一  空間結構的概念

  空間結構(Space structures 或 Spatial structures)是形態(tài)呈三維立體狀態(tài)，在荷載作用下具有三維傳力特性，既表現為三維空間工作的結構。空間結構的荷載、內力、變形則必須在三維空間內考慮，即作用于空間而非平面內。

二   空間結構的特點(diǎn)

（1）自重輕。這是空間結構最主要的優(yōu)點(diǎn)，由于結構構件呈空間分布，荷載作用下力的傳遞以軸向拉力或壓力為主，構件中的材料強度可以充分利用，因而可以大幅節約材料，降低自重。而且，目前大部分空間結構都采用鋼材和膜材等，這都使結構自重大大減輕。

（2）工業(yè)化生產(chǎn)施工速度快。空間結構的構件通常可在工廠(chǎng)中預制，這些簡(jiǎn)單的預制構件非常適合標準化及商業(yè)化，不需要復雜的技術(shù)，在工地上就可以很快地安裝起來(lái)。

（3）剛度大、支承布置靈活。由于空間結構具有三維特性，所有構件都能充分受力。因此，空間結構能很好地承受不對稱(chēng)荷載或較大的集中荷載。此外，在結構平衡及支承柱的布置上也有較大的靈活性，這些特點(diǎn)使空間結構特別適合在大跨度建筑中使用。

（4）抗震性能好。自重輕使得地震反應小，剛度大且三維空間受力更使結構抗震性能大為改善。

（5）造價(jià)低。輕質(zhì)高強材料的采用以及大規模工業(yè)化生產(chǎn)，使其造價(jià)較低。

（6）造型美觀(guān)。為滿(mǎn)足建筑上的需要，空間結構可以提供許多造型和形式。目前建筑藝術(shù)方面有一種趨勢，即將結構外露作為建筑的一種直觀(guān)表達形式，空間結構恰好能滿(mǎn)足這樣的視覺(jué)效果。

三  空間網(wǎng)格結構發(fā)展百廿年回顧

  空間網(wǎng)格結構受力合理、制作安裝方便，是空間結構領(lǐng)域最常用結構形式。空間網(wǎng)格結構的百廿年發(fā)展史最早能追溯到1903年，美國著(zhù)名發(fā)明家A. G. Bell（1847-1922）采用三角錐單元裝配空間網(wǎng)格，并將其應用于飛行器等結構的設計。

  1943年，德國工程師提出了MERO體系，開(kāi)啟了平板網(wǎng)架的商品化應用；隨后，英國的Space Deck、美國的Octe、加拿大的Triodetic等產(chǎn)品相繼上市，進(jìn)一步推動(dòng)了空間網(wǎng)格結構的應用。1950年以來(lái)，R. B. Fuller（1895-1983）發(fā)展了多面體網(wǎng)格穹頂結構，在1967年美國蒙特利爾世博會(huì )中建造了直徑為67m的球形穹頂結構。

1964年，西班牙結構工程師 Emilio Péreg Pinero（1936-1972）提出了折疊展開(kāi)網(wǎng)格結構的設計思想，結構在運輸時(shí)處于折疊狀態(tài)以提高運輸效率，在工作時(shí)處于展開(kāi)狀態(tài)以實(shí)現建筑功能。1970年，日本大阪世博會(huì )中采用了空間網(wǎng)格結構，并實(shí)現了292m×108m的結構尺寸，展示了這類(lèi)結構優(yōu)秀的空間跨越能力。

        1993年，國際《空間結構》雜志主編Z.S. Makowski（1922-2005）在IASS會(huì )議上指出：“在1966年空間結構還被認為是一種有趣但仍屬陌生的非傳統結構，然而現在已被全世界所接受。”伴隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展和成熟，空間網(wǎng)格結構被大量應用于世博會(huì )、奧運會(huì )等重大國際活動(dòng)的場(chǎng)館建設中，如1992巴塞羅那奧運會(huì )主場(chǎng)館東京國立競技場(chǎng)、2020年?yáng)|京奧運會(huì )主場(chǎng)館東京國立競技場(chǎng)和2020年迪拜世博會(huì )阿爾瓦斯爾穹頂等。

