一、概述
所謂空間結(jié)構(gòu)（Spatial structures），其形體呈空間狀，并同時具有三維受力特性。優(yōu)秀的空間結(jié)構(gòu)具有荷載傳遞路線最短，受力均勻等特點(diǎn)；而平面樓蓋結(jié)構(gòu)，由于構(gòu)件分為板、次梁和主梁等“級別”，荷載傳遞路線長，浪費(fèi)材料。自然界也有許許多多令人驚嘆的空間結(jié)構(gòu)，如蛋殼、海螺等是薄殼結(jié)構(gòu)；蜂窩是空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；肥皂泡是充氣膜結(jié)構(gòu)；蜘蛛網(wǎng)是索網(wǎng)結(jié)構(gòu)；棕櫚樹葉是折板結(jié)構(gòu)等等。因此，從某種意義上來說，空間結(jié)構(gòu)是一種仿生結(jié)構(gòu)，它們比平面結(jié)構(gòu)更美觀、經(jīng)濟(jì)和高效。
如何衡量一個大跨度空間結(jié)構(gòu)（l≥60m）的優(yōu)劣，本人曾提出四個指標(biāo)[1]：
1、材料強(qiáng)度充分發(fā)揮？
2、基礎(chǔ)推（拉）力H合理處理？
3、施工安裝費(fèi)?。?BR> 4、跨度大？
對大跨度結(jié)構(gòu)來說，材料用量多，不僅是一個浪費(fèi)，對結(jié)構(gòu)的抗震，特別是豎向抗震極為不利。廣東省注冊中心在2000年舉辦的《國家一級注冊建筑師講座》上，我再增加了一個指標(biāo)：
5、結(jié)構(gòu)的藝術(shù)作用
這一指標(biāo)，把結(jié)構(gòu)的型式與建筑的空間藝術(shù)形象融合起來，即結(jié)構(gòu)本身富有美學(xué)表現(xiàn)力。建筑師必須注意發(fā)揮這種表現(xiàn)力和利用這種裝飾效果，自然地顯示結(jié)構(gòu)。所謂自然的顯示結(jié)構(gòu)，不是說結(jié)構(gòu)就是美，而是要袒露具有美學(xué)價值的部分，通過建筑師的藝術(shù)加工，達(dá)到表現(xiàn)建筑美的目的，而不是簡單地表現(xiàn)結(jié)構(gòu)本身。這樣，就可以使建筑最終達(dá)到實(shí)用、經(jīng)濟(jì)和美觀的目的。
美國雷里（Rauleigh）競技館的受力特點(diǎn)是：受力明確，形成自平衡體系，索、拱的材料強(qiáng)度充分發(fā)揮，基礎(chǔ)很小。幾乎符合上述五個衡量指標(biāo)。斜拱的周邊以間距2.4m的鋼柱支承，立柱兼作門窗的豎框，形成了以豎向分隔為節(jié)奏感很強(qiáng)的建筑造型。被認(rèn)為是世界上第一座優(yōu)秀的大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)屋蓋建筑，開創(chuàng)了現(xiàn)代索結(jié)構(gòu)的歷史。
二、梁的演變與空間結(jié)構(gòu)的分類
從梁的彎矩圖和應(yīng)力圖可見，梁沿跨度和截面上的受力都很不均勻，材料強(qiáng)度不能得到充分的發(fā)揮。對于通?？缍鹊臉巧w梁來說，可將矩形截面變?yōu)楣ぷ中徒孛?，進(jìn)而采用格構(gòu)式梁（桁架），以提高梁的承載力和剛度。為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的更大跨越，則必須把梁演變成拱和索，它的橫向擴(kuò)展就變成了空間結(jié)構(gòu)。因此，空間結(jié)構(gòu)又叫造形結(jié)構(gòu)（Formative Structures）。更詳細(xì)的分類，請參考文獻(xiàn)[2]?！?BR> 三、工程評介
1、美國亞特藍(lán)大百年奧運(yùn)會喬治亞穹頂。橢園形平面：240.790 m×192.020m，它是世界上目前的雙曲拋物型張拉整體體系（Tensegrity System）。
