建筑空间结构发展现状与展望★

邓 绍 云

(1.新疆应用职业技术学院，新疆 奎屯 833200;2.新疆永振建筑安装工程有限公司，新疆 乌苏 833000)

0 引言

随着社会文明的进步和物质的丰富，现建筑不光是满足提供人们生活和工作的场所这么简单的要求。现代化的建筑要求满足人们很多功能性的需求，从而要求建筑物应该具有较大的空间来提供人们进行相关活动之必须。故此，建筑空间结构应运而生，并随着时间的推移逐步发展、扩充和完善并得到推广与利用。

1 形式与特点

世界是三维的，现实中的建筑结构固然如此。为简化设计和建造工作量，人们一般将三维建筑结构分解成各个平面结构来进行构造和计算。但这种平面结构很快暴露了其许多缺点:如荷重过大、跨度无法扩大、无法实现较大的净空。从而促使人们为了解决这一问题，空间结构因其体现大自然的美丽和神奇，及其一般平面结构所无法比拟的创造潜力，且得到人们的青睐和研究与开发推广应用。

空间结构是指结构构件三向受力的大跨度，中间不放柱子，应用特殊结构来实现大跨度的结构。空间结构主要有以下几种基本类型:

1)薄壳结构。2)空间网格结构。它又有:a.网架结构;b.网壳结构;c.索网结构;d.其他形式的网格体系。3)张力结构。它又有:a.悬索结构;b.膜结构;c.索穹顶。4)开合结构。5)折叠结构。6)玻璃结构。7)混合结构(刚性构件与柔性索的组合)。它又有:a.张弦结构;b.斜拉结构;c.张拉膜结构;d.充气膜结构;e.其他形式混合体系。

2 趋势与展望

由于种种原因，我国空间结构发展起步晚于西方诸发达国家，但近来，由于我国经济实力的剧增，基础建设的扩大，建筑业的振兴，建筑空间结构在我国得到了一定程度的发展，然而，短期内想努力跃上国际空间结构发展的新台阶是有很大难度的。难度有建筑施工方法、技术、设备、资金、材料和生产工艺的理论和实践等方面的问题。

2.1 张拉整体结构

张拉整体结构是一组不连续的受压构件与一套连续的受拉单元组成的自支承、自应力的空间网格结构。其刚度由预应力单元之间的平衡来提供，单元被施加预应力之前，整个结构几乎没有刚度，且初预应力的大小对结构的外形和结构的刚度起着决定性作用。

张拉整体结构因组成单元的各个构件为预应力的存在而大大地提高材料的强度，从而很大程度地缩小构件截面，因而节省和充分利用材料。张拉整体结构因各自组成单元可以灵活组合，从而能够实现整个结构的大跨度，在利用高质钢材的情况下，张拉整体结构可以实现超大跨度建筑物。故此，具有很大的发展空间。

目前张拉整体结构在材料方面一般采用的是预应力钢筋混凝土结构来实现，并且一般以预应力后拉法，且世界很多地方都建造了张拉整体结构建筑物，但由于还没有完全实现结构自支承、自应力的原则，离开下部受压环梁则不能稳立，故而可以说彻底的大跨度张拉整体结构还没有建成。因此，今后张拉整体结构的发展趋势将会是在材料和结构两个方面的突破来实现，从而要求在理论分析、施工工艺和建筑材料三个方面都需要努力去探索。

2.2 膜结构

膜因其结构的独特，薄而韧实，所占空间极小，然而具有很强的抗拉能力，在一定间隔位置布置梁柱从而应用于建筑上，这种结构就是20 世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式——膜结构。膜结构应用于建筑物的屋面结构上，厅堂顶部结构等等。主要为了创造和实现大跨度、大高度和大空间，其厚度极薄，主要用于承受风、雨、雪等非恒荷载及较小荷载，当然建筑上的膜结构中的膜是有一定的刚度和强度的，从而需要由多种高强薄膜材料及加强构件(钢架、钢柱或钢索)通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状，作为覆盖结构，并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式来具体实现。由于膜在一定的程度上具有局限性和柔软性，从而在一定的距离和间隔中必须使用小型截面肋梁进行加固和支撑，以便扩大膜所能实现的面积和空间，进一步实现大空间、大跨度和大高度建筑。膜结构最大的特点，自重非常小，对建筑基础和地基的压力极小。

