我国大跨度空间钢结构的发展与展望
浙江大学 董石麟  
  
摘要
　　本文阐述了我国大跨度空间钢结构应用与发展的基本情况。这些空间钢结构包括有大跨度、大面积网架结构、大跨度、大悬臂网壳结构、组合网架结构、组合网壳结构、预应力网架与网壳结构、斜拉网架 与网壳结构、铝合金、不锈钢等材料的网架与网壳结构、特种网架与网壳结构等。最后本文展望了二十一世纪的大跨度空间钢结构。
  
关键词
　　大跨度结构；空间钢结构；空间网格结构；应用与发展；展望
  
1.前言
　　本文所指的大跨度空间钢结构主要是指网架、网壳结构及其组合结构(两种或两种以上不同建筑材料组成)和杂交结构(两种或两种以上不同结构形式构成)。这是一类结构受力合理、 刚度大、重量轻、杆件单一、制作安装方便的空间结构体系，在近一二十年来获得蓬勃发展，并在大跨度、大柱网的公共和工业建筑中得到广泛应用。它不仅可用于屋盖结构，而且可用于楼层结构、墙体结构和特种结构。
　　我国自1964年建成第一幢网架结构--上海师范学院球类房屋盖以来，据不完全的统 计，至1999年底我国已建成各类网架、网壳结构10000幢(其中网壳结构占4％为400幢)，复幢建筑面积约1200万平方米。目前，年增长的复盖建筑面积为80．100万平方米。我国网架、网壳结构生产制造厂已超过100家，如徐州飞虹网架集团公司、杭州大地网架制造有限公司、常州网架厂等，逐步形成了一个新兴的空间钢结构制造行业，可进行批量规模生产。  
  
2.大跨度、大面积网架结构
　　众所周知的首都体育馆，平面尺寸99m×112．2m，为我国矩形平面屋盖中跨度最大的网架。上海体育馆，平面为圆形，直径110m，挑檐7．5m，是目前我国跨度最大的网架结构。
　　1996年建成的首都机场四机位机库，平面尺寸(153十153)mx90m[1]，见图1；1999年新建成的厦门机场太古机库，平面尺寸(155十157)mx70m，是我国当前建筑复盖面积最大的单体网架结构，也是目前世界上最大的机库。如包括前几年建成的成都双流机场机库，(平面尺寸87mx140m)、上海虹桥机场机库(平面尺寸95mxl50m)等，表明了中国大型机场的机库都采用了大跨度网架结构。
　　近十年来，网架结构在我国工业厂房屋盖中得到大面积的推广应用，其建筑复盖面积超过300万平方米，这在世界上是领先的。云南玉溪卷烟厂的连片网架厂房达12万平方米。工业厂房网架中跨度最大的为60m的上海江南造船厂新建厂房[2]。
　　为增大结构刚度、降低内力峰值、小材大用、方便制作、运输和安装，我国在八十年代后期开始采用三层网架，至今共建成10 幢。首次建成的三层网架是长沙黄花机场机库屋盖[3] 尺寸48m×64m，网架高5m，开口边为四层网架，高7．5m。前面提到的首都机场四机位机库，采用斜放四角锥焊接球节点三层网架，两块网架的实际平面尺寸为84m×150m，网架6m，也是我国跨度最大的三层网架。  
  