該體系由美國M·Levy開發(fā)的一種穩(wěn)定性好的三角形劃分網(wǎng)格穹頂，受力特點(diǎn)是："連續(xù)拉，間斷壓"材料強(qiáng)度得到了最充分的發(fā)揮（指標(biāo)1,2）。整個屋蓋用鋼量僅30kg/M2。
2、法國巴黎國家工業(yè)與技術(shù)展覽中心大廳。是鋼筋砼裝配整體式薄殼結(jié)構(gòu)，殼體跨度l與殼的折算厚度t之比: l/t =206m/0.18m=1144倍，而雞蛋殼僅：40mm/0.4mm=100倍。說明人類的巨大智慧（指標(biāo)1和2）。
3、廣東省湛江電廠干煤棚[4]。平面尺寸：113.400m×113.400m，柱距79.800m，它是我國目前跨度的四柱支承平板網(wǎng)架屋蓋?？紤]到煤棚在調(diào)順島上，是臺風(fēng)多發(fā)區(qū)，網(wǎng)架上鋪陶粒砼三角形（直角邊 4.200m）帶助預(yù)制板（砼重力密度γ=14.5kgf/M2）。雖然平板網(wǎng)架是空間結(jié)構(gòu)體系科技含量較低的結(jié)構(gòu)之一，但可通過精心設(shè)計(jì)，采取八面坡水，腹桿棋盤式布置等手段，強(qiáng)化了空間傳力，用鋼量僅70.3kg/M2（巴基斯坦體育館柱距62.400m，鋁皮輕屋面，用鋼就達(dá)61kg/M2）。特別指出的是：由于采用了暗柱帽，網(wǎng)架的施工散裝平臺由5m減至1m左右，大大節(jié)省了施工費(fèi)用（指標(biāo)3）。
1996年9月9至20日，湛江地區(qū)先后遭受了兩次40多年未遇的強(qiáng)臺風(fēng)襲擊，市內(nèi)風(fēng)速達(dá)57m/s（12級臺風(fēng)為33m/s）風(fēng)時間持續(xù)1小時以上，大量的建筑物受到嚴(yán)重破壞，但位于臺風(fēng)登陸口的干煤棚完好無損，其陶粒砼屋面也未遭到任何破壞[5]。
4、羅馬小體育館，采用外露的叉形斜柱，有力的把巨大的裝配整體式鋼筋砼網(wǎng)肋型扁園球殼托起，結(jié)構(gòu)清新、歡快，極富結(jié)構(gòu)力度（指標(biāo)5）。
四、小結(jié)
1、對大跨度空間結(jié)構(gòu)體系來說，梁式結(jié)構(gòu)是受力最差的結(jié)構(gòu)；張拉整體體系--"連續(xù)拉、間斷壓"，是目前最經(jīng)濟(jì)的體系。
法國建筑師保羅·安德魯中標(biāo)設(shè)計(jì)的廣州體育館，用鋼量160kg/M2；美國Nixon Ellerbe Becket （NEB）公司中標(biāo)設(shè)計(jì)的廣東奧林匹克體育館場，用鋼量200kg/M2，它們基本上都屬于梁式結(jié)構(gòu)體系，耗費(fèi)如此多的用鋼量也就不奇怪了。
由于外國設(shè)計(jì)者不了解中國規(guī)范，我曾向廣州市林樹森市長建議，今后國際招標(biāo)只作到方案階段，初步設(shè)計(jì)應(yīng)由國內(nèi)設(shè)計(jì)院承擔(dān)。 a）廣州體育館（2001.3） b）廣東奧林匹克體育場（2001.9）
2、大跨度空間結(jié)構(gòu)幾乎都是鋼結(jié)構(gòu)，科技含量較高，本文提出的五個衡量指標(biāo)是最基本的。要設(shè)計(jì)好一個大跨度空間結(jié)構(gòu)建筑，建筑師和結(jié)構(gòu)工程師的合作應(yīng)當(dāng)達(dá)到配合默契的程度。嚴(yán)格貫徹執(zhí)行國家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，即技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、確保質(zhì)量。
由于篇幅有限，有關(guān)大跨度空間結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，原理和技巧，如剛?cè)峤Y(jié)合等，與常用跨度的結(jié)構(gòu)是不同的，將在另文與大家探討。
