现代空间结构的新发展

                  一、概述

　　 空间结构是指结构的形态呈三维状态，在荷载作用下具有三维受力特性并呈空间工作的结构。平板网架,网壳以及悬索结构等空间结构在我国得到了广泛的应有，已为人们所熟悉。空间结构与平面结构相比具有很多独特的优点，国内外应用非常广泛。特别是近年来，人们生活水平不断提高，工业生产、文化、体育等事业不断进步，大大增强了社会对空间结构尤其是大跨度高性能空间结构的需求。而计算理论的日益完善以及计算机技术的飞速发展使得对任何极其复杂的三维结构的分析与设计成为可能。这些正是空间结构能够扩大应用范围得以蓬勃发展的主要因素。近几十年来，世界上建造了成千上万的大型体育馆、飞机库、展厅，采用了各类空间结构，展示着优美的造型，成为一道道风景。更有无数的厂房、仓库等采用空间结构，实现了经济、合理的完美统一。
　    目前空间结构向着轻量、大跨方向发展，这种发展趋势要求必须千方百计降低结构自重，降低结构自重的途径一方面是研制运用轻质高强的新型建筑材料，另一方面是研究开发合理的结构形式。结构受拉部位采用膜材或钢索，受压部分采用钢或铝合金构件，这样膜、索、杆结合使用，形成杂交结构，可望实现理想的轻量大跨结构。
　    张拉整体结构和膜结构是降低结构自重的较理想的结构体系，可跨越很大的跨度。目前跨度已做到20m左右。这两种结构在美国和日本发展最快，建造了很多大型工程。
　    另外适应全天候气候条件的开合结构、施工便捷的折叠结构，以及外观华丽的玻璃结构等也都属于现代空间结构新发展的课题，国外已有很多的工程应用。下面对前面提到的几种空间结构分别予以论述。
　　　　　　
　　　　　　　二、张拉整体结构

  　　“张拉整体”（Tensegrity）概念是美国著名建筑师富勒（R．B．Fuller）的发明，它是“张拉”（tensile）和“整体”（integrity）的缩合。一这概念的产生受到了大自然的启发。富勒认为宇宙的运行是按照张拉整体的原理进行的，即万有引力是一个平衡的张力网，而各个星球是这个网中的一个个孤立点。按照这个思想张拉整体结构可定义为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。这种结构的刚度由受拉和受压单元之间的平衡预应力提供，在施加预应力之前，结构几乎没有刚度，并且初始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。由于张拉整体结构固有的符合自然规律的特点，最大限度地利用了材料和截面的特性，可以用尽量少的钢材建造超大跨度建筑。
　 　对于张拉整体结构的研究开始于40多年前，从最初的设想到工程实践大约经历了以下几个阶段：想象和几何学、拓扑和图形分析、力学分析及试验研究。其中力学分析包括找形、自应力准则、工作机理和外力作用下的性能等。张拉整体结构的几何形状同时依赖于构件的初始几何形状、关联结构（拓扑）及形成一定刚度的自应力的存在。另外这种结构在外力作用下的变形（与自应力的效果不同）也提出了其它结构问题，首先它属于临界类体系，结构在外荷载过程中刚度不断发生变化，传力途径也就随之改变；其次这种结构只能在考虑了几何非线性甚至材料非线性时才能分析。
　　从50年代起，许多研究工作者都采用了靠想象的实用方法，如斯耐尔森（K．Snelson）的雕塑及莫瑞挪(Moreno）的设想等。最重要的几何学上的工作是由富勒和埃墨瑞赤（D．G．Emmerich）完成的。加拿大的结构拓扑研究小组在形态学方面做了最重要的工作，他们出版的杂志包括了许多张拉整体体系拓扑方面的文章，但这些研究都是数学上的，在三维空间上工程应用的研究也只为警告设计者们容易出现的不稳定方案。在大多数的情况下，张拉整体多面体几何的构成特性使得图形理论可以用来模型化它们的拓扑。
　    张拉整体的找形分析为的是使体系的几何形式满足自应力准则。对于一个基本单元，可以用一种简单的静力方法来获得自应力几何，其原则包括寻找一个或一套元素的最大或最小长度，同时得到其他元素的尺寸条件。佩里哥瑞挪(S.Pellegrino)建议了用一种标准非线性程序解决这一问题的方法。而一个基于虚阻尼的动力松驰方法也得到了同样的结果。
　    张拉整体结构的力学分析类似于预应力铰节点索杆网格结构，除了一些特殊的图形外，都含有内部机构，呈现几何柔性。为了研究的目的，除了一般的找形和静动力分析过程外，有时还用到一个中间过程：稳定性、机构及预应力状态的研究。张拉整体体系的分析模型必须考虑非线性特性和平衡自应力的存在。莫赫瑞(Mohri)说明了如何保证适当的自应力及单元的刚度，还给出了识别与索提供的刚度相一致的自应力状态的算法。张拉整体结构的静力性能的非线性分析已经完成，其模型基于松弛原理或牛顿-拉夫逊型过程的矩阵追赶法原理，有人也做了动力松弛的模型。
　　斯耐尔森的极具艺术性的雕塑是体现富勒张拉整体思想的最早尝试。在这之后富勒、埃墨瑞赤、瓦尔耐(O.Vilnay)、莫特罗(R.Motro)、汉纳(A.Hanaor)等创造了多种张拉整体结构体系。目前在世界很多地方都建造了艺术品性质的张拉整体结构，如法国的公园雕塑、华沙国际建筑联合会前的自张拉空间填充体、荷兰国家博物馆前覆盖的四棱柱张拉整体单体以及1958年富勒为布鲁塞尔博览会设计的一个有表现力的张拉整体桅杆等。
　　美国已故著名工程师盖格尔(D.H.Geiger)为张拉整体思想的发展做出了极大贡献。他在富勒创造的富勒张拉整体穹顶的基础上，发明了支承于周遍受压环梁上的一种索杆预应力张拉整体穹顶体系，即索穹顶，从而使得张拉整体的概念首次应用到大跨度建筑工程中。1986年以他的名字命名的盖格尔公司将索穹顶结构成功应用于汉城奥运会的体操馆(D=119.8m)和击剑馆(D=89.9m)。之后又相继建成了美国伊利诺斯州大学的红鸟体育馆(椭圆91.4m×76.8m)及佛罗里达州的太阳海岸穹顶(D=210m)。1992年在美国建造了世界上最大的索穹顶体育馆——乔治亚穹顶(Georgia Dome)，见图1。它是1996年亚特兰大奥运会的主体育场，平面为椭圆形(193m×240m),这种双曲抛物面型张拉整体索穹顶的耗钢量少得令人难以置信，还不到30kg/m²)。 