3.大跨度、大悬臂网壳结构   
　　1994年建成的天津新体育馆，平面为圆形，直径108m，挑檐13．5m，总直径达135m，曾是我国圆形平面跨度最大的球面网壳。1998年初建成的长春体育馆，平面为120mxl66m枣形，连同支架的平面为146m×192m，是当今我国跨度最大、复盖建筑面积最大的网壳结构[4]]，见图2。我国长期以来网壳结构跨度未突破百米大关的历史已成过去。
　　正在建设中的深圳市市民中心大屋顶采用了平面尺寸为(154-120)m×486m大鹏展翅形 变厚度、双曲率网壳结构，在纵向分为三段，两翼支承在18个树枝形(双向W形)柱帽上，中部支承在36m大圆筒及36m×48m大方筒的侧壁上，建成后使我国复盖建筑面积最大的网壳结构将再创新的记录。
　　在电厂干煤棚工程中采用网壳结构是近几年来发展起来的，已建的工程有十多幢。嘉兴电厂干煤棚(跨度103．5m，长度80m)和1998年建成的杨州第二发电厂干煤棚(跨度103．6m，长度120m)[5]是我国矩形平面最大跨度的两幢三心圆柱面网壳。为增加网壳的刚度、改善受 力性能，台州电厂干煤棚(跨度80．1m，长度82．2m)采用了纵向带折线形的圆柱面网壳[6]，见图 3。1999年建成的漳州后石电厂干煤棚，采用了直径125m的超过半球的球面网壳，成为我国跨度最大的球面网壳。电厂干煤棚采用网壳结构的平均用钢量为50-70kg／m2，比以往采用门式刚架或拱结构的平均用钢量80-125kg／m2降低了40％以上，其经济效益是十分明确的。
　　大型体育场的挑篷采用空间网壳结构有日益增多的趋势。1992年建成的深圳体育场周 圈挑篷(沿环向分为12段)，采用变高度螺栓球节点双层正放四角锥网壳结构，挑篷宽度31m，悬挑25．5m。为昆明99'世博会开幕用的昆明拓东体育场挑篷，首次采用周圈连续的变厚度双层正放四角锥网壳结构，挑篷宽度34m，悬挑26m。上海八运会八万人体育场挑篷采用了大悬臂大网格双向交叉桁架结构与支承模结构组合而成的杂交结构[7]，复盖建筑总面积36100m2，最大悬臂跨度为73．5m。两向交叉桁架共构成57个大网格，其上架立57个由8根拉索1根压杆组成的伞状拉索结构，并敷设美国进口的乳白色半透明膜材面层。这是我国悬臂跨度最大的外形呈马鞍形的交叉桁架--支承膜杂交结构。  
  
4. 组合网架结构   
　　以钢筋混凝土上弦板代替钢上弦杆的组合网架结构是近十多年来开发的新结构体系E8][9]，它可充分发挥混合土受压、钢材受拉两种不同材料的强度优势，使结构的承重和围作用合二为-。
　　我国已建成40幢组合网架结构，它用于屋盖结构，也用于多层和高层建筑的楼层结构， 形式之多、跨度之大、应用范围之广在世界上是领先的。1980年在我国首次建成了平面为21m ×54m的蜂窝形三角锥组合网架，用于徐州夹河煤矿大食堂屋盖；跨度最大的组合网架是1987 年建成的45．5m×58m江西抚州地区体育馆屋盖；用于多层建筑中跨度最大的组合网架1987年建成的35m×35m新乡百华大楼(加四层)楼层结构，见图4；用于高层建筑楼层结构合网架的是平面24m×27m长沙纺织大厦(地下二层、地上十-层、柱网10mxl2m及7x 12m)[10]。  
  
5． 组台网壳结构
　　当在单层钢网壳结构上敷设的预制带肋混凝土面板在连接灌缝形成整体后不仅起围护作用，而且起承重作用，从而形成由钢网壳与钢筋混凝土带助壳两种不同材料与不同结构形式组合而成的新型空间结构--组合网壳。由于组合网壳的协同工作，大大改善了单层钢网壳的性能，通常情况下，组合网壳的设计不是由单层钢网壳的稳定性控制。
　　这种组合网壳在我国已建成10幢，它应用于民用建筑，也用于工业厂房。早在1984年就建成18m×24m三向型双曲组合扁网壳，作为山西汾西矿务局工程处食堂屋盖。1993年及1994年共建成四幢直径34．1m的肋环型组台球面网壳，用于山西潞安矿务局常村矿井洗煤厂倒圆锥台煤仓的顶盖；在施工拼装第三幢组合网壳时，未设置中心临时文撑(施工第一、二幢时是设置的)，曾发生单层钢网壳翻面失稳的事故，这是应该吸取经验教训的[11]。  
  
6． 预应力网架与网壳结构
　　把现代预应力技术引用到网架与网壳结构中去，可起到提高整个结构的刚度、减小结构挠度、改善内力分布、压低应力峰值的作用，从而可降低材料耗量，具有明显的技术经济效果。因此，预应力网架与网壳结构是一种新型的有广阔发展前景的空间结构。
　　我国已建的预应力网架与网壳结构工程约有10幢。1993年建成的上海国际购物中心七、八层楼，采用在下弦平面下20cm处增设四束高强钢丝铸锚束的预应力正放四角锥组合网架，平面尺寸27m×27m，截去一个腰长为12m的等腰三角形，见图6，采用预应力后节省钢材用量32％[12]。
　　广东清远市体育馆，采用六支点预应力六块组合型三向扭网壳，见图7，平面尺寸为边长46．82m正六边形，对角柱跨度89．0m，周边设六道预应力拉索，每索选用4索9×75，建立预应力值1600kN[13]。四川攀枝花体育馆，采用八支点预应力短程线型球面网壳，平面尺寸74．8m×74．8m缺角八边形，对角柱跨度64．9m，周边设人道预应力索，每索建立预应力值700kN，比非预应力钢网壳可节省用钢量25％[14]。  
  
