摘要：大跨空間結構是目前發(fā)展最快的結構類(lèi)型。大跨度建筑及作為其核心的空間結構技術(shù)的發(fā)展狀況是代表一個(gè)國家建筑科技水平的重要標志之一。本文就空間網(wǎng)格結構和張力結構兩大類(lèi)介紹了國內外（但主要是國外）空間結構的發(fā)展現狀和前景。對這一領(lǐng)域幾個(gè)重要理論問(wèn)題，包括空間結構的形態(tài)分析理論、大跨柔性屬蓋的動(dòng)力風(fēng)效應、網(wǎng)殼結構的穩定性和抗震性能等問(wèn)題的研究提出了看法。

　　一、概述

　　在這實(shí)際的三維世界里，任何結構物本質(zhì)上都是空間性質(zhì)的，只不過(guò)出于簡(jiǎn)化設計和建造的目的，人們在許多場(chǎng)合把它們分解成一片片平面結構來(lái)進(jìn)行構造和計算。與此同時(shí)，無(wú)法進(jìn)行簡(jiǎn)單分解的真正意義上的空間體系也始終沒(méi)有停止其自身的發(fā)展，而且日益顯示出一般平面結構無(wú)法比擬的豐富多彩和創(chuàng )造潛力，體現出大自然的美麗和神奇�？臻g結構的卓越工作性能不僅僅表現在三維受力，而且還由于它們通過(guò)合理的曲面形體來(lái)有效抵抗外荷載的作用。當跨度增大時(shí)，空間結構就愈能顯示出它們優(yōu)異的技術(shù)經(jīng)濟性能。事實(shí)上，當跨度達到一定程度后，一般平面結構往往已難于成為合理的選擇。從國內外工程實(shí)踐來(lái)看，大跨度建筑多數采用各種形式的空間結構體系。

　　近二十余年來(lái)，各種類(lèi)型的大跨空間結構在美、日、歐等發(fā)達國家發(fā)展很快。建筑物的跨度和規模越來(lái)越大，目前，尺度達150m以上的超大規模建筑已非個(gè)別；結構形式豐富多彩，采用了許多新材料和新技術(shù)，發(fā)展了許多新的空間結構形式。例如1975年建成的美國新奧爾良“超級穹頂”（Superdome），直徑207m，長(cháng)期被認為是世界上最大的球面網(wǎng)殼；現在這一地位已被1993年建成夏徑為222m的日本福岡體育館所取代，但后者更著(zhù)名的特點(diǎn)是它的可開(kāi)合性：它的球形屋蓋由三塊可旋轉的扇形網(wǎng)殼組成，扇形沿圓周導軌移動(dòng)，體育館即可呈全封閉、開(kāi)啟1／3或開(kāi)啟2／3等不同狀態(tài)。1983年建成的加拿大卡爾加里體育館采用雙曲拋物面索網(wǎng)屋蓋，其圓形平面直徑135m，它是為1988年冬季奧運會(huì )修建的，外形極為美觀(guān)，迄今仍是世界上最大的索網(wǎng)結構。70年代以來(lái)，由于結構使用織物材料的改進(jìn)，膜結構或索-膜結構（用索加強的膜結構）獲得了發(fā)展，美國建造了許多規模很大的氣承式索-膜結構；1988年?yáng)|京建成的“后樂(lè )園”棒球館，也采用這種結構技術(shù)尤為先進(jìn)，其近似圓形平面的直徑為204m；美國亞特蘭大為1996年奧運會(huì )修建的“佐治亞穹頂”（Geogia Dome，1992年建成）采用新穎的整體張拉式索一膜結構，其準橢圓形平面的輪廓尺寸達192mX241m.許多宏偉而富有特色的大跨度建筑已成為當地的象征性標志和著(zhù)名的人文景觀(guān)。

　　由于經(jīng)濟和文化發(fā)展的需要，人們還在不斷追求覆蓋更大的空間，例如有人設想將整個(gè)街區、整個(gè)廣場(chǎng)、甚至整個(gè)山谷覆蓋起來(lái)形成一個(gè)可人工控制氣候的人聚環(huán)境或休閑環(huán)境；為了發(fā)掘和保護古代陵墓和重要古跡，也有人設想采用超大跨度結構物將其覆蓋起來(lái)形成封閉的環(huán)境。目前某些發(fā)達國家正在進(jìn)行尺度為300m以上的超大跨度空間結構的設計方案探討。

　　可以這樣說(shuō)，大跨空間結構是最近三十多年來(lái)發(fā)展最快的結構形式。國際《空間結構》雜志主編馬考夫斯基（Z.S.Makowski）說(shuō)：在60年代“空間結構還被認為是一種興趣但仍屬陌生的非傳統結構，然而今天已被全世界廣泛接受�！睆慕裉靵�(lái)看，大跨度和超大跨度建筑物及作為其核心的空間結構技術(shù)的發(fā)展狀況已成為代表一個(gè)國家建筑科技水平的重要標志之一。

　　世界各國為大跨度空間結構的發(fā)展投入了大量的研究經(jīng)費。例如，早在20年前美國土木工程學(xué)會(huì )曾組織了為期10年的空間結構研究計劃，投入經(jīng)費1550萬(wàn)美元。同一時(shí)期，西德由斯圖加特大學(xué)主持組織了一個(gè)“大跨度空間結構綜合研究計劃”，每年研究經(jīng)費100萬(wàn)馬克以上。這些研究工作為各國大跨度建筑的蓬勃發(fā)展奠定了堅實(shí)的理論基礎和技術(shù)條件。國際殼體和空間結構學(xué)會(huì )（IASS）每年定期舉行年會(huì )和各種學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，是目前最受歡迎的著(zhù)名學(xué)術(shù)團體之一。