　　图１　美国亚特兰大乔治亚穹顶　　　　　　　　　　　　　　　　　　图２　日本东京体育馆
　　应该看到盖格尔发明的张拉整体索穹顶结构源于富勒的张拉整体思想，属于张拉整体体系的范畴，但由于它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成应，故而可以说彻底的大跨度张拉整体结构还没有建成。因此对于张拉整体结构无论在理论分析方面还是施工技术及建筑材料方面都还有很多工作要做。

　　　　　　　　四、开合结构

　　开合结构（Retractable Structures）的出现与人类体育事业的发展密切相关，是当代人类物质文化生活水平发展到相当程度，人们对体育比赛场馆功能要求日益完美的结果。体育场空间本来是个开放的空间，古代的奥运会就是在有天然草皮的大地上，在阳光的照射与微风的吹拂中召开的。然而，热衷于体育运动的现代人却发展成了室内体育馆，通过装备一些设备，将室外体育设施室内化，把体育赛事作为一种观赏项目开展起来。这样做不仅能在比较恶劣的环境条件下保护观众和运动员，而且实现了能在预定的时间内，进行预定的体育比赛，这是体育现代化的必然要求。这种建造大型运动场馆的技术早已具备，而且无数的体育场馆已投入使用。但是这些带有屋顶的运动场并非剧场，人们还是憧憬着大自然的天空，大自然的阳光，大自然的和风，如果条件允许，敞开式运动场是受观众和运动员欢迎的，因此开合式屋盖结构应运而生。
　    据统计国际上从本世纪60年代至今已建成200余座开合结构，但绝大多数属于中小型建筑，主要用于游泳馆、网球场等体育建筑。从这些工程应用中人们已充分领略到这种结构的优越性：当雷雨风雪时将屋盖关闭，享受一种温馨与热烈；当天高气爽时将屋盖打开，感受自然之美。此外屋盖开启后室内外融为一体，尤其在夜晚，夜色与灯光融合，更有一种特殊感受。目前开合结构不仅用于体育场馆，而且广泛用于飞机库、商场、厂房及需要晾晒的仓储建筑。
　    与固定式屋盖相比开合屋盖在技术上有很多特殊的问题必须慎重对待，如在结构形状不断改变的条件下设计荷载尤其是风荷载以及结构运动产生的冲击效应的评估与选择，屋盖走行部及轨道设计，屋盖运行故障检测及排除措施，屋盖的监控与安全保障系统设置等。为了经济安全，移动结构构造应简单并尽量轻型化；屋盖开启或关闭过程一般控制在20-25分钟，为尽量减少冲击力，应控制开始或停止时间在l-2分钟；应装置地震传感器和风速仪，当超过特大风速和地震强度时，开关系统应能判别，以调整整个系统不会超载；屋盖应按装电视摄像及超声波传感系统，以便及时发现故障原因；控制装置设计应有富余，当装置的任何部分失灵时不至于整个系统失灵，为此应用一种双控制系统，既能自动也能手动；在开合功能失灵时，应能保障整个屋盖结构的安全。在已建成的开合结构中不乏打开合不上、合上开不了的例子，更有一些开合结构因开合功能故障最终不得不改为固定屋盖。这说明开合结构确实是一种技术性很强的结构形式，对设计和施工都有很高的要求。
　    开合结构的开合方式有以下几种类型：
　    1．水平移动
　    单纯通过屋盖水平移动形成开合。
　    2．重叠方式