所謂空間結(jié)構(gòu)（Spatial structures），其形體呈空間狀，并同時具有三維受力特性。優(yōu)秀的空間結(jié)構(gòu)具有荷載傳遞路線最短，受力均勻等特點(diǎn)；而平面樓蓋結(jié)構(gòu)，由于構(gòu)件分為板、次梁和主梁等“級別”，荷載傳遞路線長，浪費(fèi)材料。自然界也有許許多多令人驚嘆的空間結(jié)構(gòu)，如蛋殼、海螺等是薄殼結(jié)構(gòu)；蜂窩是空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；肥皂泡是充氣膜結(jié)構(gòu)；蜘蛛網(wǎng)是索網(wǎng)結(jié)構(gòu)；棕櫚樹葉是折板結(jié)構(gòu)等等。因此，從某種意義上來說，空間結(jié)構(gòu)是一種仿生結(jié)構(gòu)，它們比平面結(jié)構(gòu)更美觀、經(jīng)濟(jì)和高效。
如何衡量一個大跨度空間結(jié)構(gòu)（l≥60m）的優(yōu)劣，本人曾提出四個指標(biāo)[1]：
1、材料強(qiáng)度充分發(fā)揮？
2、基礎(chǔ)推（拉）力H合理處理？
3、施工安裝費(fèi)?。?BR> 4、跨度大？
對大跨度結(jié)構(gòu)來說，材料用量多，不僅是一個浪費(fèi)，對結(jié)構(gòu)的抗震，特別是豎向抗震極為不利。廣東省注冊中心在2000年舉辦的《國家一級注冊建筑師講座》上，我再增加了一個指標(biāo)：
5、結(jié)構(gòu)的藝術(shù)作用
這一指標(biāo)，把結(jié)構(gòu)的型式與建筑的空間藝術(shù)形象融合起來，即結(jié)構(gòu)本身富有美學(xué)表現(xiàn)力。建筑師必須注意發(fā)揮這種表現(xiàn)力和利用這種裝飾效果，自然地顯示結(jié)構(gòu)。所謂自然的顯示結(jié)構(gòu)，不是說結(jié)構(gòu)就是美，而是要袒露具有美學(xué)價值的部分，通過建筑師的藝術(shù)加工，達(dá)到表現(xiàn)建筑美的目的，而不是簡單地表現(xiàn)結(jié)構(gòu)本身。這樣，就可以使建筑最終達(dá)到實(shí)用、經(jīng)濟(jì)和美觀的目的。
美國雷里（Rauleigh）競技館的受力特點(diǎn)是：受力明確，形成自平衡體系，索、拱的材料強(qiáng)度充分發(fā)揮，基礎(chǔ)很小。幾乎符合上述五個衡量指標(biāo)。斜拱的周邊以間距2.4m的鋼柱支承，立柱兼作門窗的豎框，形成了以豎向分隔為節(jié)奏感很強(qiáng)的建筑造型。被認(rèn)為是世界上第一座優(yōu)秀的大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)屋蓋建筑，開創(chuàng)了現(xiàn)代索結(jié)構(gòu)的歷史。
二、梁的演變與空間結(jié)構(gòu)的分類
從梁的彎矩圖和應(yīng)力圖可見，梁沿跨度和截面上的受力都很不均勻，材料強(qiáng)度不能得到充分的發(fā)揮。對于通?？缍鹊臉巧w梁來說，可將矩形截面變?yōu)楣ぷ中徒孛?，進(jìn)而采用格構(gòu)式梁（桁架），以提高梁的承載力和剛度。為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的更大跨越，則必須把梁演變成拱和索，它的橫向擴(kuò)展就變成了空間結(jié)構(gòu)。因此，空間結(jié)構(gòu)又叫造形結(jié)構(gòu)（Formative Structures）。更詳細(xì)的分類，請參考文獻(xiàn)[2]?！?BR> 三、工程評介
1、美國亞特藍(lán)大百年奧運(yùn)會喬治亞穹頂。橢園形平面：240.790 m×192.020m，它是世界上目前的雙曲拋物型張拉整體體系（Tensegrity System）。