　　我國大跨度空間結構的基礎原來(lái)比較薄弱，但隨著(zhù)國家經(jīng)濟實(shí)力的增強和社會(huì )發(fā)展的需要，近十余年來(lái)也取得了比較迅猛的發(fā)展。工程實(shí)踐的數量較多，空間結構的類(lèi)型和形式逐漸趨向多樣化，相應的理論研究和設計技術(shù)也逐步完善。以北京亞運會(huì )（1990）、哈爾濱冬季亞運會(huì )（1996）、上海八運會(huì )（1997）的許多體育建筑為代表的一系列大跨空間結構——作為我國建筑科技進(jìn)步的某種象征在國內外都取得了一定影響。

　　種種跡象說(shuō)明，我國雖然尚是一個(gè)發(fā)展中國家，但由于國大人多，隨著(zhù)國力的不斷增強，要建造更多更大的體育、休閑、展覽、航空港、機庫等大空間和超大空間建筑物的需求十分旺盛，而且這種需求量在一定程度上可能超過(guò)許多發(fā)達國家。這是我國空間結構領(lǐng)域面臨的巨大機遇。

　　但與國際先進(jìn)水平相比，我國大跨空間結構的發(fā)展仍存在一定差距。主要表現在結構形式還比較拘謹，較少大膽創(chuàng )新之作，說(shuō)明新穎的建筑構思與先進(jìn)的結構創(chuàng )造之間尚缺乏理想的有機結合，尤其是150m以上的超大跨度空間結構的工程實(shí)踐還比較少；結構類(lèi)型相對地集中于網(wǎng)架和網(wǎng)殼結構，懸索結構用得比較少，而一些有巨大前景的新穎結構形式如膜結構和索-膜結構、整體張拉結構、可開(kāi)合結構等在國外已有不少成功的工程實(shí)踐，在我國則還處于空白或艱難起步階段。情況看來(lái)是，我國空間結構的發(fā)展經(jīng)過(guò)十余年來(lái)在較為平坦的草原上的馳騁之后，似乎遇上了一個(gè)需要努力躍上的新臺階。這一新臺階包含材料和生產(chǎn)條件等技術(shù)問(wèn)題，也包含尚未很好解決的一些理論問(wèn)題。為促進(jìn)我國空間結構進(jìn)一步的更高層次的發(fā)展，有待科技工作者和企業(yè)家努力創(chuàng )造條件，以求得這些技術(shù)問(wèn)題和理論問(wèn)題較快較好地解決。

　　大跨空間結構的類(lèi)型和形式十分豐富多彩，習慣上分為如下這些類(lèi)型：鋼筋混凝土薄殼結構；平板網(wǎng)架結構；網(wǎng)殼結構；懸索結構；膜結構和索－膜結構；近年來(lái)國外用的較多的“索穹頂”（Cable Dome）實(shí)際上也是一種特殊形式的索－膜結構；混合結構（Hybrid Structure），通常是柔性構件和剛性構件的聯(lián)合應用。

　　在上述各種空間結構類(lèi)型中，鋼筋混凝土薄壁結構在50年代后期及60年代前期在我國有所發(fā)展，當時(shí)建造過(guò)一些中等跨度的球面殼、柱面殼、雙曲扁殼和扭殼，在理論研究方面還投入過(guò)許多力量，制定了相應的設計規程。但這種結構類(lèi)型日前應用較少，主要原因可能是施工比較費時(shí)費事。平板網(wǎng)架和網(wǎng)殼結構，還包括一些未能單獨歸類(lèi)的特殊形式，如折板式網(wǎng)架結構、多平面型網(wǎng)架結構、多層多跨框架式網(wǎng)架結構等，總起來(lái)可稱(chēng)為空間網(wǎng)格結構。這類(lèi)結構在我國發(fā)展很快，且持續不衰。懸索結構、膜結構和索-膜結構等柔性體系均以張力來(lái)抵抗外荷載的作用，可總稱(chēng)為張力結構。這類(lèi)結構富有發(fā)展前景。下面按這兩個(gè)大類(lèi)簡(jiǎn)要介紹我國空間結構的發(fā)展狀況。

　　二、空間網(wǎng)格結構網(wǎng)殼結構的出現早于平板網(wǎng)架結構。

在國外，傳統的肋環(huán)型穹頂已有一百多年歷史，而第一個(gè)平板網(wǎng)架是1940年在德國建造的（采用Mero體系）。中國第一批具有現代意義的網(wǎng)殼是在50和60年代建造的，但數量不多。當時(shí)柱面網(wǎng)殼大多采用菱形“聯(lián)方”網(wǎng)格體系，1956年建成的天津體育館鋼網(wǎng)殼（跨度52m）和l961年同濟大學(xué)建成的鋼筋混凝土網(wǎng)殼（跨度40m）可作為典型代表。球面網(wǎng)殼則主要采用助環(huán)型體系，1954年建成的重慶人民禮堂半球形穹頂（跨度46.32m）和1967年建成的鄭州體育館圓形鋼屋蓋（跨度64m）習能是僅有的兩個(gè)規模較大的球面網(wǎng)殼。自此以后直到80年代初期，網(wǎng)殼結構在我國沒(méi)有得到進(jìn)一步的發(fā)展。