　     又可细分为：
　    （1）水平重叠，通过数段屋盖水平重叠搭接形成开合；
　    （2）上下重叠，将屋盖上下分成数段，底段固定，上面几段可上下滑动形成开合；
　    （3）回转重叠，通过数块屋盖回转重叠形成开合；
　    （4）水平回转移动重叠，既有水平移动又有回转移动，最后重叠搭接形成开合。
　    3．折叠方式
　   又可细分为：
　    （1）水平折叠，构件水平方向折叠形成开合；
　    （2）回转折叠，构件水平回转折叠形成开合；
　    （3）上下折叠，一般采用膜屋面，类似于折叠伞，通过吊起或放下屋面形成开合。
　    4．混合方式
　    上述这些开合方式的组合。
　    对一个开合结构工程的评价是多方面的，应依据具体结构的功能及规模等进地，如屋盖开启状态下的开启、天空形状、屋盖形状、屋盖阴影、亮度对比，屋盖关闭后的屋盖形状、屋盖性能、屋盖的耐久性、屋盖的开合方式、屋盖走行部的运转，工程费用高低、施工难度、建筑面积及工程占地面积等都应是开合结构评价的主要内容。
　    由于开合结构造价较高、施工难度大、以及其围护管理要求很高，所以在大跨度建筑中这种结构用的很少。但目前仅有的几座大型开合结构都产生了广泛的影响，造成过轰动效应，有的已经成为其所在城市的标志。1961年建成的美国匹兹堡会堂是世界上第一座大型开合结构，平面设计成圆形，直径127m，建筑高度33m，采用回转式开合屋盖，屋盖分8块，开启率为75％，观众席朝向街区，随着屋盖的慢慢开启，街区的楼群轮廓可浮现在观众面前。加拿大蒙特利尔奥林匹克体育场1976年就完成了看台部分的施工，但因为经济问题开合屋盖结构直到1987年才竣工，屋盖采用上下折叠开合方式，开口部位长径180m，短径120m，面积18，000m²，呈椭圆形。1989年建成的加拿大多伦多天空穹顶（Sky Dome），如图 3所示，一度是世界上跨度最大的开合结构，屋顶直径205m，覆盖面积32374m²，为平行移动和回转重叠式的空间开合钢网壳结构。整个屋盖由四块单独钢网壳组成，其中三块可以移动，中间部分为两块筒状网壳，可水平移动，两端为两块四分之一球壳，其中一块固定，一块可旋转移动 180⁰。屋盖开启后91％的座位可露在外面，赛场面积开启率可达100％，开闭时间约20分钟。天空穹顶与著名的多伦多CN塔相临，屋盖开启后呈现在观众面前的是安大略湖和以高553m的CN塔为背景的空间多彩景色。当今世界规模及跨度最大的开合结构是跨度（直径）222m的日本福冈体育馆，见图4。该馆于1993年3月建成，建筑面积 72740 m²，是 1995年在福冈举行的世界大学生运动会的主会场。屋盖由三片网壳组成，最下一片固定，中间及上面两片可沿着圆的导轨移动，因此开合方式为回转重叠式，全部开启后可呈125⁰的扇形开口。各片网壳均为自支承，为避免在开合过程中振幅特别大的顶部引起装饰材料互相碰撞，在屋顶中心设置液压阻尼器减震。屋盖移动的轨道上装有地震仪，当地震仪接收到超过50gal（0.5m/s²）的加速度时，能自动停止移动。值得一提的是这么大工程仅用了两年多的时间，由此可看出施工队伍的综合施工水平是非常高的。