膜结构发展到现代得到进一步地扩充和拓宽，膜进一步利用发展，膜可以是柔韧的膜布结构，也可以是轻钢和有机材料结构，膜中可以充气形成充气膜结构，进一步实现大空间，同时也可以实现张拉膜结构，通过张拉产生预应力而充分利用材料的结构。充气膜结构可依靠室内不断充气，使室内外产生一定压力差，室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力，从而从另一个方面减小建筑物的自重对建筑基础和地基的压力，并实现较大的高度和跨度。张拉膜结构则可通过柱及钢架支承或钢索张拉成型，其造型非常优美灵活。

今后，建筑膜结构要得到进一步的发展，必须从体形设计、初始平衡形状、荷载、裁剪等四个方面进行分析与突破。通过体形设计确定建筑平面形状尺寸、三维造型、净空体量，确定各控制点的坐标、结构形式，选用膜材和施工方案来具体实现和改进建筑膜结构。

2.3 开合结构

开合就是说可以打开也可以闭合，对于建筑上来说比较新鲜，是近期建筑结构发展的产物，开合结构主要应用于体育和娱乐行业的建筑物上，其可开(为换来新鲜的空气和明媚的阳光)，可合(为挡风遮雨，隔离空间或产生某种良好的效果)，开合变化以实现各自的目的和效果，开合结构的由来有一定的原因，敞开式运动场因其视野开阔、空气新鲜、自然情景等多个优势，从而受观众和运动员青睐，因此开合式屋盖结构应运而生。

开合结构的开合实现方式有:水平移动开合式、重叠开合式、折叠方式、混合开合式四种。开合结构的最大特点就是开闭自由，开闭交替，但维护较烦，造价较高，施工工艺复杂，性价不高从而实际中的应用有所萎缩。

2.4 折叠结构

折叠结构是响应开合结构而逐渐发展起来的一种新型建筑结构，就是用时可展开、不用时可折叠收起的结构，以节省空间。其用于建筑领域，并形成相应的设计计算理论始于20 世纪60年代初。折叠结构的优点是可重复使用，且折叠后体积小，便于运输及储存，可实现搬运和藏匿及隐蔽，省时省力省空间并随着人们对“折叠”概念的逐渐理解和扩充而得到不断发展和拓宽。

折叠结构按单元形式来分主要有杆系单元、板系单元两种类型，而杆系单元类型又分为剪式单元及伸缩式单元两种具体类型;折叠结构按展开成型后的稳定平衡方式可分为结构几何自锁式、结构构件自锁式及结构外加锁式三种类型;而据结构组成是否采用索单元可分为刚性结构及柔性结构两种类型;然而据结构展开过程的驱动方式又可分为液压(气压)传动方式、电动方式、节点预压弹簧驱动方式等类型。

折叠结构的折叠过程有刚体运动和变形运动两个过程的耦合作用，这种耦合作用要求能方便自如，故节点要求能灵活自如，其设计非常关键，以确保折叠结构在折叠和展开的过程中运动自如，杆件与节点连接处没有较大摩擦或易于弯曲的变形，又能在折叠结构被折叠之后杆件成紧密捆状，以便储存;并有足够的强度来承受杆件的拉压及局部的弯、剪、摩擦等。故为此一般采用毂节点，且节点材料可用金属或高分子材料，这样就能达到这种目的。

