大跨度空间及其钢结构工程实现问题探讨

在三维世界里的任何物体都具有空间性质;但出于设计和建造的简化目的, 人们往往把它们分成多个平面结构进行构造和计算。空间结构具有卓越的工作性能, 在结构力学上表现为三维受力, 可通过合理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用 (完海鹰和黄炳生, 2008) ;而且当跨度增大时, 空间结构就愈能显示出优异的技术经济性能。大跨度空间结构及其工程实现令土木工程界关注 (王秀丽, 2008;王国亮, 2010) 。大跨度空间结构工程及其发展如何?钢结构对实现大跨度空间有何作用?钢结构如何实现工程建筑的空间大跨度?本文主要针对这些问题作初步分析, 旨在交流研修心得。

1 大跨度空间结构及其发展

空间结构工程中的“跨度”是指工程建筑物中梁、屋架、拱券两端的支柱、桥墩或墙等承重结构之间的距离 (哈尔滨建筑工程学院, 1985) 。

以往工业用结构跨度多在12m~24m, 考虑到主流建筑材料的性能和工程经济效益, 通常认为大于30m即被理解为“大跨度”。2003年12月以来我国《钢结构设计规范》 (GB50017-2003) 中规定“大跨度屋盖结构系指跨度等于或大于60m的屋盖结构, 可采用桁架、刚架或拱等平面结构以及网架、网壳、悬索和索膜等空间结构。”

近20余年来, 各种大跨度空间结构在美、日、欧等国家发展很快, 跨度150m以上的超大规模建筑已非个别, 出现了许多新的空间结构形式。美国新奥尔良“超级穹顶” (Superdome) 直径207m, 长期被认为是世界上最大的球面网壳;目前已被直径222m的日本福冈体育馆所取代, 而且它的球形屋盖由三块可旋转的扇形网壳组成, 扇形沿圆周导轨移动, 体育馆即可呈全封闭、开启1/3或开启2/3等不同状态。加拿大卡尔加里体育馆采用双曲抛物面索网屋盖, 其圆形平面直径135m, 它外形美观, 迄今仍是世界上最大的索网结构。20世纪70年代以来, 由于织物材料的使用, 膜结构或索-膜结构 (用索加强的膜结构) 获得了发展, 美国建造了许多规模很大的气承式索-膜结构;东京“后乐园”棒球馆, 也采用这种结构技术, 其近似圆形平面的直径为204m;美国亚特兰大为奥运会修建的“佐治亚穹顶” (Geogia Dome) 采用新颖的整体张拉式索-膜结构, 其准椭圆形平面的轮廓尺寸达192m×241m。我国大跨度空间结构工程近年有了骄人的成绩, 建造了包括国家大剧院、国家体育场等大跨度建筑物。

目前某些发达国家正在进行跨度300m以上的超大跨度空间结构的设计方案探讨。大跨度空间结构是最近三十多年来发展最快的结构形式。国际《空间结构》杂志主编Makowski说:“在20世纪60年代空间结构还被认为是一种兴趣但仍属陌生的非传统结构, 然而今天已被全世界广泛接受”。大跨度建筑物及作为其核心的空间结构技术的发展状况已成为代表一个国家建筑科技水平的重要标志。

2 钢结构在实现大跨度空间工程中的优越性

钢结构是指用钢板和热扎、冷弯或焊接型材通过连接件连接而成的能承受和传递荷载的结构形式。与钢筋混凝土结构相比, 钢结构在实现大跨度空间工程中具有在“高、大、轻”等独特优势, 具体表现在以下几点。

(1) 主体采用结构钢作为建筑材料, 重量轻且强度高。钢材作为一种轻质高强的工程材料, 它的应用大大减轻了结构物本身的自重。当跨度和荷载相同时, 钢屋架的重量只有钢筋混凝土屋架重量的1/4~1/3 (王秀丽, 2008) 。此外, 对于大跨度结构, 空间跨度越大意味着结构自重在整个荷载中所占比重越大, 钢结构无疑在减小自重方面拥有其他结构不可比拟的优点。

(2) 钢结构塑性、韧性良好。钢材的塑性良好意味着大跨度钢结构在抵御外部荷载时不会因某些因素而发生突然的脆性破坏, 保证了结构拥有一定的安全储备。而大跨度钢结构的韧性则使其在由地震、风力等因素引起的动荷载作用下具备足够的分散并传递荷载效应的能力, 这在大跨度空间结构抗震分析理论中尤为重要。