　　相對而言自第一個(gè)平板網(wǎng)架（上海師范學(xué)院球類(lèi)房，31.5mx40.5m）于1964年建成以來(lái)，網(wǎng)架結構一直保持較好發(fā)展勢頭。1967年建成的首都體育館采用斜放正交網(wǎng)架，其矩形平面尺寸為99mx112m，厚6m，采用型鋼構件，高強螺栓連接，用鋼指標65kg每平米（1kg每平米≈9.8pa）。1973年建成的上海萬(wàn)人體育館采用圓形平面的三向網(wǎng)架凈架110m，厚6m，采用圓鋼管構件和焊接空心球結點(diǎn)，用鋼指標47kg每平米。當時(shí)平板網(wǎng)架在國內還是全新的結構形式，這兩個(gè)網(wǎng)架規模都比較大，即使從今天來(lái)看仍然具有代表性，因而對工程界產(chǎn)生了很大影響。在當時(shí)體育館建設需求的激勵下，國內各高校、研究機構和設計部門(mén)對這種新結構投入了許多力量，專(zhuān)業(yè)的制作和安裝企業(yè)也逐漸成長(cháng)，為這種結構的進(jìn)一步發(fā)展打下了較堅實(shí)的基礎。改革開(kāi)放以來(lái)的十多年里是我國空間結構快速發(fā)展的黃金時(shí)期而平板網(wǎng)架結構就自然地處于捷足先登的優(yōu)先地位。甚至80年代后期北京為迎接1990年亞運會(huì )興建的一批體育建筑中，多數仍采用平板網(wǎng)架結構。在這一時(shí)期，網(wǎng)架結構的設計已普遍采用計算機，生產(chǎn)技術(shù)也獲得很大進(jìn)步，開(kāi)始廣泛采用裝配式的螺栓球結點(diǎn)，大大加快了網(wǎng)架的安裝。

　　但事物總是存在兩個(gè)方面。在平板網(wǎng)架結構一枝獨秀地加快發(fā)展的同時(shí)，隨著(zhù)經(jīng)濟和文化建設需求的擴大和人們對建筑欣賞品位的提高，在設計日益增多的各式各樣大跨度建筑時(shí)，設計者越來(lái)越感覺(jué)到結構形式的選擇余地有限，無(wú)法滿(mǎn)足日益發(fā)展的對建筑功能和建筑造型多樣化的要求。這種現實(shí)需求對網(wǎng)殼結構、懸索結構等多種空間結構形式的發(fā)展起了良好的刺激作用。由于網(wǎng)殼結構與網(wǎng)架結構的生產(chǎn)條件相同，國內已具備現成的基礎，因而從80年代后半期起，當相應的理論儲備和設計軟件等條件初步完備，網(wǎng)殼結構就開(kāi)始了在新的條件下的快速發(fā)展。建造數量逐年增加，各種形式的網(wǎng)殼，包括球面網(wǎng)殼、柱面網(wǎng)殼、鞍形網(wǎng)殼（或扭網(wǎng)殼）、雙曲扁網(wǎng)殼和各種異形網(wǎng)殼，以及上述各種網(wǎng)殼的組合形式均得到了應用；還開(kāi)發(fā)了預應力網(wǎng)受、斜拉網(wǎng)殼（用斜拉索加強網(wǎng)殼）等新的結構體系。近幾年來(lái)建造了一些規模相當宏大的網(wǎng)殼結構。例如1994年建成的天津體育館采用肋環(huán)斜桿型（Schwedler型）雙層球面網(wǎng)殼，其圓形平面凈跨108m，周邊伸出13.5m，網(wǎng)殼厚度3m，采用圓鋼管構件和焊接空心球結點(diǎn)，用鋼指標55kg每平米。1995年建成的黑龍江省速滑館用以覆蓋400m速滑跑道，其巨大的雙層網(wǎng)殼結構由中央柱面殼部分和兩端半球殼部分組成，輪廓尺寸86.2mx191.2m，覆蓋面積達15000平米，網(wǎng)殼厚度2.1m，采用圓鋼管構件和螺栓球結點(diǎn)，用鋼指標50kg每平米。1997年剛建成的長(cháng)春萬(wàn)人體育館平面呈桃核形，由肋環(huán)型球面網(wǎng)殼切去中央條形部分再拼合而成，體型巨大，如果將外伸支腿計算在內，輪廓尺寸達146mx191.7m，網(wǎng)殼厚度2.8m，其桁架式“網(wǎng)片”的上、下弦和腹桿一律采用方（矩形）鋼管，焊接連接，是我國第一個(gè)方鋼管網(wǎng)殼。這一網(wǎng)殼結構的設計方案是由國外提出的，施工圖設計和制作安裝由國內完成。