2.5 玻璃体结构

普通玻璃一般透明而坚硬但容易破碎且易伤人，玻璃具有遮风挡雨，采光承压的性能。玻璃抗压能力较强但抗拉性能差，其强重比普通钢材还优越，且玻璃具有抗酸化腐蚀性能强，如果通过人为的方法去除或减小普通玻璃的缺陷而扩大其优良性能，取其优长而弃其缺点和劣行，取长补短，利用得到可以给人轻巧而明亮透视的优良效果。

要达到这一目的，有两种途径，一是在人工生产制造过程中添加一些改性材料而使之具有人们所希望的性能，即改性玻璃和有机玻璃的研制、开发和利用;另一方面，通过结构的巧妙设计，通过一定的结构来实现结构物的拉力由其他优质抗拉材料来抵抗，而压力用玻璃来承担，就像是人们普遍应用的钢筋混凝土结构一样，然而由于玻璃的热膨胀系数与钢材的相近，这使得钢材和玻璃能够用于同一结构，发挥各自特长，从而开发出钢筋玻璃结构，且钢筋玻璃结构较钢筋混凝土结构更好、更方便实现。可以将玻璃包裹钢筋和钢结构也可以通过钢结构固定、拴接、连接、分隔、镶衔等而实现。

近来由于力学理论知识和应用技术的发展，可以通过巧妙设计，使得建筑结构中只出现轴力(拉力和压力)，甚至只出现压力，从而确保玻璃体结构在现实中得到充分地展现。玻璃体结构在当今建筑界用的较多的是玻璃幕结构。玻璃体结构最大的优点在于通视采光，而最大的缺点在于很难承受弯矩，也在一定的程度上限制了玻璃体结构的开发利用。

2.6 球网结构

球网结构是充分展现桁架结构和膜结构的有机结合而实现的较为优秀建筑结构，球网结构是杆件通过球节点铰接，一个球节点连接数根杆件，形成一片一片连接单元，杆件之间可以附上各类轻质薄材料或玻璃材料等，各个单元又可以连接布置成各种现实形式，以便实现大空间、大跨度、大通视的建筑物。

球网结构中的球节点可大可小，材料可以是有机材料也可以是无机材料，可以是实体结构也可以是空体结构。杆件可以是实心杆件也可以是空心杆件，且用空心球壳为球节点，空心杆件作为杆件，附着于杆件单元上的膜体结构，其材料一般可以用轻质的有机玻璃或轻质薄铝合金材料。

球网结构一般用于体育馆、展览馆、游戏厅等需要大跨度、大空间、高效采光和通风的建筑物，并因其实现各种形状和效果的方便性而在近期和未来得到广泛地应用。

2.7 索膜结构

索膜结构是索拉结构和膜结构的有效结合而产生的新型建筑结构，其中的索可以通过钢丝绳或有机纤维绳外套钢管或有机材料管，形成索拉杆件，索拉杆件通过铰链形成框架。然而在索拉杆件之间附着轻质薄片的材料(可以是玻璃、可以是有机材料也可以是铝合金薄片等等)。索拉杆件可以大大提高对建筑物的提举能力，以实现大高度、大跨度和大空间的建筑物。膜体结构因其材料的轻质体薄而自重相对极小，从而大大减轻建筑物的自重，减轻建筑物基础和地基的压力，进一步促进建筑物实现大高度、大跨度和大空间。索膜结构在未来将会得到很大的开发和应用。

3 结语

随着历史的发展，社会的进步，财富的增多，经济实力的增强，科技的发展，人们对生活向往欲望的提升，质量要求的提高，空间结构在未来建筑结构中将占据越来越重要和普及的地位。空间结构的设想和理论将因相应学科、专业的理论发展及技术的提升而得到空前的发展态势，但因为施工技术等落后于建筑结构理论的发展，故在工程实践中，空间结构的多样化、优越化、任意化、人性化和智能化等等还有很长的道路要走。

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