7． 斜拉网架与网壳结构   
　　斜拉网架与网壳结构通常由塔柱、拉索、网架与网壳结构组合而成，是大中跨度建筑一种形式新颖、协同工作的杂交空间结构体系，它具有增加结构支点、减小结构挠度、降低杆件内力、发挥高强拉索优势等特点，也是一种内部空间宽广、造型新奇、颇有景点特色的大跨度建筑。
　　我国目前已建成的斜拉网架与网壳结构有10幢。具有代表性如1993年建成的新加坡港务局(PSA)仓库，采用4幢A型6塔柱平面为120m×96m、2幢B型4塔柱平面为96m×70m共 6幢斜拉正放四角锥网架，每塔柱设有四根斜拉索[15]。北京亚运会综合体育馆，采用双塔柱两块组合型斜放四角锥人字形剖面的圆柱面网壳，平面尺寸70m×83．2m，屋脊处对每塔柱设8 根共16根平面单向拉索[16]。1995年建成的山西太旧高速公路旧关收费站，采用独塔式斜拉左右两块正放四角锥圆柱面网壳，总平面尺寸14mx64．718m，共设有全方位布索28根[17]。  
  
8． 铝合金、不锈钢等材料的网架与网壳结构
　　由于要减轻结构自重、抵御大气腐蚀作用和提高建筑美学效果，近年来在我国兴建了采用铝合金、不锈钢、耐侯钢等金属材料的网架与网壳结构。
　　我国目前共建成四幢铝合金网壳、一幢铝合金网架。1996年建成天津市平津战役纪念馆为我国首幢铝合金三角形网格单层球面网壳，底平面直径45．6m，矢高33．83m，最大球面直径48．945m(3／4球面网壳)，网壳重34．4吨，连同铝合金屋面板的总重58．7吨[18]。作为上海八运会的体育馆之一的上海国际体操中心主馆，见图9，采用铝合金扇形三向型(K6-8型)一葵花三向型网格单层球面网壳[19]，平面直径68m，矢高11．88m(连同柱子形成扁球体外形的最大平面直径77．3m，总高度26．5m)，球面曲率半径55．37m，该网壳由262节点、1200根铝合金工字型截面杆件组成，网结构自重仅12kg／m2(其中还包括1．3mm厚铝合金屋面板重3．64kg／m2)。由见可见，铝合金网壳的自重要比同等跨度的钢网壳至少要轻50％以上。1999年还建成了上海杂技馆，也采用铝合金扇形三向型--葵花三向型网格单层球面网壳。这三幢铝合金单层网壳均是美国TEMCOR公司设计制作的专利产品"圆弯屋顶"，这种"圆弯屋顶"在世界上已建成数千个。此外，上海浦东游泳馆屋盖也采用了美国TEMCOR公司的铝合金网壳结构，所不同的它是一种双层圆柱面正放四角锥网壳[20]，见图10，平面尺寸(54．0-58．0)mx72．0m(一边带圆弧形)，网壳厚2．4m，曲率半径l00m，连同铝合金屋面板总重量为92.63吨，即23kg／m2。
　　某航天实验研究中心零磁试验室，采用了我国自行研制、设计、制造的螺栓球节点铝合金全网架结构(包括屋盖与墙体)[21]，平面尺寸22m×30m，墙体高度11m，由921个球节点近4000根杆件组成，按展开面积的材料用量仅8．56kg／m2。
　　上海新海关大楼高层屋顶，采用了不锈钢K6-9型焊接球节点单层球网壳，平面直径22．06m，高矢6．0m，该网壳采用国产不锈钢，通过材性试验与Q235钢的抗拉强度相当，可焊性好，网壳由浙江大学设计、杭州大地网架制造有限公司制作、安装，系我国首例单层球面不锈钢网壳，现已使用四年，效果良好。作为装饰用的不锈钢小品网架、网壳现在国内已开始较多采用。  
　　上海东方明珠二期工程--国际会展中心采用了大球直径为49m、小球直径为38m共两个耐侯钢方管杆件的肋环型单层球面网壳，于1999年五十周年国庆前夕建成，为上海浦东增添了一个新景点。该网壳结构工程由上海冶金建设有限公司等单位研究、设计、制作、安装完的。  
  
