摘要：大跨度空间结构是土木工程领域的重要发展方向，近年来我国大跨空间结构发展迅速，但也存在诸多问题。通过大跨度空间结构在国内的发展概况、空间结构的发展历史、分类以及关键问题的分析，从而把握未来空间结构领域的发展方向。
关键词：空间结构；发展概况；关键问题；发展方向
引言
空间结构具有受力合理、重量轻、造价低以及形式活泼新颖、能够突出人类艺术创造力等优点，大跨度空间结构往往是衡量一个国家或地区建筑技术水平的重要标志，进入新世纪，我国空间结构的技术水平也得到了长足的进步, 正赶超国际先进水平. 大跨度空间结构的社会需求和工程应用逐年增加。它的主要特点就是能够充分利用不同材料的特性, 以适应各种变化的建筑造型的需要。因此, 空间结构具有受力合理、重量轻、造价低以及形式活泼新颖、能够突出人类艺术创造力等优点。
一、空间结构的发展历史
在二十世纪前，古代空间结构就已经出现并大量应用，主要标志性结构为拱券式穹顶，该结构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。该类结构的代表工程：南京无梁殿（明洪武14年），平面尺寸38m×54m， 净高 22m。
二十世纪初叶（1925年）后，涌现了大梁的近代空间结构，主要标志性结构为薄壳结构、网格结构和一般悬索结构。其中薄壳结构代表工程有：北京火车站（1959年），跨度35m×35m；网架结构代表工程有：首都体育馆（1968年），跨度99m ×112.2m；悬索结构代表工程：北京工人体育馆（1961年，跨度94m），浙江人民体育馆（1967年，跨度60m ×80m ）， 成都城北体育馆（1979年，跨度61）。
到二十世纪末叶（1975 年前后） ，现代空间结构开始发展， 其主要标志性结构为索膜结构、索杆张力结构、索穹顶结构等。例如，2008 年建成的114m×144m北京奥运会国家体育馆是世界上最大跨度的双向弦支桁架结构。
二、我国大跨结构的应用
中国在最近十年来空间结构的研究与应用也有了迅猛发展，跨度超过100m的建筑也开始大量出现。在材料的应用方面向轻质高强发展，大跨度网壳、索杂交结构、索膜张拉结构与张弦梁成为这一时期的主流。
在应用领域方面主要是体育场馆、大跨度机库、会展中心等方面。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆如1994年建成的天津体育馆采用了净跨直径为108m的球面网壳；1997年建成的长春体育馆，平面形状为桃核形网壳，外围尺寸达146m×191．7m；1998年竣工的上海8万人体育场，其钢结构悬臂桁架跨度最大达73.5m，伞状膜结构的挑篷覆盖面积达37000m2；2000年竣工的浙江黄龙体育中心采用斜拉网壳，挑篷外挑50m，总覆盖面积达22000m2；在大型飞机维修库应用最多的是平板型网架，如1995年建成的首都机场150m+150m四机位机库、厦门机场155m双机位机库等等；新建的航站楼屋盖中采用较多的是相贯连接的平面曲线钢桁架，如深圳机场二期跨度60m+80m钢桁架，整个屋盖尺寸135m×195m，首都机场新航站楼也采用类似结构；在大型公共建筑展览馆方面，空间钢结构也应用得较多，从1998年上海浦东机场航站楼成功建成跨度达80m的新型张弦梁结构以来，该结构以其结构明快简洁乐于为建筑师采用，分别于2002年、2003年建成的广州与哈尔滨会展中心采用的张弦梁结构其跨度分别达126m与128m；新型索与膜的张拉结构中国已开始起步，近年来陆续建成了如青岛颐中体育场、安徽芜湖体育场、郑州体育场与秦皇岛奥体中心体育场等十来个索膜张拉结构建筑；除了这些大跨度结构以外，国内应用最多、面最广的还是普通平板型网架结构，在中小跨度体育馆，特别在大柱网大面积单层工业厂房及各种公共建筑中都应用了大量的平板网架结构，1995年竣工的云南省玉溪卷烟厂单层厂房网架屋盖面积达13万m2。