                                                                  图4日本福冈体育馆开合结构
　    依据不同的标准折叠结构有着不同的类型划分：按照折叠结构组成单元的类型可分为杆系单元、板系单元，而杆系单元又可再分为剪式单元及伸缩式单元；根据结构展开成型后的稳定平衡方式可分为结构几何自锁式、结构构件自锁及结构外加锁式；根据结构组成是否采用索单元可分为刚性结构及柔性结构；根据结构展开过程的驱动方式可分为液压（气压）传动方式、电动方式、节点预压弹簧驱动方式等。
　　结构几何自锁式又称自稳定折叠结构，是工程界普遍重视的一种结构。其自锁原理主要是由结构的几何条件及材料的力学特性决定。在这种结构中，一些剪式单元（简称剪铰）以一定方式相连而组成锁铰。锁铰中每根杆件只有在折叠状态与完全展开时，才与结构的几何状态相适应，杆件应力为零，而在展开过程中杆件弯曲变形，储存外荷能量，最后反方向释放这些能量。自稳定折叠结构展开方便、迅速，但其杆件抗弯刚度比较小，因而承受外荷载能力低，只适合小跨度情况。结构构件自锁式的自锁机理主要是靠铰接处的销钉在结构展开时自动滑入杆件端部预留的槽孔处而锁定结构。结构外加锁式亦称附加稳定结构，在结构展开过程中，杆件内无应力，整个结构是一个机构体系，在展开到预定跨度时，在结构的端部附加杆件或其它约束而消除机构形成结构。这种结构的杆件刚度比较大，可满足较大跨度的要求。
　　没有索单元的折叠结构称为刚性结构，而柔性折叠结构的受拉单元为索单元。柔性结构在收纳状态时，索呈松弛状态，刚性杆件可形成捆状便于运输储存。在展开时可拉紧驱动索使结构展开，亦可增加压杆长度来张拉索，在完全展开时可形成张拉整体体系。这种结构自重轻、展开成型后刚度较大，可用于跨度较大的结构。
　　折叠结构根据其在展开过程中所表现的运动特性可分为两大类：一类是各部分运动为刚体运动，称其为多刚体体系，它的运动描述及内力分析比较容易解决；另一类则是部件在空间中经历着大的刚性运动的同时，还存在自身的变形运动，表现出刚性运动与变形运动互相影响，强烈耦合的特征。自稳定杆系结构就属于后一种类型，其中锁铰的设计是整个自稳定折叠结构设计的基础，直接影响结构的合理性及使用方便性。理想的自锁条件是在叠展的过程中，组成锁铰的杆件内产生内力，内力变化呈缓升陡降的趋势，变化率表现出大范围变化的慢变量与小幅度的快变量的特征。这种运动特性必须采用非线性理论来描述，这正是这种结构计算的难点所在。
　　对于任何空间结构，节点设计都占有很重要的位置，折叠结构自不例外，而且还有一些特殊要求：折叠结构的节点必须能够保证杆件在展开过程中运动自如，杆件与节点连接处没有较大摩擦或易于弯曲的变形；在结构收纳状态时能够保证杆件成紧密捆状，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、摩擦等各种作用。目前应用比较普遍的是毂节点，节点材料可用金属或高分子材料。