(3) 钢结构工业化程度高。钢结构构件多是工厂预制、批量生产、机械化制造, 生产效率高, 速度快, 成品精度与质量易于保证, 是工程结构中工业化程度最高的。这一优势能明显降低工程造价, 缩短工程周期, 提高经济效益。这在要求工期的工业装配车间建造中尤为明显。

(4) 钢结构跨度大, 对地表空间的利用率较高, 这使其具备了一般结构所无法满足的功能要求。同时大跨度空间结构还可以与建筑艺术相融合, 在一定程度上体现了建筑美学的设计理念, 特别适用于航站楼、体育场馆、影剧院的大型公共建筑。

可见, 钢结构是实现大跨度空间结构建设的重要途径。

3 钢结构的大跨度空间工程实现途径

利用钢结构实现大跨度空间结构工程建设的途径多样 (完海鹰和黄炳生, 2008) , 伴随工程技术水平的不断提高, 先后出现网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构和索-膜结构。网架和网壳结构都具有空间网格特点, 可归为空间网格结构一类;悬索结构、膜结构和索-膜结构等柔性体系均以张力来抵抗外荷载的作用, 可总称为张力结构一类;近年还出现柔性构件和刚性构件联合应用的混合结构 (Hybrid Structure) 。

(1) 网架结构。

网架结构是由很多根杆件从两个或多个方向有规律组成的高次超静定结构 (图1左) 。自第一个网架结构 (上海师范学院球类房, 31.5m×40.5m) 于1964年建成以来, 网架结构一直保持良好发展势头;1967年建成的首都体育馆采用斜放正交网架, 其矩形平面尺寸为99m×112m, 厚6m, 采用型钢构件, 高强螺栓连接, 用钢指标6 5 k g/m 2 (1kg/m2≈9.8Pa) ;1973年建成的上海万人体育馆采用圆形平面的三向网架净架110m, 厚6m, 采用圆钢管构件和焊接空心球结点, 用钢指标47kg/m2;1990年在北京建成的一批亚运会体育场馆以及近年建成的国家体育场和中央电视台等都采用了网架结构 (图1) 。

网架结构能承受来自各个方向的荷载;结构整体性能良好, 空间刚度大;体系稳定, 抗震性好;可以利用小规格杆件保证大跨度要求;具备一定的灵活性, 能覆盖矩形、圆形、多边形等各种地上面积。因为网架结构系高次超静定结构, 设计计算较为繁琐, 以往其应用受到一定程度的限制;近年来, 由于电子计算技术及计算机辅助设计的发展, 网架结构无论在结构模型方面还是实际工程应用方面都有了相当迅速的发展。

(2) 网壳结构。

随着经济、文化需求的扩大和人们对建筑欣赏品位的提高, 在结构设计时采用网壳结构。网壳结构是一种空间曲面网格结构 (图2左) , 兼有杆系结构构造简单和薄壳结构受力合理的特点, 因而跨越能力大、刚度好、省材料, 是大跨度钢结构中非常重要的结构类型。

中国第一批具有现代意义的网壳是在20世纪50~60年代为数不多的建筑, 当时柱面网壳大多采用菱形“联方”网格体系, 1956年建成的天津体育馆 (跨度52m) 和l961年同济大学建成的钢筋混凝土网壳 (跨度40m) 为其重要代表。球面网壳则主要采用助环型体系, 1954年建成的重庆人民礼堂半球形穹顶 (跨度46.32m) 和1967年建成的郑州体育馆圆形钢屋盖 (跨度64m) 是当时仅有的两个规模较大的球面网壳。自此以后直到20世纪80年代初期, 网壳结构在我国没有得到进一步的发展。1994年建成的天津体育馆采用肋环斜杆 (Schwedler) 型双层球面网壳, 其圆形平面净跨108m;1995年建成的黑龙江省速滑馆用以覆盖400m速滑跑道, 其巨大的双层网壳结构由中央柱面壳部分和两端半球壳部分组成, 轮廓尺寸86.2m×191.2m, 覆盖面积达15000m2, 网壳厚度2.1m;1997年刚建成的长春万人体育馆平面呈桃核形, 由肋环型球面网壳切去中央条形部分再拼合而成, 体型巨大, 如果将外伸支腿计算在内, 轮廓尺寸达146m×191.7m, 是我国第一个方钢管网壳。新世纪法国建筑师保罗·安德鲁与清华大学合作设计的中国国家大剧院即采用空间网壳结构 (图2) , 工程屋面呈半椭球状, 整体为椭圆穹形结构, 犹如从星系上落下来的一艘飞船, 又如漂浮在水面上的岛屿;其外壳采用钛合金与玻璃作为材料, 外观轻盈, 并修筑于水面之上, 完美体现了工程与美学的融合;整个建筑结构共占地约12万m2, 总建筑面积14.95万m2, 椭圆大穹顶东西跨度212m, 南北跨度144m, 周长约6000m, 属国内建筑之最 (自《国家大剧院方案设计揭标》) 。

