【文章內(nèi)容簡介】 或更多。單層工業(yè)廠房也是近幾年來平板網(wǎng)架獲得迅速發(fā)展的一個重要領(lǐng)域。為便于靈活安排生產(chǎn)工藝，廠房的柱網(wǎng)尺寸有日益擴大的趨向，這時平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)就成為十分經(jīng)濟適用的理想結(jié)構(gòu)方案。1991年建成的第一汽車制造廠高爾夫轎車安裝車間面積近8萬平米（），柱網(wǎng)21mx12m,采用焊接球結(jié)點網(wǎng)架，用鋼指標(biāo)31kg每平米。該廠房是目前世界上面積最大的平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。1992年建成的天津無縫鋼管廠加工車間面積為6萬平米（108mx564m），柱網(wǎng)36mx18m,采用螺栓球結(jié)點網(wǎng)架，用鋼指標(biāo)32kg每平米，與傳統(tǒng)的平面鋼桁架方案比較，節(jié)省了47％。鑒于這類廠房的巨大圓積，它們確實為平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(nèi)的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是我國近十余年來發(fā)展最快，應(yīng)用最廣的空間結(jié)構(gòu)類型。這類結(jié)構(gòu)體系整體剛度好，技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)優(yōu)越，可提供豐富的建筑造型，因而受到建設(shè)者和設(shè)計者的喜愛。我國網(wǎng)架企業(yè)的蓬勃發(fā)展也為這類結(jié)構(gòu)提供了方便的生產(chǎn)條件。據(jù)估計，近幾年我國每年建造的網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)達800萬平方米建筑面積，相應(yīng)鋼材用量約20萬t。這么大的數(shù)字是任何其它國家無法比擬的，無愧于“網(wǎng)架王國”這一稱號，難怪國外有關(guān)企業(yè)對這一巨大市場垂涎欲滴。如此大的發(fā)展勢頭自然也會帶采一些問題。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。尤其是在市場需求帶動下，大量小型網(wǎng)架企業(yè)雨后春筍般成立起來，難免良莠不齊，設(shè)計也非總由有經(jīng)驗人士擔(dān)任。因而大力加強行業(yè)管理，切實把握住設(shè)計制作和安裝質(zhì)量，是促進我國空間結(jié)構(gòu)進一步健康發(fā)展的重要課題。三、張力結(jié)構(gòu)中國現(xiàn)代懸索結(jié)構(gòu)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(dāng)時的兩個代表作。北京工人體育館建成于1961年，其圓形屋蓋采用車輻式雙層懸索體系，直徑達94m。浙江人民體育館建成于1967年，其屋蓋為橢圓平面，長徑80m，短徑60m．采用雙曲拋物面正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。世界上最早的現(xiàn)代懸索屋蓋是美國于1953年建成的Raleigh體育館，采用以兩個斜放的拋物線拱為邊緣構(gòu)件的鞍形正交索網(wǎng)。我國建造的上述兩個懸索結(jié)構(gòu)無論從規(guī)模大小或技術(shù)水平來看在當(dāng)時都可以說是達到國際上較先進水平的。但此后我國懸索結(jié)構(gòu)的發(fā)展停頓了較長一段時間，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(jié)構(gòu)形式多樣化的要求，這種形式豐富的輕型結(jié)構(gòu)重新引起了人們的熱情，工程實踐的數(shù)量有較大增長，應(yīng)用形式趨于多樣化理論研究也相應(yīng)地開展起來形勢相當(dāng)喜人。柔性的懸索在自然狀態(tài)下不僅沒有剛度，其形狀也是不確定的。必須采用敷設(shè)重屋面或施加預(yù)應(yīng)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(wěn)定性的結(jié)構(gòu)。值得稱道的是，我國的科技人員在學(xué)習(xí)和吸收國外先進經(jīng)驗的同時，在結(jié)合工程具體條件創(chuàng)造更加符合中國國情的結(jié)構(gòu)應(yīng)用形式方面做了不少嘗試和創(chuàng)新。例如，山東省淄博等地把懸索結(jié)構(gòu)應(yīng)用于中小型屋蓋結(jié)構(gòu)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(gòu)造方式。施工時先將屋面板掛在索上（使索正好位于板縫中），在板上臨時加載使索伸長，然后在板縫中澆灌細(xì)石混凝土，待達到一定強度后卸去臨時荷載，即形成具有一定預(yù)應(yīng)力的“懸掛薄殼”。這種構(gòu)造和施工方法不需要復(fù)雜的技術(shù)和設(shè)備，造價也比較低。