　　在網(wǎng)殼結構的應用日益擴大的同時(shí)，平板網(wǎng)架結構并未停止其自身的發(fā)展。這種目前來(lái)看已比較簡(jiǎn)單的結構有它自己廣泛的使用范圍，跨度不拘大��；而已近幾年在一些重要領(lǐng)域擴大了應用范圍。例如在機場(chǎng)維修機庫方面，廣州白云機場(chǎng)80m機庫（199年）、成都機場(chǎng)140m機庫（1995年）、首都機場(chǎng)2Zmx150m機庫（1996年）等大型機庫都采用平板網(wǎng)架結構。這些三邊支承的平板網(wǎng)架規模巨大，且需承受較重的懸掛荷載，常采用較重型的焊接型鋼（或鋼管）結構，有時(shí)需采用三層網(wǎng)架；其單位面積用鋼指標可達到一般公用建筑所用網(wǎng)架的一倍或更多。單層工業(yè)廠(chǎng)房也是近幾年來(lái)平板網(wǎng)架獲得迅速發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。為便于靈活安排生產(chǎn)工藝，廠(chǎng)房的柱網(wǎng)尺寸有日益擴大的趨向，這時(shí)平板網(wǎng)架結構就成為十分經(jīng)濟適用的理想結構方案。1991年建成的第一汽車(chē)制造廠(chǎng)高爾夫轎車(chē)安裝車(chē)間面積近8萬(wàn)平米（189.2mx421.6m），柱網(wǎng)21mx12m，采用焊接球結點(diǎn)網(wǎng)架，用鋼指標31kg每平米。該廠(chǎng)房是目前世界上面積最大的平板網(wǎng)架結構。1992年建成的天津無(wú)縫鋼管廠(chǎng)加工車(chē)間面積為6萬(wàn)平米（108m x 564m），柱網(wǎng)36m x 18m，采用螺栓球結點(diǎn)網(wǎng)架，用鋼指標32kg每平米，與傳統的平面鋼桁架方案比較，節省了47％。鑒于這類(lèi)廠(chǎng)房的巨大圓積，它們確實(shí)為平板網(wǎng)架結構的發(fā)展提供了廣闊的新領(lǐng)域。十分明顯，包括網(wǎng)架和網(wǎng)殼在內的空間網(wǎng)格結構是我國近十余年來(lái)發(fā)展最快，應用最廣的空間結構類(lèi)型。這類(lèi)結構體系整體剛度好，技術(shù)經(jīng)濟指標優(yōu)越，可提供豐富的建筑造型，因而受到建設者和設計者的喜愛(ài)。我國網(wǎng)架企業(yè)的蓬勃發(fā)展也為這類(lèi)結構提供了方便的生產(chǎn)條件。據估計，近幾年我國每年建造的網(wǎng)架和網(wǎng)殼結構達800萬(wàn)平方米建筑面積，相應鋼材用量約20萬(wàn)t.這么大的數字是任何其它國家無(wú)法比擬的，無(wú)愧于“網(wǎng)架王國”這一稱(chēng)號，難怪國外有關(guān)企業(yè)對這一巨大市場(chǎng)垂涎欲滴。

　　如此大的發(fā)展勢頭自然也會(huì )帶采一些問(wèn)題。與國際水平相比，我國目前網(wǎng)架生產(chǎn)的工藝水平和質(zhì)量管理水平尚有一定距離。尤其是在市場(chǎng)需求帶動(dòng)下，大量小型網(wǎng)架企業(yè)雨后春筍般成立起來(lái)，難免良莠不齊，設計也非總由有經(jīng)驗人士擔任。因而大力加強行業(yè)管理，切實(shí)把握住設計制作和安裝質(zhì)量，是促進(jìn)我國空間結構進(jìn)一步健康發(fā)展的重要課題。

　　三、張力結構

　　中國現代懸索結構的發(fā)展始于50年代后期和60年代，北京的工人體育館和杭州的浙江人民體育館是當時(shí)的兩個(gè)代表作。北京工人體育館建成于1961年，其圓形屋蓋采用車(chē)輻式雙層懸索體系，直徑達94m.浙江人民體育館建成于1967年，其屋蓋為橢圓平面，長(cháng)徑80m，短徑60m.采用雙曲拋物面正交索網(wǎng)結構。

　　世界上最早的現代懸索屋蓋是美國于1953年建成的Raleigh體育館，采用以?xún)蓚�(gè)斜放的拋物線(xiàn)拱為邊緣構件的鞍形正交索網(wǎng)。我國建造的上述兩個(gè)懸索結構無(wú)論從規模大小或技術(shù)水平來(lái)看在當時(shí)都可以說(shuō)是達到國際上較先進(jìn)水平的。但此后我國懸索結構的發(fā)展停頓了較長(cháng)一段時(shí)間，一直到80年代，由于大跨度建筑的發(fā)展而提出的對空間結構形式多樣化的要求，這種形式豐富的輕型結構重新引起了人們的熱情，工程實(shí)踐的數量有較大增長(cháng)，應用形式趨于多樣化理論研究也相應地開(kāi)展起來(lái)形勢相當喜人。

　　柔性的懸索在自然狀態(tài)下不僅沒(méi)有剛度，其形狀也是不確定的。必須采用敷設重屋面或施加預應力等措施，才能賦予一定的形狀，成為在外荷作用下具有必要剛度和形狀穩定性的結構。值得稱(chēng)道的是，我國的科技人員在學(xué)習和吸收國外先進(jìn)經(jīng)驗的同時(shí)，在結合工程具體條件創(chuàng )造更加符合中國國情的結構應用形式方面做了不少?lài)L試和創(chuàng )新。

　　例如，山東省淄博等地把懸索結構應用于中小型屋蓋結構中，頗具特色。他們主要采用單層平行索系或傘形輻射索系加鋼筋混凝土屋面板的構造方式。施工時(shí)先將屋面板掛在索上（使索正好位于板縫中），在板上臨時(shí)加載使索伸長(cháng)，然后在板縫中澆灌細石混凝土，待達到一定強度后卸去臨時(shí)荷載，即形成具有一定預應力的“懸掛薄殼”。這種構造和施工方法不需要復雜的技術(shù)和設備，造價(jià)也比較低。

　　為了提高單層懸索的形狀穩定性，在單層平行索系上設置橫向加勁梁（或桁架）的辦法也是十分有效的。橫向加勁構件的作用有二：一是傳遞可能的集中荷載和局部荷載使之更均勻地分配到各根平行的索上；二是通過(guò)下壓橫向加勁構件的兩端到預定位置或通過(guò)對索進(jìn)行張拉使整個(gè)體系建立預應力，從而提高屋蓋的剛度。從安徽體育館等幾個(gè)工程的實(shí)踐來(lái)看這種混合結構體系施工方便，用料經(jīng)濟，是一種成功的創(chuàng )造。