我国的大跨度空间结构与国外水平相比，差距不是很大。在空间网格结构方面，国内的分析设计理论与软件、制造安装与工程实践在国际上绝对领先；对于悬索结构，国内20世纪80年代有多项成功实例，各项技术均成熟，与国际发展水平同步，只是近年工程应用很少；对于膜结构，与国外相比我们刚起步，在理论分析与软件方面已基本完善，并已有专业化公司开始工程实践，多项成功实例为膜结构的推广奠定了很好的基础，但由于膜材生产国内还是空白，完全靠进口，使膜结构的价格优势不明显；而对于张拉整体结构国内还是空白，虽有较多的理论研究，但还没有一项工程实例；对于开合式结构，国内与国际上差距较大，目前国内尚没有工程应用，且需结构、机械、控制等专业综合紧密配合协作；与国外技术创新能力相比，国内对于结构创新意识不强，尤其建筑师与结构工程师沟通不够，结构缺乏新意。
三、把握未来空间结构领域的发展方向
从空间结构领域的4大结构体系( 薄壳结构、空间网格结构、索结构、膜结构)看，应根据这些结构体系的特点、结构安全性能、节点构造、施工技术、成本控制与对环境的影响进行重点分析，以确定未来空间结构领域的发展方向。空间网格结构以规则与灵活的结构造型、成熟的设计与施工技术及较好的跨越能力，必将广泛应用于各类大跨度公共建筑，仍是发展主流。在新型城镇化进程中，大量中小城市的体育与公共设施建设将成为亮点，螺栓球节点网架结构将有很大的应用面。但在大跨度建筑中，一般的网架结构应用量将会有所减少，其主要原因是螺栓球网架将受节点的承载能力限制而不适于用于跨度大于80m的建筑，空心球网架将受现场焊接量大、人工成本高的影响。在单层工业厂房中，由于轻钢结构具有施工周期与成本上的竞争优势，网架结构应用量已很少。而网壳结构( 螺栓球节点的双层网壳) 以其优越的结构性能，将在大跨度结构中有很好的应用。相贯节点立体管桁架结构有节点简洁、现场安装快的突出优势，将在中等跨度结构中有更好的应用前景。索结构将是最有发展前途与技术竞争力的一个新体系。传统意义的索网结构、索桁架结构由于对边缘约束结构与下部结构要求比较高，预应力施工也过于复杂，故其应用面不会有大的突破，而张拉整体结构、斜拉结构、张弦结构将以其合理的结构性能有更多的工程应用。其中张拉整体结构、张弦结构具有结构自重轻、效率高、自平衡的突出优点，是未来大跨度空间结构的主要发展方向。膜结构具有结构与围护材料合一、自重轻、透光、建筑造型丰富、施工简便的突出优点。气承式膜结构可以跨越更大的跨度; 而张拉支承式膜结构可与索结构、各类网格结构相结合，创造出结构受力性能优越、建筑造型美观的大跨度公共建筑。
未来空间结构的发展方向: 应用的材料将强度更高、自重更轻( 索、膜将成为主要结构用材) ; 结构体系将更合理、先进，网壳、索结构( 张拉整体结构、张弦结构) 、膜结构等将是大跨度结构的主要结构类型; 结构跨度将突破200m( 主要应用于大型大跨度公共建筑) 。大跨度结构在未来研发与应用中，除了要确保结构的安全性与防灾性能以外，还必须考虑绿色与可持续发展要求。
参考文献
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论文作者:林智鸿
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/10/8
标签：结构论文; 空间结构论文; 跨度论文; 大跨度论文; 网架论文; 桁架论文; 工程论文; 《基层建设》2019年第18期论文;