大跨与空间结构技术发展概述.docx

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大跨与空间结构技术发展概述

大跨与空间结构技术发展概述

大跨与空间结构技术发展概述

1、大跨及高层结构技术的发展现状

世界上先进国家近10余年来在大跨空间结构方面得到了日新月异的发展，尤其是在欧美、日本等世界上经济发达国家，建造了多个跨度达200m以上的超大跨度的空间结构。

如日本1993年建成的直径达220m的福冈体育馆由三块可旋转的扇形网壳组成一个可开合结构；美国亚特兰大1992年建成的为1996年奥运会的佐治亚穹顶，平面形状为准椭圆，长短轴分别为241m和192m，采用张拉整体索膜穹顶结构；1999年底落成的英国伦敦千禧穹顶，直径达320m，12根擎天大柱与索膜构成；日韩为2000年世界杯足球赛建造的20个比赛场馆中绝大部分采用了索膜张拉结构，并有数个场馆采用了开合式结构。

这些超大跨度结构的一个共同特点是，跨度越来越大，自重越来越轻，更多地采用新结构体系与轻质高强材料及新技术。

设计计算工作越来越仔细周到，包括非线性分析、非线性稳定分析、抗震减震与风振分析，并且施工安装更为快捷简便。

设计时首先考虑的是尽可能采用先进的结构体系，在确保工程安全性的前提下注重工程的实用性、经济性，且使建筑与结构和谐统一，而不一味追求所谓的独特建筑外形。

这些建筑规模宏大，结构先进，充分反映了这些发达国家的综合国力与先进建筑技术水平。

近十年来，随着我国城市化进程的加快，新一轮城市建设的高潮转向大型交通、文化、体育、会展等公共设施的建设，我国大跨度空间结构广泛应用于城市的体育场馆、展览馆、游乐中心、博物馆、候机候车厅等大跨度公共建筑的建设，并在现代化的大面积单层工业厂房中也有广泛应用。

大跨度空间结构在我国的经济发展与工程建设中有着极为重要的地位并起着极为重要的作用。

2008年的北京奥运会、2010年的上海世博会、以及机场铁路建设的快速发展，带动了大跨度结构的技术进步和大规模应用。

2、我国大跨及高层结构技术的发展成就

中国在最近十年来空间结构的研究与应用也有了迅猛发展，跨度超过100m的建筑也开始大量出现。

在材料的应用方面向轻质高强发展，大跨度网壳、索杂交结构、索膜张拉结构与张弦梁成为这一时期的主流。

在应用领域方面主要是体育场馆、大跨度机库、会展中心等方面。

如1994年建成的天津体育馆采用了净跨直径为108m的球

意。

3、大跨度及高层结构技术的发展趋势

（一）大跨度空间结构技术的发展趋势

按照目前我国的经济增长速度，到2020年我国的人均GDP预计将达3500美元，由小康型向富裕型转型。

在继大规模的住宅建设以后，以娱乐、健身、文化与会展为主的大跨度公共建筑的建设将成为下一轮建设的热点。

预计一批跨度超过200m、功能综合、绿色环保并达到高科技要求的大跨度公共建筑物将会出现在中国发达地区的大中城市，建筑造型更加美观，结构设计更为新颖合理。

张拉整体、膜结构、杂交结构与开合式结构将成为未来这一时期大跨度建筑发展的主体，这对于我们来说是一次难得的机遇与挑战。

根据到2020年国内在大跨度发展方面的迫切需要，必须在一些空白与落后的技术方面迎头赶上。

对于大跨度领域的研发要订一个中长期发展对策，我们的定位目标是尽可能接近与赶上世界发达国家，要首先从新型结构材料的研发着手，对大跨度结构的一些理论问题作深入的研究，探索具有独立知识产权的结构体系，创造性地开展新型大跨度结构工程的实践。