為了提高單層懸索的形狀穩(wěn)定性，在單層平行索系上設(shè)置橫向加勁梁（或桁架）的辦法也是十分有效的。橫向加勁構(gòu)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；二是通過下壓橫向加勁構(gòu)件的兩端到預(yù)定位置或通過對索進行張拉使整個體系建立預(yù)應(yīng)力，從而提高屋蓋的剛度。從安徽體育館等幾個工程的實踐來看這種混合結(jié)構(gòu)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(wěn)定索組成的預(yù)應(yīng)力雙層索系，是解決懸索結(jié)構(gòu)形狀穩(wěn)定性的另一種有效形式。其工作機理與預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)有類似之處。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(wěn)定索組成被稱為“索桁架”的專利體系，其后這種平面雙層索系在各國獲得相當(dāng)廣泛剛用。我國無錫體育館也采用了這種體系。作為對這種體系的改進，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(wěn)定索在不同一陣平面內(nèi)，而是錯開半個柱距，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題。這一新穎結(jié)構(gòu)參加了1987年在美國舉行的國際先進結(jié)構(gòu)展覽。我國懸索結(jié)構(gòu)發(fā)展的另一個特點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以上預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)或其它懸索體系組合起來，并設(shè)置強大的拱或剛架等結(jié)構(gòu)作為中間支承，形成各種形式的組合屋蓋結(jié)構(gòu)。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的。北京朝陽體育館由兩片索網(wǎng)和被稱為“索拱體系”的中央支承結(jié)構(gòu)組成。中央索拱體系由兩條懸索和兩個鋼拱組成，本身是一種混合結(jié)構(gòu)，其概念也具有創(chuàng)新意義。采用各種組合式屋蓋不僅進一步豐富了建筑造型，而且往往能更好地滿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(nèi)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(jié)構(gòu)。所以，采用組合式屋蓋在很多場合毋寧說主要是出于建筑造型和使用功能方面的考慮。從我國這幾年的實踐效果來看，它在這方面是起到了預(yù)期作用的。將斜拉體系引用到屋蓋結(jié)構(gòu)中來，可形成一系列混合結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)不需靠增大結(jié)構(gòu)高度和構(gòu)件截面即能跨越很大的跨度。前面提到的斜拉網(wǎng)殼也屬于這類混合結(jié)構(gòu)。盡管十余年來懸索結(jié)構(gòu)取得了可喜的發(fā)展，但與網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)比較其發(fā)展相對較慢，分析起來可能有兩方面的原因：（1）懸索結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算理論相對復(fù)雜一些，又缺少具有較高商品化程度的實用計算程序，因而難于為一般設(shè)計單位普遇采用；（2）盡管懸索結(jié)構(gòu)的施工并不復(fù)雜，但一般施工單位對它不夠熟悉，更沒有形成專業(yè)的懸索結(jié)構(gòu)施工隊伍，這也影響建設(shè)單位和設(shè)計單位大膽采用這種結(jié)構(gòu)形式。與此同時，同屬于張力結(jié)構(gòu)體系、在國外應(yīng)用很廣的膜結(jié)構(gòu)或索膜結(jié)構(gòu)在我國則處于艱難起步階段。除了設(shè)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)膜材是一個主要的制約因素。從國外情況看，1970年大阪萬國博覽會上的美國館采用氣承式膜結(jié)構(gòu)（俗稱充氣結(jié)構(gòu)），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(zhǔn)橢圓平面的軸線尺寸達14Omx835m，一般認(rèn)為是第一個現(xiàn)代意義的大跨度膜結(jié)構(gòu)。70年代初杜邦公司開發(fā)出以聚四氟乙烯（PTFE，商品名稱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(jié)構(gòu)的應(yīng)用起到了積極推動作用。從那時起到1984年，美國建造了一批尺度為138m235m的體育館，均采用氣承式索膜結(jié)構(gòu)，取得了極佳的技術(shù)經(jīng)濟效果。