9． 特种网架与网壳结构
　　我国的网架、网壳结构除广泛用于工业与民用建筑的屋盖和楼层外，还用于形态新颖、功能各异的特种结构，兹分述如下：
9.1 塑像骨架
　　塑像骨架已用于1997年建成的广东南海大佛的12支点多层多跨网架骨架，见图11。佛像结构高度46m，最大平面尺寸为30m×35m曲多边形，网格尺寸3mx3m，每层高度2m，整个网架共由1118个节点(支座及一层为焊接球节点，其余为螺球节点)和5218根杆件组成，材料用量约200吨[22]，这是世界第一个塑像网架骨架。
9.2 标志结构
　　标志结构可作为某一地区、某一城市的表征，如温州市地标，采用总高40．8m，跨度30m的螺栓球节点网架结构[23]。
9.3 各种用途的整个球面网壳结构
　　1991年建成的北京中国科技馆球幕影院，采用直径35m短程线型双层球面网壳；1990年建成的徐州电视塔塔楼，采用直径21m单层联方型全球网壳，并采用地面组装、整体提升到99mm设计标高就位的施工安装方法[24]；上海东方明珠电视塔，选取装饰用的单层联方型全球网壳；大连友谊广场中心采用直径为25m、镶嵌镜面的水晶球网壳；杭州满陇桂雨公园寒宫，用29m直径整球面螺栓球节点双层球面网壳等。  
9.4 高耸塔架  
　　除通常用于输电塔架外，合肥金斗城大型高志高层部份的第17至24层采用螺栓球节点两向正交正放高层网架塔楼，1994年建成，使用效果良好。大连电视塔塔身采用双层圆柱面正放四角锥网关塔筒结构。  
9.5 网架墙体  
　　已用于张家港钢铁厂竖炉电炉炼钢及连铸车间侧墙(柱距24m，个别12m，檐口标高 38．4m)和山墙(两跨27m十30m)，用钢指标分别为23．0kg／m2及26．2kg／m2，比传统墙壁骨架案分别节省9．0kg／m2及21．8kg／m2[25]。此外，还用于徐州通域集团空间结构制造厂新建8000m 网架车间的侧墙。  
9.6 网架桥梁  
　　已用于上海阂行区新梅人行天桥，桥长110m、宽4．0m，由上、中、下三层螺栓球节点网架组合而成，下层网架采用正放四角锥网架，它和盖梁相连，且支撑桥面系供人行走；中层网架为桥梁造型的主要立面；上层网架与中、下层网架协同工作，且支撑屋面板；此座网架桥梁的用钢量为64吨，比采用钢箱梁方案为202吨有大幅度的节省。此外，还用于贵阳大十字过街人行环形天桥。  
9.7 装饰网架  
　　在亭、廊、天井、门厅等形态各异的采光或非采光屋盖结构中广泛采用，也在各种网架小品中采用。  
  
10．展望
　　空间网架与网壳结构在我国应用和发展的历史虽仅有三十多年的历史，但已充分表明这是一类很有活力、适应性强、方兴未艾的空间结构。展望未来的二十一世纪，应在以下重点、热、难点的科技领域和前沿课题展开工作，大力开拓和发展各类新型、适用、美观的空间钢结构。
10.1 总结经验，抓住机遇，迎接挑战，随着我国经济建设的蓬勃发展和人民生活水平的不断高，根据实际需要在我国研究、设计、制作和安装150m-200m，甚至大于200m的大跨度与超跨度的空间钢结构。
10.2 在取得已有成果的基础上，进一步发展和完善具有我国特色的组合、斜拉和预应力网和网壳结构，并扩大它们应用范围。
10.3 积极研究和开拓应用当前空间结构中最热门的索一杆(梁)杂交结构体系和索穹顶，以 填补我国的空白。
10.4 开展研究和推广应用各类开启式和展开式空间钢结构体系。
10.5 研究和开发空间钢结构的新材料、新结构、新技术、新节点、新工艺。
10.6 研究大跨度与超大跨度空间钢结构的抗风、抗震计算理论与方法及其结构控制按提供实用的设计计算方法和公式。