①新型轻质高强材料的研发

高强度碳纤维索的国产化研发，以用于替代目前常用的高强钢绞线、钢丝束，进一步减轻自重提高强度，同时将大大提高抗腐蚀能力并改善耐久性；

【建筑膜是一种具有强度，柔韧性好的薄膜材料，是由纤维编织成织物基材，在其基材两面以树脂为涂层材所加工固定而成的材料，中心的织物基材分为聚酯纤维及玻璃纤维，而作为涂层材使用的树脂有聚氯乙烯树脂（PVC）,硅酮（silicon）及聚四氟乙烯树脂（PTFE）建筑膜的材料】

膜结构用材的国产化研发，实现主要几个品种的国内自行生产，以降低成本，扩大应用面；进行高强结构铝的研发，以使高强结构铝能较多地应用于大跨度空间网格结构。

②新型结构体系的研发与大跨度结构的抗震抗风性能的研发

新型张拉整体结构研究，包括索穹顶、弦支穹顶、双向张弦梁等以索为主动控制与主要受力的结构体系的研究；

进一步完善膜结构理论体系的研究，包括找形分析、非线性分析与裁剪分析的研究，完成实用的膜结构分析设计软件；

努力探索新型结构体系，建筑师与结构工程师努力加以沟通，注重技术创新，使结构体系更加丰富多彩；

联合结构工程、机械工程与控制工程等技术领域，开展开合式结构体系的研究，解决结构运动中的变形与振动控制问题；

对超大跨度的网壳开展多点考虑不同相位差多维地震输入动力时程反应的研究，以正确计算超大跨度结构的地震动力反应；

对超大跨度结构体系要开展振动控制技术的研究，一方面是控制与减少地震时的动力反应，同时也用于减小风荷载作用下与日常使用中的振动与变形；

对体型复杂超大跨度的建筑开展数值计算风洞的研究，以分析复杂形体的风载体型系数，正确模拟风的作用；

对于超长悬臂结构、膜结构及以索为主的轻型大跨结构要开展风振的研究，这些结构由于结构自重轻、跨度大，因而风荷载作用下位移与动力反应是一个主要控制因素，必须加以解决。

③大跨度结构的制作与施工安装技术

对于格构式结构体系，其节点形式应更加丰富，除了传统的螺栓球节点、空心球节点与钢管相贯节点外，还需研发新的节点形式；

格构式结构体系的制作应研发新的加工工艺与CAM技术，提高自动化水平，保证加工精度；

膜结构的CAD辅助裁剪与拼接技术；

大型格构式结构的计算机模拟预拼装技术；

大跨度网壳的带机构整体顶升安装技术。

（二）大跨空间结构技术的研发目标与对策

为实现到2020年中国在大跨度空间结构领域接近或赶上世界发达国家的目标，依靠国内的技术为社会提供最完美的大跨公共建筑，应通过以下几个方面来加强与保障：

应充分重视与加强我国的研发工作，研发工作应分三个层面：

首先是公益性、综合性、关键性大型课题的研发，国家应从政策上予以保证与支持，以原有的科研院所为中心联合高等院校、设计院与施工企业合作攻关，目前的施工企业就层次与能力及自身利益来说是不可能来承担公益性与综合性研发工作的，而仍应以原有的科研院所为基础；其次是针对学科型基础性研究，由高等院校和研究单位进行深层次的研究，在完成基础性课题研究的同时，培养一大批理论功底深厚创新能力强的硕士、博士；最后是对于工程中的具体技术与工艺问题由施工企业会同有关单位研发完成。

应重视高层次工程技术人员的培养，大跨度空间结构对于研发与设计人员的素质要求较高，要熟悉包括结构非线性计算分析、整体稳定分析、抗震动力分析、抗风分析及特殊节点的处理等方面，故要求有较强的综合结构概念与解决复杂工程的能力，人才的教育与培养是第一位的。

应加强工程技术人员创新意识的培养，大跨度公共建筑有别于普通建筑，其具有建筑造型的不可重复性与结构的多样性，这就要求技术人员有创新意识，在确保结构安全的前提下不断追求最合理的结构体系，以促进大跨空间建筑结构工程技术的进步。

要促进国内建筑师与结构工程师的沟通，建筑师应基本了解大跨度空间结构体系，结构工程师应在方案期间就主动与建筑师配合与协调，努力使建筑与结构融为一体。