但這種結(jié)構(gòu)體系也出現(xiàn)了一些問題，主要是田于意外漏氣或氣壓控制系統(tǒng)不穩(wěn)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(tǒng)又效能不足導(dǎo)致屋面下癟甚至事故。這些問題使人們對氣承式膜結(jié)構(gòu)的前途產(chǎn)生懷疑，美國自1985年以后在建造大型體育館時沒有再使用這種結(jié)構(gòu)形式。人們把更多的注意力轉(zhuǎn)到張拉式的膜結(jié)構(gòu)或索膜結(jié)構(gòu)。但如前面所提，日本在1988年建成的東京后樂園棒球館仍然采用氣承式索膜結(jié)構(gòu)，不過應(yīng)用了極為先進的自動控制技術(shù)，而且采用雙層膜結(jié)構(gòu)，中間可通熱空氣融雪；中央計算機自動監(jiān)測風(fēng)速、雪壓、室內(nèi)氣壓、膜和索的變形及內(nèi)力，并自動選擇最佳方法來控制室內(nèi)氣壓和消除積雪。張拉式膜（或索膜）結(jié)構(gòu)自80年代以來在發(fā)達國家獲得極大發(fā)展。這種體系與索網(wǎng)結(jié)構(gòu)類似，張緊在剛性或柔性邊緣構(gòu)件上，或通過特殊構(gòu)造支承在若干獨立支點上，通過張拉建立預(yù)應(yīng)力，并獲得確定形狀。1985年建成的沙特阿拉伯利雅得體育場外徑288m，其看臺挑蓬由24個連在一起的形狀相同的單支柱帳篷式膜結(jié)構(gòu)單元組成。每個單元懸掛于中央支柱，外緣通過邊緣索張緊在若干獨立的錨固裝置上，內(nèi)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候機大廳采用完全封閉的張拉式膜結(jié)構(gòu)平面尺寸305mx67m，由17個連成一排的雙支柱帳篷式單元組成。這兩個工程是比較典型的大型張拉式膜結(jié)構(gòu)的例子。另外還有一類骨架支承式膜結(jié)構(gòu)。例如日本秋田縣的“天穹”（Skydome）是一個切去兩邊的球面穹頂（D=130m），其主要承重結(jié)構(gòu)是一系列平行的格構(gòu)式鋼拱架，蒙以膜材后，用設(shè)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(jié)構(gòu)的例子也是很多的。然而由美國工程師Geiger根據(jù)Fuller的張拉集合體（Teegrity)概念發(fā)展起來的所謂“索穹頂”（CableDome），也許是近10年來最為膾炙人口的一種新穎張拉體系。Teegrity原是指由連續(xù)的拉桿與分散的壓桿組成的自平衡體系，其指導(dǎo)思想是充分發(fā)揮桿件的受拉作用。然而嚴(yán)格意義上的Teegrity體系未能在工程中實現(xiàn)。Geiger進行了適當(dāng)改造，提出了支承在圓形剛件周邊構(gòu)件上的預(yù)應(yīng)力拉索壓桿體系，索沿輻射方向布置，并利用膜材作為屋面，他稱之為“索穹頂”，并首先用于1988年漢城奧運會的兩個體育館工程。美國的Levy進一步發(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年亞特蘭大奧運會體育館，其平面呈準(zhǔn)橢圓形，尺寸達24lmx192m。這類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(yīng)用前景。與世界先進水平相比，中國在膜結(jié)構(gòu)方面的差距是十分明顯的。幾年來在理論研究方面做了不少工作，應(yīng)該說已建立起一定的理論儲備。在膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面近年來也開始呈現(xiàn)比較活潑的勢頭。上海為迎接八運會于1997年建成的體育場其看臺挑篷采用鋼骨架支承的膜結(jié)構(gòu)，總覆蓋面積36100平米，是我國首次在大型建筑上采用膜結(jié)構(gòu)；但所用膜材是進口的，施工安裝也由外國公司進行，價格較昂貴。值得指出的是，中國已出現(xiàn)了專門從事膜結(jié)構(gòu)制作與安裝的企業(yè)，他們已興建了幾個較小型的膜結(jié)構(gòu)。國產(chǎn)膜材的質(zhì)量也正在改進。各種跡象表明，膜結(jié)構(gòu)這一族富有潛力的大跨空間結(jié)構(gòu)新成員在我國的發(fā)展已露出桅尖。四、理論研究（1）空間結(jié)構(gòu)的應(yīng)用是同相應(yīng)的理論研究同步發(fā)展的。應(yīng)該說我們在空間結(jié)構(gòu)理論研究大面做了許多工作。主要研究內(nèi)容偏重于靜力作用下的結(jié)構(gòu)性狀和分析方法，以滿足一般設(shè)計工作的要求為主要目標(biāo)。這些研究為我國空間結(jié)構(gòu)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(xù)化理論為基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)在荷載作用下要產(chǎn)生較大位移，因而計算中應(yīng)考慮幾何非線性，當(dāng)時發(fā)展了一系列適用于不同形式懸索結(jié)構(gòu)的考慮大位移的解析方法。