該體系由美國M·Levy開發(fā)的一種穩(wěn)定性好的三角形劃分網(wǎng)格穹頂，受力特點(diǎn)是："連續(xù)拉，間斷壓"材料強(qiáng)度得到了最充分的發(fā)揮（指標(biāo)1,2）。整個屋蓋用鋼量僅30kg/M2。
2、法國巴黎國家工業(yè)與技術(shù)展覽中心大廳。是鋼筋砼裝配整體式薄殼結(jié)構(gòu)，殼體跨度l與殼的折算厚度t之比: l/t =206m/0.18m=1144倍，而雞蛋殼僅：40mm/0.4mm=100倍。說明人類的巨大智慧（指標(biāo)1和2）。
3、廣東省湛江電廠干煤棚[4]。平面尺寸：113.400m×113.400m，柱距79.800m，它是我國目前跨度的四柱支承平板網(wǎng)架屋蓋?？紤]到煤棚在調(diào)順島上，是臺風(fēng)多發(fā)區(qū)，網(wǎng)架上鋪陶粒砼三角形（直角邊 4.200m）帶助預(yù)制板（砼重力密度γ=14.5kgf/M2）。雖然平板網(wǎng)架是空間結(jié)構(gòu)體系科技含量較低的結(jié)構(gòu)之一，但可通過精心設(shè)計(jì)，采取八面坡水，腹桿棋盤式布置等手段，強(qiáng)化了空間傳力，用鋼量僅70.3kg/M2（巴基斯坦體育館柱距62.400m，鋁皮輕屋面，用鋼就達(dá)61kg/M2）。特別指出的是：由于采用了暗柱帽，網(wǎng)架的施工散裝平臺由5m減至1m左右，大大節(jié)省了施工費(fèi)用（指標(biāo)3）。
1996年9月9至20日，湛江地區(qū)先后遭受了兩次40多年未遇的強(qiáng)臺風(fēng)襲擊，市內(nèi)風(fēng)速達(dá)57m/s（12級臺風(fēng)為33m/s）風(fēng)時間持續(xù)1小時以上，大量的建筑物受到嚴(yán)重破壞，但位于臺風(fēng)登陸口的干煤棚完好無損，其陶粒砼屋面也未遭到任何破壞[5]。
4、羅馬小體育館，采用外露的叉形斜柱，有力的把巨大的裝配整體式鋼筋砼網(wǎng)肋型扁園球殼托起，結(jié)構(gòu)清新、歡快，極富結(jié)構(gòu)力度（指標(biāo)5）。
四、小結(jié)
1、對大跨度空間結(jié)構(gòu)體系來說，梁式結(jié)構(gòu)是受力最差的結(jié)構(gòu)；張拉整體體系--"連續(xù)拉、間斷壓"，是目前最經(jīng)濟(jì)的體系。
法國建筑師保羅·安德魯中標(biāo)設(shè)計(jì)的廣州體育館，用鋼量160kg/M2；美國Nixon Ellerbe Becket （NEB）公司中標(biāo)設(shè)計(jì)的廣東奧林匹克體育館場，用鋼量200kg/M2，它們基本上都屬于梁式結(jié)構(gòu)體系，耗費(fèi)如此多的用鋼量也就不奇怪了。
由于外國設(shè)計(jì)者不了解中國規(guī)范，我曾向廣州市林樹森市長建議，今后國際招標(biāo)只作到方案階段，初步設(shè)計(jì)應(yīng)由國內(nèi)設(shè)計(jì)院承擔(dān)。 a）廣州體育館（2001.3） b）廣東奧林匹克體育場（2001.9）
2、大跨度空間結(jié)構(gòu)幾乎都是鋼結(jié)構(gòu)，科技含量較高，本文提出的五個衡量指標(biāo)是最基本的。要設(shè)計(jì)好一個大跨度空間結(jié)構(gòu)建筑，建筑師和結(jié)構(gòu)工程師的合作應(yīng)當(dāng)達(dá)到配合默契的程度。嚴(yán)格貫徹執(zhí)行國家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，即技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、確保質(zhì)量。
由于篇幅有限，有關(guān)大跨度空間結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，原理和技巧，如剛?cè)峤Y(jié)合等，與常用跨度的結(jié)構(gòu)是不同的，將在另文與大家探討。