空間網(wǎng)格結構在我國起步較晚。1964年建成的上海師范大學(xué)球類(lèi)館是我國第一個(gè)平板網(wǎng)架結構，尺寸為32m×41m。1968年建成的首都體育館是我國首個(gè)有影響力的大跨度空間網(wǎng)格結構，其平面尺寸為99m×112m。

上世紀90年代，中國空間網(wǎng)格結構進(jìn)入了快速發(fā)展期。一方面，改革開(kāi)放帶來(lái)了中國經(jīng)濟騰飛，為空間網(wǎng)格結構的發(fā)展提供了經(jīng)濟基礎；另一方面，結構計算理論逐漸成熟，網(wǎng)格結構設計、施工、驗收、節點(diǎn)構造等各類(lèi)規范相繼問(wèn)世，MSTCAD等輔助設計軟件推廣應用，為空間網(wǎng)格結構的發(fā)展提供了技術(shù)基礎。文獻指出，1992年前，我國已有超過(guò)50家專(zhuān)門(mén)或部分生產(chǎn)網(wǎng)架結構的企業(yè)，在1987年之后的十年里，我國空間網(wǎng)架結構的年用鋼量提高了近十倍，1992年亞運會(huì )場(chǎng)的13個(gè)新建大型場(chǎng)館中有11個(gè)都采用了空間網(wǎng)格結構。

發(fā)展至今，空間網(wǎng)格結構在我國得到了廣泛的應用，應用場(chǎng)景包括但不限于：工業(yè)廠(chǎng)房、儲煤結構、機庫、機場(chǎng)航站樓、高鐵站房和大型體育場(chǎng)館。

1 工業(yè)廠(chǎng)房

制造業(yè)、冶金工業(yè)、造船業(yè)等行業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了工業(yè)廠(chǎng)房的快速建設。空間網(wǎng)格結構在工業(yè)廠(chǎng)房中的應用形式大多為柱網(wǎng)支承的中小跨度、大面積網(wǎng)架屋蓋。早期的代表工程有建成于1992年的天津無(wú)縫鋼管加工車(chē)間，文獻指出，這是網(wǎng)架結構首次用于有重級工作制吊車(chē)的冶金工廠(chǎng)單層工業(yè)廠(chǎng)房，其面積約6.2萬(wàn)m2，與傳統的平面鋼桁架結構方案相比，節省了約43%的用鋼量。建成于2021年的上海特斯拉超級工廠(chǎng)采用了正放四角錐網(wǎng)架結構，面積達到15.7萬(wàn)m2。

2儲煤結構

煤是工業(yè)的主要動(dòng)力來(lái)源之一，為避免室外堆放造成的損耗和環(huán)境污染，我國建造了大量的儲煤結構。為保證儲煤結構中長(cháng)臂堆煤、挖煤機械的正常工作，儲煤結構通常體現出大跨度、大面積、大空間的特點(diǎn)。《大跨度儲煤結構—設計與施工》一書(shū)中統計了2006年以前的國內儲煤結構，絕大多數都采用了空間網(wǎng)格結構，如建成于2006年的河南鴨口干煤棚，采用柱面網(wǎng)殼結構，尺寸達到108m×150m。近年來(lái)，儲煤結構的尺寸和跨度不斷增加，如建成于2021年的國電寧夏方家莊電廠(chǎng)跨度達到了229m。

3機庫

機庫需要足夠飛機停放的大跨度、大空間，也需要一定的承載能力來(lái)承受飛機維修過(guò)程中設備帶來(lái)的荷載。網(wǎng)格結構是機庫中最常用的結構形式，為提高承載能力，機庫結構的建設也伴隨著(zhù)對傳統雙層網(wǎng)架結構的改進(jìn)和創(chuàng )新。如建成于1996年的北京首都機場(chǎng)四機位機庫采用三層網(wǎng)架結構，尺寸為(153+153)m × 90m。建成于2019年的北京大興國際機場(chǎng)南航機庫，采用W型桁架+網(wǎng)格結構體系，大門(mén)開(kāi)口邊跨度達到222m。