在一段時期內(nèi)，當(dāng)計算機尚未廣泛運用于結(jié)構(gòu)計算以前，各種解析方法曾對空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展起過重要作用，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)只能用計算機程序進行分析。我國從80年代開始陸續(xù)編制出適用于不同空間結(jié)構(gòu)的各種計算機分析程序和CAD軟件，且功能日益完備?，F(xiàn)在我們設(shè)計空間結(jié)構(gòu)幾乎全部依靠計算機。事實上，當(dāng)設(shè)計由成千桿件和結(jié)點組成的大型空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，尤其是當(dāng)采用螺栓球結(jié)點時，離開適用的CAD軟件是無法想象的。但也應(yīng)當(dāng)指出，對某些形式的懸索結(jié)構(gòu)來說，簡單實用的解析方法仍然有意義；對于像雙層索系等比較簡單的體系，解析力法已完全可以提供準(zhǔn)確而完整的計算結(jié)果。例如，吉林滑冰館的大型懸索屋蓋設(shè)計是由簡單的手籌來完成的。十余年來關(guān)于空間結(jié)構(gòu)研究的一個特點是做了大量的試驗。這是我國結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的一個優(yōu)良傳統(tǒng)。80年代乃至90年代初期建造的幾乎每一個有代表性的大型空間結(jié)構(gòu)，都作過模型試驗或現(xiàn)場實測。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，使我們對原來可能比較生疏的各種新穎空間結(jié)構(gòu)的基本性能了解得越來越全面，為設(shè)計這些結(jié)構(gòu)積累起比較豐富的理論儲備。（2）除了關(guān)于各種類型空間結(jié)構(gòu)的基本性狀和計算方法的研究以外，一些更為基礎(chǔ)性的理論研究也受到了重視，例如關(guān)于網(wǎng)殼穩(wěn)定性的研究已取得許多重要成果。穩(wěn)定性是網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、尤其是單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵問題，也是國內(nèi)外十多年來的熱點研究領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能可以從其荷載位移全過程曲線中得到完整的概念；這種全過程曲線要由較精確的非線性分析得出。從非線性分析的角度來考察，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題和強度問題是相互聯(lián)系在一起的。結(jié)構(gòu)的荷載位移全過程曲線可以把結(jié)構(gòu)的強度、穩(wěn)定性以至于剛度的整個變化歷程表示得清清楚楚。當(dāng)考察創(chuàng)始缺陷和荷載分布方式等因素對實際網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的影響時，也均可從全過程曲線的規(guī)律性變化中進行研究。但是當(dāng)利用計算機對具有大量自由度的復(fù)雜體系進行有效的非線性有限元分析尚未能允分實現(xiàn)的時候，要進行網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的全過程分析是十分困難的。在較長一段時期內(nèi)，人們不得不求助于連續(xù)化理論（“擬殼法”）將網(wǎng)殼轉(zhuǎn)化為連續(xù)殼體結(jié)構(gòu)，然后通過某些近似的非線性解析方法來求出殼體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性承載力。這種方法顯然有較大局限性：連續(xù)化殼體穩(wěn)定性理論本身并未完善，事實上僅對少數(shù)特定的殼體（例如球面殼）才能得出較實用的公式；此外，所討論的殼體一般是等厚度的和各向同性的，無法反映實際網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的不均勻構(gòu)造和各向異性的特點。因此，在許多重要場合還必須依靠細(xì)致的模型試驗來測定穩(wěn)定性承載力，講與可能的計算結(jié)果相互印證。隨著計算機的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，非線性有限元分析方法興起，并逐漸成為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析中的有力工具。我國從80年代后期開始也積極開展以非線性全過程分析為基礎(chǔ)的網(wǎng)殼穩(wěn)定性研究。在總結(jié)國外已取得成果的基礎(chǔ)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行了深入細(xì)致的探索，使具有大量自由度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的全過程分析成為可能；并編制出相應(yīng)的分析程序。此外，在研究初始缺陷對網(wǎng)殼穩(wěn)定性的影響時，對所提出的“一致缺陷模態(tài)祛”（即認(rèn)