　　由一系列承重索和曲率相反的穩定索組成的預應力雙層索系，是解決懸索結構形狀穩定性的另一種有效形式。其工作機理與預應力索網(wǎng)有類(lèi)似之處。1966年瑞典工程師Jawerth首先在斯德哥爾摩滑冰館采用由一對承重索和穩定索組成被稱(chēng)為“索桁架”的專(zhuān)利體系，其后這種平面雙層索系在各國獲得相當廣泛剛用。我國無(wú)錫體育館也采用了這種體系。作為對這種體系的改進(jìn)，吉林滑冰館采用了一種新型的空間雙層索系，它的承重索與穩定索在不同一陣平面內，而是錯開(kāi)半個(gè)柱距，從而創(chuàng )造了新穎的建筑造型，而且很好地解決了矩形平面懸索屋蓋通常遇到的屋面排水問(wèn)題。這一新穎結構參加了1987年在美國舉行的國際先進(jìn)結構展覽。

　　我國懸索結構發(fā)展的另一個(gè)特點(diǎn)是在許多工程中運用了各種組合手段。主要的方式是將兩個(gè)以上預應力索網(wǎng)或其它懸索體系組合起來(lái)，并設置強大的拱或剛架等結構作為中間支承，形成各種形式的組合屋蓋結構。例如四川省體育館和青島市體育館的屋蓋是由兩片索網(wǎng)和作為中間支承的一對鋼筋混凝土拱組合起來(lái)的。北京朝陽(yáng)體育館由兩片索網(wǎng)和被稱(chēng)為“索拱體系”的中央支承結構組成。中央索拱體系由兩條懸索和兩個(gè)鋼拱組成，本身是一種混合結構，其概念也具有創(chuàng )新意義。采用各種組合式屋蓋不僅進(jìn)一步豐富了建筑造型，而且往往能更好地滿(mǎn)足某些建筑功能上的要求，例如為體育館建筑提供了“最優(yōu)”的內部空間。單純從技術(shù)經(jīng)濟角度，單片索網(wǎng)或其它懸索體系可以經(jīng)濟地跨越很大的跨度，本非必須采用中間支承結構。所以，采用組合式屋蓋在很多場(chǎng)合毋寧說(shuō)主要是出于建筑造型和使用功能方面的考慮。從我國這幾年的實(shí)踐效果來(lái)看，它在這方面是起到了預期作用的。

　　將斜拉體系引用到屋蓋結構中來(lái)，可形成一系列混合結構形式。這種體系利用由塔柱頂端伸出的斜拉索為屋蓋的橫跨結構（主梁、桁架、平板網(wǎng)架等）提供了一系列中間彈性支承，使這些橫跨結構不需靠增大結構高度和構件截面即能跨越很大的跨度。前面提到的斜拉網(wǎng)殼也屬于這類(lèi)混合結構。

　　盡管十余年來(lái)懸索結構取得了可喜的發(fā)展，但與網(wǎng)架和網(wǎng)殼結構比較其發(fā)展相對較慢，分析起來(lái)可能有兩方面的原因：

（1）懸索結構的設計計算理論相對復雜一些，又缺少具有較高商品化程度的實(shí)用計算程序，因而難于為一般設計單位普遇采用；

（2）盡管懸索結構的施工并不復雜，但一般施工單位對它不夠熟悉，更沒(méi)有形成專(zhuān)業(yè)的懸索結構施工隊伍，這也影響建設單位和設計單位大膽采用這種結構形式。

　　與此同時(shí)，同屬于張力結構體系、在國外應用很廣的膜結構或索-膜結構在我國則處于艱難起步階段。除了設計理論儲備和生產(chǎn)條件方面的原因外，缺少符合建筑要求的國產(chǎn)膜材是一個(gè)主要的制約因素。從國外情況看，1970年大阪萬(wàn)國博覽會(huì )上的美國館采用氣承式膜結構（俗稱(chēng)充氣結構），首次使用以聚氯乙烯（PVC）為涂層的玻璃纖維織物，受到廣泛注意，其準橢圓平面的軸線(xiàn)尺寸達14Om x 835m，一般認為是第一個(gè)現代意義的大跨度膜結構。70年代初杜邦公司開(kāi)發(fā)出以聚四氟乙烯（PTFE，商品名稱(chēng)Teflon）為涂層的玻璃纖維織物，這種膜材強度高，耐火性、自潔性和耐久性均好，為膜結構的應用起到了積極推動(dòng)作用。從那時(shí)起到1984年，美國建造了一批尺度為138m-235m的體育館，均采用氣承式索-膜結構，取得了極佳的技術(shù)經(jīng)濟效果。但這種結構體系也出現了一些問(wèn)題，主要是田于意外漏氣或氣壓控制系統不穩定而使屋面下癟，或由于暴風(fēng)雪天氣在屋面形成局部雪兜而熱空氣融雪系統又效能不足導致屋面下癟甚至事故。這些問(wèn)題使人們對氣承式膜結構的前途產(chǎn)生懷疑，美國自1985年以后在建造大型體育館時(shí)沒(méi)有再使用這種結構形式。們把更多的注意力轉到張拉式的膜結構或索-膜結構。但如前面所提，日本在1988年建成的東京后樂(lè )園棒球館仍然采用氣承式-膜結構，不過(guò)應用了極為先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)，而且采用雙層膜結構，中間可通熱空氣融雪；中央計算機自動(dòng)監測風(fēng)速、雪壓、室內氣壓、膜和索的變形及內力，并自動(dòng)選擇最佳方法來(lái)控制室內氣壓和消除積雪。