4航站樓

航站樓是重要的交通樞紐，也通常是城市的地標性建筑和對外交流的窗口，在滿(mǎn)足大跨度、大面域的建筑功能的同時(shí)，還常通過(guò)自由曲面構造豐富的建筑造型。我國首個(gè)采用空間網(wǎng)格結構的機場(chǎng)航站樓是建成于1991年的深圳T1航站樓，采用正放四角錐網(wǎng)架結構，建筑面積約為4000m2。建成于2019年的北京大興國際機場(chǎng)航站樓，是當前世界上規模最大、單體建筑尺寸最大的航站樓之一，最大跨度為125m，總建筑面積達到143萬(wàn)m2。

5鐵路站房

為滿(mǎn)足鐵路站房的大量人員流動(dòng)功能需求，鐵路站房通常呈現出大跨度、大面積的特點(diǎn)。建成于2009年的武漢站是我國第一個(gè)高鐵站房，采用正交正放式網(wǎng)殼結構構造自由曲面，最大主拱跨度為116m。建成于2020年的雄安高鐵站屋蓋采用單層正交網(wǎng)格結構，平面尺寸為355.5m×450m，最大跨度為78m，是亞洲已建成的建筑規模最大的車(chē)站之一。

6體育場(chǎng)館

自1990年北京亞運會(huì )以來(lái)，我國舉辦了大量有影響力的體育賽事和大型活動(dòng)，對大型場(chǎng)館的建設提出了需求。大型體育場(chǎng)館除了大跨度、大空間的建筑功能需求外，還以富有寓意的建筑造型、創(chuàng )新的結構體系為主要特征。有代表性的空間網(wǎng)格結構體育場(chǎng)館包括廣東省人民體育館、國家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢”、國家游泳中心“水立方”、杭州奧體中心體育場(chǎng)等。可開(kāi)啟空間網(wǎng)格結構在體育場(chǎng)館中也得到了一定的應用，以實(shí)現“晴天室外、雨天室內”的功能，我國最早的大跨度開(kāi)啟屋蓋結構是建成于2005年的杭州黃龍中心網(wǎng)球館，發(fā)展至今，典型工程包括建成于2008年的鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)、建成于2011年的國家網(wǎng)球中心和建成于2017年的杭州奧體中心網(wǎng)球館等。

總之，空間網(wǎng)格結構經(jīng)過(guò)了百廿年的發(fā)展，在空間結構領(lǐng)域展現出強大的生命力，已經(jīng)得到“廣為認可，廣泛應用”。中國空間網(wǎng)格結構經(jīng)歷了三十年的快速發(fā)展，形成了比較完整的科研、設計、施工和應用和人才培養體系，成為了名副其實(shí)的空間網(wǎng)格結構大國。

空間網(wǎng)格結構技術(shù)已經(jīng)相對成熟，也仍有可以進(jìn)一步思考的方向。結構設計方面，可以考慮以多尺度精細化模擬、逆向工程、人工智能等技術(shù)為基礎的設計理念；體系創(chuàng )新方面，可以發(fā)展基于新材料、新工藝的新型空間網(wǎng)格結構；生產(chǎn)和施工方面，可以進(jìn)一步推進(jìn)網(wǎng)格結構各產(chǎn)品標準的統一化、產(chǎn)品加工的自動(dòng)化和智能化；應用場(chǎng)景方面，可以融合綠色和低碳的發(fā)展理念，結合結構設計和能源設計，形成大面域、大空間的區域小環(huán)境，構建舒適、生態(tài)的人類(lèi)生活空間。

浙江大學(xué)  羅堯治、薛宇

(摘自《第十屆結構工程新進(jìn)展論壇》特邀報告文集)