构的发展历史、创新、形式分类与实践应用

[7]尹德钰．刘善维．钱若军．网壳结构设计[M]．中国建筑工

业出版社．1996．

[8]沈祖炎．陈扬骥 网架与网壳『M1．同济大学出版社、1997．

[9]董石麟 姚谏．网壳结构的未来与展望Ⅱ】．空间结构，NO．1．

1994．

[10]袁行飞;董石麟索穹顶结构的新形式及其初始预应力确定[期刊论文]-工程

力学 2005(02)

[11]王振华索穹顶与单层网壳组合的新型空间结构理论分析与试验研究 2009

[12]傅学怡;顾磊;赵阳国家游泳中心水立方结构设计 2009

9