　　　　　　　六、玻璃结构

　    玻璃被作为建筑材料用于建筑物已有很长的历史，但多用于门、窗、采光带等。近年来随着玻璃性能的不断改善，以及人们对玻璃特性认识的不断深入，玻璃已被越来越多的作为承重材料用于建筑结构。
　    在一般人眼里玻璃是一种纤薄易碎的东西，很难与硕大的承重结构联系起来。事实上虽然玻璃在力学性能上有一定的局限性，但如果对其设计合理，扬长避短，用于建筑结构会取得意想不到的效果。透明或半透明是玻璃的最主要也是最显著的特征，因此玻璃结构一般明亮华丽，从采光这个角度上说，这也是一种节能结构。玻璃在力学性能上有点像混凝土，是一种脆性材料，抗压性能好、抗拉性能差，应力应变关系表现为线性，弹性模量在70-73GPa之间，约为钢材弹性模量的三分之一。一般浮法玻璃的抗弯强度为50MPa，经过热处理后玻璃的性能可显著改善，钢化玻璃的抗弯强度高于70MPa，淬火玻璃的抗弯强度则可超过120Mpa，甚至可达到200Mpa，而玻璃的自重为2500kg／m³，所以玻璃的强重比要优于普通钢材，玻璃结构能给人一种轻巧的感觉。玻璃的热膨胀系数为 9×10^-6，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。玻璃的耐腐蚀性能很强，可抵抗强酸的侵蚀，因此玻璃结构的防腐费用较低。因此越来越多的建筑师和结构工程师在工程中利用玻璃来实现建筑物更亮、更轻、更美的高科技效果，增强城市的现代化气息。  
　　 结构用玻璃主要类型有：退火玻璃、夹丝玻璃、钢化玻璃以及淬火玻璃等。通过对这几种玻璃的再次加工可得到一些特殊用途的玻璃，如夹层玻璃、隔热、隔声玻璃等。

　　　　　　　图5　张拉整体无框架玻璃

由于力学上的局限性，玻璃在结构中一般与钢、铝等抗拉材料共同工作，因此玻璃结构设计的关键是通过一定的结构及构造形式来发挥不同材料各自的受力特长，以求得合理的设计结果。最简单也是最常用的方案是采用钢或铝合金框架来镶嵌玻璃幕。这样做可通过金属框架来分割整个玻璃幕，使得每块玻璃面积不致太大，从而保证玻璃板的面外刚度。显然整个幕墙因为被不透明的金属框分割而变得不连续，影响了建筑效果。玻璃结构发展的最新技术就是去掉这些金属框架，保持玻璃幕的连续性。但是玻璃的力学特性没有变：耐压不宜折，对平面外的变形非常敏感，因此尽管取消了金属框架，仍要保证结构中的玻璃处于受压状态。这使人想到了张拉整体体系，张拉整体中的杆件就是纯受压的。这样在张拉整体思想的基础上，产生了张拉整体无框架玻璃幕结构（Tensegrity Frameless Glazing）。这种结构用玻璃板代替了张拉整体体系中的压杆，为增强整个结构的刚度，减小结构的变形，用有一定刚度的杆件（Rod）代替拉索（Cable）。整个玻璃幕仍然是由若干块玻璃拼成，只是玻璃之间不再通过金属框架连接，而是由位于平面外的专用连接件直接对接，连接件与玻璃幕之间可以栓接也可以粘接。
　　玻璃板本身的强度、刚度计算是在整体结构分析的基础上进行的，在这方面国际上还没有相应的规范作为依据，但德国等一些国家的学者已经将以概率统计为基础的可靠度理论引入玻璃结构的计算，并用极限状态法给出了相应的强度、位移验算公式。因此玻璃结构的计算目前已不困难，研究的重点则应放在结构形式及细部构造上。
　　　　　　　
　　　　　　　　　七、总结

    　本文介绍的这五种空间结构，代表了当前世界空间结构的发展方向，可以说今后谁占有这几方面的优势，谁就必然在世界空间结构发展中占有领先地位。应当看到，我国在空间结构的前沿领域与世界发达国家差距还很大，在张拉整体结构、开合结构以及折叠结构的工程实践方面几乎属于空白。因此我国相关的工作人员都应认清形势，急起直追，加强科研开发，以便在短时间内赶上世界先进水平，为国家争荣誉，为人类做贡献。　

                                                    　　　　 参考文献

1 刘锡良,空间结构世界发展水平工程力学（增刊），1994
2 刘锡良，陈志华一种新型空间结构——张拉整体结构体系土木工程学报，1995，（4）
3 刘锡良，朱海涛一种新型空间结构——折叠结构体系．工程力学（增刊），1996
4 刘锡良, 大跨度开合空间结构．工程力学（增刊），1996
5 Makowski Z S．Three Dimensional Structures，in view of their。achievements in the past， can we forecast their influence upon modern 　engineering and light-weight large-span structures?". Proceedings of the IASS International Symposium'97 on shell & spatial structures. 　Singapore, November, 1997
6 李中立，张拉膜结构的全过程分析及试验研究，天津大学博士论文，1997
7 Shen Xiaofeng. Glass in Structural Engineering. Theories and Practices of Structural Engineering, Seismological Press,1998