　　張拉式膜（或索-膜）結構自80年代以來(lái)在發(fā)達國家獲得極大發(fā)展。這種體系與索網(wǎng)結構類(lèi)似，張緊在剛性或柔性邊緣構件上，或通過(guò)特殊構造支承在若干獨立支點(diǎn)上，通過(guò)張拉建立預應力，并獲得確定形狀。1985年建成的沙特阿拉伯利雅得體育場(chǎng)外徑288m，其看臺挑蓬由24個(gè)連在一起的形狀相同的單支柱帳篷式膜結構單元組成。每個(gè)單元懸掛于中央支柱，外緣通過(guò)邊緣索張緊在若干獨立的錨固裝置上，內緣則蹦緊在直徑為133m的中央環(huán)索上。1993年建成的美國丹佛國際機場(chǎng)候機大廳采用完全封閉的張拉式膜結構平面尺寸305mx67m，由17個(gè)連成一排的雙支柱帳篷式單元組成，每個(gè)長(cháng)條形的單元由相距45.7m的兩根支柱撐起。這兩個(gè)工程是比較典型的大型張拉式膜結構的例子。另外還有一類(lèi)骨架支承式膜結構。例如日本秋田縣的“天穹”（Sky dome）是一個(gè)切去兩邊的球面穹頂（D=130m），其主要承重結構是一系列平行的格構式鋼拱架，蒙以膜材后，用設在兩拱中間的鋼索向下拉緊，并在屋面上形成V形排水（雪）溝槽。這種骨架是支承式膜結構的例子也是很多的。然而由美國工程師Geiger根據Fuller的張拉集合體（Tensegrity）概念發(fā)展起來(lái)的所謂“索穹頂”（Cable Dome），也許是近10年來(lái)最為膾炙人口的一種新穎張拉體系。Tensegrity原是指由連續的拉桿與分散的壓桿組成的自平衡體系，其指導思想是充分發(fā)揮桿件的受拉作用。然而嚴格意義上的Tensegrity體系未能在工程中實(shí)現。Geiger進(jìn)行了適當改造，提出了支承在圓形剛件周邊構件上的預應力拉索-壓桿體系，索沿輻射方向布置，并利用膜材作為屋面，他稱(chēng)之為“索穹頂”，并首先用于1988年漢城奧運會(huì )的兩個(gè)體育館工程。美國的Levy進(jìn)一步發(fā)展這種體系，改用聯(lián)方形拉索網(wǎng)格，使屋面膜單元呈菱形的雙曲拋物面形狀，并用于1996年亞特蘭大奧運會(huì )體育館，其平面呈準橢圓形，尺寸達24lmx192m.這類(lèi)張拉式索-壓桿-膜體系，重量極輕，安裝方便，在大跨度和超大跨度建筑中極具應用前景。

　　與世界先進(jìn)水平相比，中國在膜結構方面的差距是十分明顯的。幾年來(lái)在理論研究方面做了不少工作，應該說(shuō)已建立起一定的理論儲備。在膜結構應用方面近年來(lái)也開(kāi)始呈現比較活潑的勢頭。上海為迎接八運會(huì )于1997年建成的體育場(chǎng)其看臺挑篷采用鋼骨架支承的膜結構，總覆蓋面積36100平米，是我國首次在大型建筑上采用膜結構；但所用膜材是進(jìn)口的，施工安裝也由外國公司進(jìn)行，價(jià)格較昂貴。值得指出的是，中國已出現了專(zhuān)門(mén)從事膜結構制作與安裝的企業(yè)，他們已興建了幾個(gè)較小型的膜結構。國產(chǎn)膜材的質(zhì)量也正在改進(jìn)。各種跡象表明，膜結構這一族富有潛力的大跨空間結構新成員在我國的發(fā)展已露出桅尖。

　　四、理論研究

　�。�1）空間結構的應用是同相應的理論研究同步發(fā)展的。

應該說(shuō)我們在空間結構理論研究大面做了許多工作。主要研究?jì)热萜�重于靜力作用下的結構性狀和分析方法，以滿(mǎn)足一般設計工作的要求為主要目標。這些研究為我國空間結構的發(fā)展提供了基本的理論支持。早期的工作偏重于以連續化理論為基礎的各種解析方法的研究，例如平板網(wǎng)架的擬板解法、網(wǎng)殼的擬殼解法；懸索結構在荷載作用下要產(chǎn)生較大位移，因而計算中應考慮幾何非線(xiàn)性，當時(shí)發(fā)展了一系列適用于不同形式懸索結構的考慮大位移的解析方法。在一段時(shí)期內，當計算機尚未廣泛運用于結構計算以前，各種解析方法曾對空間結構的發(fā)展起過(guò)重要作用，但解析方法終究有其局限性，它們具有不同程度的近似性，而且往往僅適用于某些特定的結構形式。

　　計算機的普及和有限元分析方法的廣泛運用為空間結構的加速發(fā)展創(chuàng )造了真正的條件。許多大型的和特殊形式的新穎空間結構只能用計算機程序進(jìn)行分析。我國從80年代開(kāi)始陸續編制出適用于不同空間結構的各種計算機分析程序和CAD軟件，且功能日益完備�，F在我們設計空間結構幾乎全部依靠計算機。事實(shí)上，當設計由成千桿件和結點(diǎn)組成的大型空間網(wǎng)格結構，尤其是當采用螺栓球結點(diǎn)時(shí)，離開(kāi)適用的CAD軟件是無(wú)法想象的。但也應當指出，對某些形式的懸索結構來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單實(shí)用的解析方法仍然有意義；對于像雙層索系等比較簡(jiǎn)單的體系，解析力法已完全可以提供準確而完整的計算結果。例如，吉林滑冰館的大型懸索屋蓋設計是由簡(jiǎn)單的手籌來(lái)完成的。

　　十余年來(lái)關(guān)于空間結構研究的一個(gè)特點(diǎn)是做了大量的試驗。這是我國結構研究領(lǐng)域的一個(gè)優(yōu)良傳統。80年代乃至90年代初期建造的幾乎每一個(gè)有代表性的大型空間結構，都作過(guò)模型試驗或現場(chǎng)實(shí)測。這些試驗研究同理論分析工作一起，以及它們之間的相互印證，使我們對原來(lái)可能比較生疏的各種新穎空間結構的基本性能了解得越來(lái)越全面，為設計這些結構積累起比較豐富的理論儲備。