网壳中的空间曲面结构受力合理、刚度和稳定性良好, 变形较小;外形美观, 能与建筑美学相互融合, 具备视觉观赏性;网壳结构的曲面形状有利于自然排水;由杆件在空间搭接拼装, 安装快速简便, 易于实现工业化生产。不过应当注意的是, 空间曲面模型在力学分析中要求严格保证几何准确性, 这对设计环节中杆件和节点的几何尺寸、整个曲面的标准程度以及后期施工工艺都有一定的精度要求。

(3) 悬索结构。

悬索结构是以一系列受拉钢索作为主要承重构件, 按照一定规律布置, 并悬挂在边缘构件或支撑结构上形成的一种空间结构 (图3) 。它通过钢索的轴向拉伸来抵抗外部荷载作用;钢索多采用高强钢丝组成的钢丝束、钢丝绳及钢绞线, 也可采用圆钢筋或带状薄钢板。

中国现代悬索结构设计建造始于20世纪60年代, 北京工人体育馆 (图3右) 1961年建成, 其圆形屋盖采用车辐式双层悬索体系, 直径达94m;浙江人民体育馆1967年建成, 其屋盖为椭圆平面, 长径80m, 短径60m, 采用双曲抛物面正交索网结构。它们是当时的两个代表作, 无论从规模大小或技术水平看在当时都可以说达到国际较先进的水平。世界上最早的现代悬索屋盖是美国1953年建成的Raleigh体育馆, 采用以两个斜放的抛物线拱为边缘构件的鞍形正交索网。20世纪70年代我国悬索结构的发展停顿了较长一段时间, 一直到20世纪80年代, 由于大跨度建筑的发展而提出对空间结构形式多样化的要求, 这种形式丰富的轻型结构重新引起了人们的热情, 工程实践的数量有较大增长, 应用形式趋于多样化, 理论研究也相应地开展起来。但与网架和网壳结构比较其发展相对较慢。

悬索结构通过钢索的轴向变形来抵抗外荷载引起的拉力, 充分利用了钢材的抗拉性能, 减轻了结构自重, 特别适用于大跨度空间结构;悬索结构的建筑造型灵活多样, 易于适应各种要求的建筑平面, 钢索的柔和线条也有利于建筑体型的创新设计;相比于刚性空间结构, 悬索结构的刚度和稳定性较差, 常需设计附加结构来保证稳定。悬索结构的设计计算理论相对复杂, 商品化程度较高的相关实用计算程序不够完善, 难于被众多设计单位普遍采用。

4 结语

大跨度空间结构的设计与建造受人关注, 是土木工程领域的重要发展方向和一个国家建筑科技水平的重要标志。

钢结构在实现大跨度空间工程中具有在“高、大、轻”等独特优势, 是实现大跨度空间结构建设的重要途径。

可通过空间网格 (网架、网壳) 、张力 (悬索、膜、索-膜) 和混合等钢结构形式具体实现不同要求和目标的大跨度空间结构设计与建造。

摘要：大跨度空间结构是土木工程领域的重要发展方向。通过对大跨度空间结构及其发展、钢结构的特点及其在实现大跨度空间结构工程设计与建造中的有效途径等分析, 认识到大跨度空间结构的设计与建造是一个国家建筑科技水平的重要标志;钢结构在实现大跨度空间工程中具有在“高、大、轻”等独特优势, 是实现大跨度空间结构建设的重要途径;可通过空间网格 (网架、网壳) 、张力 (悬索、膜、索-膜) 和混合等钢结构形式具体实现不同要求和目标的大跨度空间结构设计与建造。

关键词：大跨度空间,钢结构,工程实现

参考文献

[1] 哈尔滨建筑工程学院.大跨度房屋钢结构[M].北京:中国建筑工业出版社, 1985.

[2] 完海鹰, 黄炳生.大跨空间结构[M].北京:中国建筑工业出版社, 2008.

[3] 王秀丽.大跨度空间钢结构分析与概念设计[M].北京:机械工业出版社, 2008

[4] 王国亮.大跨度钢桁架结构施工技术[J].科技风, 2010, 11.