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
(1)自重輕。這是空間結(jié)構(gòu)最主要的優(yōu)點,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)造價低。輕質(zhì)高強材料的采用以及大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn),使其造價較低。
(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??臻g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。
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,進一步推動了空間網(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)計思想,結(jié)構(gòu)在運輸時處于折疊狀態(tài)以提高運輸效率,在工作時處于展開狀態(tài)以實現(xiàn)建筑功能。1970年,日本大阪世博會中采用了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu),并實現(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、奧運會等重大國際活動的場館建設(shè)中,如1992巴塞羅那奧運會主場館東京國立競技場、2020年東京奧運會主場館東京國立競技場和2020年迪拜世博會阿爾瓦斯?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)進入了快速發(fā)展期。一方面,改革開放帶來了中國經(jīng)濟騰飛,為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了經(jīng)濟基礎(chǔ);另一方面,結(jié)構(gòu)計算理論逐漸成熟,網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工、驗收、節(jié)點構(gòu)造等各類規(guī)范相繼問世,MSTCAD等輔助設(shè)計軟件推廣應(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年亞運會場的13個新建大型場館中有11個都采用了空間網(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、儲煤結(jié)構(gòu)、機庫、機場航站樓、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,文獻指出,這是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)首次用于有重級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工廠采用了正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu),面積達到15.7萬m2。
2儲煤結(jié)構(gòu)
煤是工業(yè)的主要動力來源之一,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煤結(jié)構(gòu)。為保證儲煤結(jié)構(gòu)中長臂堆煤、挖煤機械的正常工作,儲煤結(jié)構(gòu)通常體現(xiàn)出大跨度、大面積、大空間的特點?!洞罂缍葍γ航Y(jié)構(gòu)—設(shè)計與施工》一書中統(tǒng)計了2006年以前的國內(nèi)儲煤結(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),尺寸達到108m×150m。近年來,儲煤結(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到了229m。
3機庫
機庫需要足夠飛機停放的大跨度、大空間,也需要一定的承載能力來承受飛機維修過程中設(shè)備帶來的荷載。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是機庫中最常用的結(jié)構(gòu)形式,為提高承載能力,機庫結(jié)構(gòu)的建設(shè)也伴隨著對傳統(tǒng)雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的改進和創(chuàng)新。如建成于1996年的北京首都機場四機位機庫采用三層網(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場南航機庫,采用W型桁架+網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系,大門開口邊跨度達到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)性建筑和對外交流的窗口,在滿足大跨度、大面域的建筑功能的同時,還常通過自由曲面構(gòu)造豐富的建筑造型。我國首個采用空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的機場航站樓是建成于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,總建筑面積達到143萬m2。
5鐵路站房
為滿足鐵路站房的大量人員流動功能需求,鐵路站房通常呈現(xiàn)出大跨度、大面積的特點。建成于2009年的武漢站是我國第一個高鐵站房,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年北京亞運會以來,我國舉辦了大量有影響力的體育賽事和大型活動,對大型場館的建設(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、施工和應(yīng)用和人才培養(yǎng)體系,成為了名副其實的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)大國。
空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)已經(jīng)相對成熟,也仍有可以進一步思考的方向。結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,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,可以進一步推進網(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)計和能源設(shè)計,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)工程新進展論壇》特邀報告文集)