　�。�2）除了關(guān)于各種類(lèi)型空間結構的基本性狀和計算方法的研究以外，一些更為基礎性的理論研究也受到了重視，例如關(guān)于網(wǎng)殼穩定性的研究已取得許多重要成果。

　　穩定性是網(wǎng)殼結構、尤其是單層網(wǎng)殼結構設計中的關(guān)鍵問(wèn)題，也是國內外十多年來(lái)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。結構的穩定性能可以從其荷載-位移全過(guò)程曲線(xiàn)中得到完整的概念；這種全過(guò)程曲線(xiàn)要由較精確的非線(xiàn)性分析得出。從非線(xiàn)性分析的角度來(lái)考察，結構的穩定問(wèn)題和強度問(wèn)題是相互聯(lián)系在一起的。結構的荷載-位移全過(guò)程曲線(xiàn)可以把結構的強度、穩定性以至于剛度的整個(gè)變化歷程表示得清清楚楚。當考察創(chuàng )始缺陷和荷載分布方式等因素對實(shí)際網(wǎng)殼結構穩定性能的影響時(shí)，也均可從全過(guò)程曲線(xiàn)的規律性變化中進(jìn)行研究。

　　但是當利用計算機對具有大量自由度的復雜體系進(jìn)行有效的非線(xiàn)性有限元分析尚未能允分實(shí)現的時(shí)候，要進(jìn)行網(wǎng)殼結構的全過(guò)程分析是十分困難的。在較長(cháng)一段時(shí)期內，人們不得不求助于連續化理論（“擬殼法”）將網(wǎng)殼轉化為連續殼體結構，然后通過(guò)某些近似的非線(xiàn)性解析方法來(lái)求出殼體結構的穩定性承載力。這種方法顯然有較大局限性：連續化殼體穩定性理論本身并未完善，事實(shí)上僅對少數特定的殼體（例如球面殼）才能得出較實(shí)用的公式；此外，所討論的殼體一般是等厚度的和各向同性的，無(wú)法反映實(shí)際網(wǎng)殼結構的不均勻構造和各向異性的特點(diǎn)。因此，在許多重要場(chǎng)合還必須依靠細致的模型試驗來(lái)測定穩定性承載力，講與可能的計算結果相互印證。

　　隨著(zhù)計算機的發(fā)展和廣泛應用，非線(xiàn)性有限元分析方法興起，并逐漸成為結構穩定性分析中的有力工具。我國從80年代后期開(kāi)始也積極開(kāi)展以非線(xiàn)性全過(guò)程分析為基礎的網(wǎng)殼穩定性研究。在總結國外已取得成果的基礎上，在理論表達式的精確化、合理選用平衡路徑跟蹤的計算方法、靈活的迭代策略等方面進(jìn)行了深入細致的探索，使具有大量自由度的復雜結構體系的全過(guò)程分析成為可能；并編制出相應的分析程序。此外，在研究初始缺陷對網(wǎng)殼穩定性的影響時(shí)，對所提出的“一致缺陷模態(tài)祛”（即認為初始缺陷按最低屈曲模態(tài)分布時(shí)可能具有最不利影響）的合理性和有效性進(jìn)行了仔細論證，并使之規范化。

　　在上述理論成果的基礎上，采用大規模參數分析的方法，進(jìn)行了網(wǎng)殼穩定性分所實(shí)用方法的研究。即結合不同類(lèi)型的網(wǎng)殼結構，在其基本參數（幾何參數、構造參數、荷載參數等）的常用變化范圍內，進(jìn)行大規模的實(shí)際結構全過(guò)程分析，對所得結果進(jìn)行統計分析和歸納，考察網(wǎng)殼穩定性的變化規律，最后通過(guò)回歸分析提出網(wǎng)殼穩定性驗算的實(shí)用公式。近幾年來(lái)，共計對2800余例各種形式的實(shí)際尺寸網(wǎng)殼結構進(jìn)行了全過(guò)程分析，得到了相當規律性的結果。所提出的實(shí)用公式用起來(lái)比較簡(jiǎn)便，然而是建立在精確分析方法的基礎之上的。這一工作很受廣大設計部門(mén)歡迎。這些公式已列入正在編制的“網(wǎng)殼結構技術(shù)規程”（征求意見(jiàn)稿）。應該說(shuō)，我國關(guān)于網(wǎng)殼穩定性的研究是相當深入和細致的。

　�。�3）相對來(lái)說(shuō)，國內外關(guān)于網(wǎng)殼結構在風(fēng)和地震荷載作用下的反應研究得較少。作者個(gè)人認為，對網(wǎng)殼結構來(lái)說(shuō)，風(fēng)荷載的動(dòng)力作用可能不是設計中的主要問(wèn)題，但隨著(zhù)網(wǎng)殼尺度的增大，深入研究其抗地震性能則具有重要意義。在抗震領(lǐng)域，對高層和高聳結構研究得比較透徹；但網(wǎng)殼等大跨結構的動(dòng)力性能具有不同特點(diǎn)，例如其頻率分布比較密集，往往從最低階算起前面數十個(gè)振型都可能對其地震反應有貢獻，因而一般的振型分解法是否適用是一個(gè)值得探討的問(wèn)題，不同方法（包括豎向）的地震作用引起的反應往往是同量級的，因此考慮多維輸入可能是一個(gè)相當重要的問(wèn)題；國外已建的和我國今后將要建的一些超大跨度網(wǎng)殼尺度十分巨大，因而在計算中也許有必要考慮地震動(dòng)力的空間相關(guān)性；此外，單層網(wǎng)殼結構在靜力作用下的穩定性是設計中的重要因素，它們在地震作用下同樣存在動(dòng)力失穩問(wèn)題，其嚴重性如何？對于某些動(dòng)力反應過(guò)大的網(wǎng)殼結構，是否有必要采取適當的振動(dòng)控制措施？諸如此類(lèi)問(wèn)題都是我國學(xué)術(shù)界正在深入思考或已著(zhù)手進(jìn)行研究的問(wèn)題。

　�。�4）具有曲面形狀的空間結構是最充分地利用形狀來(lái)抵抗外力作用的結構形式，所以空間結構的形體設計（或從理掄分析角度稱(chēng)作形態(tài)分析）具有十分重要的意義。對于鋼筋混凝土薄殼和鋼網(wǎng)殼等較剛性的體系，其形態(tài)分析主要涉及結構幾何形狀的優(yōu)化。對索網(wǎng)、膜和索-膜等柔性結構體系，形態(tài)分析具有更基本的意義，因為在一定邊界條件下，柔性體系僅當存在適當預應力時(shí)才具有確定的形狀，且其幾例形狀是隨支承條件和預應力分布形態(tài)而變化的；因而結構設計的首要內容就是所謂的“找形”（Form-finding），借此來(lái)確定形狀-預應力-支承條件這一綜合系統與使用要求之間的優(yōu)化組合�！罢倚巍币话悴捎梅蔷�(xiàn)性有限元分析方法，但理論上遠未定型。英國B(niǎo)arnes等提出的動(dòng)力松弛法和德國Linkwitz等提出的力密度法等近似方法也能成功地應用于一些特定類(lèi)型問(wèn)題。日本半谷近年來(lái)提出形態(tài)分析的概念試圖使空間結構的形體設計理論進(jìn)一步系統化，很有意義。這一理論有待繼續發(fā)展。我國在懸索結構和膜結構的“找形分析”或更確切地說(shuō)“初始平衡狀態(tài)分析”方面作過(guò)不少工作，并編制了一些相應的軟件。今后似應在下列兩方面進(jìn)行更系統的理論研究工作：一方面是在總結現有分析方法的基礎上，建立起統一的形態(tài)分析理論，與計算機圖形學(xué)相結合，系統跟蹤柔性空間結構的成形——受力全過(guò)程并形成相應的軟件；另一方面是在形態(tài)分析理論的基礎上，提出空間結構幾何形狀的優(yōu)化準則和分析方法。

　�。�5）膜結構和索-膜結構等柔性體系自振頻率較低，是風(fēng)敏感性結構，因而研究這類(lèi)結構在風(fēng)作用下的反應及其抗風(fēng)設計方法十分重要。這一課題具有較大理論難度，國內外研究尚少，在許多方面基本上是空白，因而開(kāi)展這一研究尤具重要意義。

　　我們對懸索結構的風(fēng)振問(wèn)題做過(guò)一定研究，針對這種大跨柔性結構頻域寬且頻率分布密集的特點(diǎn)，提出了適用的隨機風(fēng)振反應分析方法；并且，針對懸索結構這種非線(xiàn)性體系，提出了廣義風(fēng)振系數的概念，通過(guò)大規模參數分析，為橢圓形及菱形平面的常用索網(wǎng)結構提出了簡(jiǎn)便的實(shí)用計算方法。還組織過(guò)相應的剛性模型和氣彈模型的風(fēng)洞實(shí)驗。

　　對于不同的結構體系，其風(fēng)振特性也有差別。采用傳統屋面材料的懸索結構整體工作性能相對較好（局部變形較�。�，結構的整體位移對氣流場(chǎng)的改變不大。這類(lèi)結構在風(fēng)作用下的振動(dòng)一般屬于限幅隨機振動(dòng)。膜和索-膜結構具有不同特點(diǎn)，膜既是受力構件又是覆面材料，且質(zhì)輕面薄，結構的局部剛度很小，在風(fēng)作用下，局部膜單元的加速度和速度反應較大，可能對周?chē)�的空氣紊流速度產(chǎn)生影響，導致氣彈反應和顫振。因此在研究膜結構和索-膜結構的風(fēng)振問(wèn)題時(shí)，應對可能的動(dòng)力失穩問(wèn)題進(jìn)行深入的理論分析和風(fēng)洞實(shí)驗研究。

　　作者相信，在做好上面這些理論研究工作以后，將使我國大跨空間結構領(lǐng)域形成較完整的理論體系并進(jìn)入世界先進(jìn)行列，為我國大跨度建筑的進(jìn)一步發(fā)展提供充分的理論支持。

　　參考文獻

　　1、藍天，空間結構的十年——從中國看世界，第六屆空間結構學(xué)術(shù)會(huì )議論文集，廣州，1992 2、Makowski Z S. Space Structure-A Review of Development in Last Decade ，Space Structure IV，London，1993 3、董石麟，姚諫，網(wǎng)殼結構的未來(lái)與展望，空間結構（創(chuàng )刊號），1994 4、沈世釗，中國懸索結構的發(fā)展，工業(yè)建筑，1994（6）

　　5、Shen Shizhao， The development of spatial structures in China （Invited Report）， IASS Asia-Pacific Conference on Shell and Spatial Spatial Structures， Beijing， 1996 6、李中立，吳健生，國外膜結構在大跨度結構中的應用與發(fā)展趨勢，空間結構，1996（3）

　　7、藍天，膜結構的發(fā)展及其在中國的應用前景，第八屆空間結構學(xué)術(shù)會(huì )議論文集，開(kāi)封，1997