来源:建筑钢结构网  作者:王仕统  时间:2009-12-22   关键词:  

摘要：钢结构行业包括设计与施工（制造、安装）。设计的好坏，直接关系到节能和施工的艰难程度。改革开放以来，我国钢结构被迫自主创新：高强钢（Q460）厚板（130mm）的焊接和重件（600t~800t）吊装技术等都取得了巨大成功

钢结构行业包括设计与施工（制造、安装）。设计的好坏，直接关系到节能和施工的艰难程度。改革开放以来，我国钢结构被迫自主创新：高强钢（Q460）厚板（130mm）的焊接和重件（600t~800t）吊装技术等都取得了巨大成功。为此，我们必须首先向钢结构施工战线上的工程技术人员和工人们的艰辛劳动表示崇高的敬意！说明中国人民是一个“一不怕苦，二不怕死”的民族，中国人没有干不了的事情！但是也必须清楚的看到，当前，我国大跨度轻屋面钢屋盖的重量也实在太笨重了，一是说明建筑工程设计人员的设计素质有待提高，二是说明建筑、结构的方案选择有问题，不满足力学、结构原理。本文提出的空间结构新分类，就试图谈谈这个问题。
1. 一、二、三维结构传力体系
图1所示最熟悉RC结构的一、二、三维结构传力体系。可见，梁、板为弯矩结构（Moment-Resisting Structures），壳体主要为轴力结构（Axial Force-Resisting Structures）——屋盖空间结构。由图1c所示，虽然扁壳的跨度为梁、板结构的10倍，然而，扁壳的厚度h仍比梁、板厚度小得多。可见，屋盖空间结构是一种由于形状而产生效益的结构，因此它又叫形效结构（Formative Structures）。自然界中的生物为生存而斗争，创造了许许多多安全、轻巧、适用、美观的空间结构，如贝壳——薄壳结构（图2a）；蜂?——网格结构（图2b）；蜘蛛网——索网结构（图2c）；肥皂泡——充气结构(图2d)等。因此，屋盖空间结构又被称为仿生结构（Bionics）。可想而知，若生物结构笨重之极，不减肥，如何生存？！

由于空间结构的科技含量较高，在进行结构分析和设计时，要求结构工程师具有比一般结构分析更高的力学、数学功底。世界各国对屋盖空间结构的研究和发展极为重视，如世界奥运会、国际博览会、大会 堂和飞机库等大跨度屋盖，都力争采用屋盖空间结构，展示该国先进的科学技术。随着现代钢材和现代计算技术的高新化、社会生活和生产的不断进步，唯有屋盖空间结构才能实现结构用料最少，轻盈地跨越大空间，可以说，屋盖空间结构的研究和应用水平是衡量一个国家建筑科技水平高低的重要标志之一。
由上可见，屋盖空间结构具有三大特点——曲面空间状（有封闭边缘构件）、三维轴向传力、用料很经济。图3所示六个屋盖空间结构，其中图3a、b所示两个 RC薄壳屋盖：北京网球馆和法国巴黎国家工业技术展览中心（1959）。它们的跨厚比L / h比鸡蛋壳的 =40mm/0.4mm=100倍还要大得多，说明人类大脑智慧的巨大创造力。图3c所示，世界第一个具有现代竞技的大跨度扭索网结构（1952年），用钢量30?/?。图3d、e为准张拉整体体系，即准Tensegrity，它是当今世界公认的大跨度屋盖空间结构用钢量最少、科技含量最高的结构之一。

文献[4]P267指出：“对于跨度超过100英尺（100×12×0.0254m=30.48m）的结构，用拱、悬索和薄壳等形式的曲线型构件所构成的结构体系往往要比较经济”。作者认为：大跨度轻屋面屋盖的结构方案应首选屋盖空间结构。然而，北京中轴线的三个大跨度屋盖结构——鸟巢“Bride’s Nest”（无序就是艺术）、国家体育馆和“水立方”（水泡理论），均未采用屋盖空间结构（轴力结构）。它们的结构形式如图4所示。
国家游泳中心“水立方”[5]（The National Swimming Center “Water Cube”，澳大利亚PTW建筑事务所中标，图4c）。立方尺寸：176.5389m×176.5389m×29.3786m其中：比赛大厅平面：126m×117m,屋盖厚度： =7.211m (与平板网架的厚度取值一致：h=(117m/18~117m/15=6.5m-7.8m)，墙体厚度3.472m和5.876m。根据Kelvin“泡沫”（“Foam”）理论命题：将三维空间分为若干小部分，要求每个小部分的体积相同，且接触面积最小，这些小部分应该是什么形状？“水立方”由6个14面体和2个12面体合成的基本单元体，经旋转、切割等复杂计算后成为屋盖和墙体结构，这种形而上学的所谓泡沫理论命题与结构原理毫无共同之处，是简单问题复杂化（设计与施工）的花钱结构，其受力本质仍然是双向弯曲的平板网架。若按平板网架设计，用“泡沫”单元体装修，则可节约大量的钢材、膜材和施工费用等，且便于单元体折换和清洗。只有这样，才符合党的十七大精神：科学发展、降低消耗、又好又快。文献[6]认为：最“简单”的结构往往是一个“最好”的结构，本人对此也有相同的观点[7]。

2.结构的演变和屋盖空间结构的分类(表1、图6)
图5可见，对中、小跨度的屋盖结构来说，选择弯矩结构是理所当然的，为了提高结构的承载力和刚度，采用“材料远离中和轴”原则和“格构化”原则等，是为聪明之举，即通道1（Path 1）设计大跨度屋盖结构必须经过通道2、3演变，发挥结构工程师结构选型的力学智慧，选出屋盖空间结构的最优方案（三维轴向短程传力）。



3.小结
钢结构的三大主要优点是：最轻的结构、最好的延性和最短的工期，这些优点导致最优的结构抗震性能。因此，在大跨度钢屋盖和超高层钢结构中，先进国家大量采用钢结构，并能基本上实现了以上三个优点。为了实现钢结构的优势，设计水平是个关键，而精心设计的第1步就是正确选择结构方案（概念设计）[11][12]，否则，“设计”出来的结构不仅笨重、浪费钢材、也直接导致十分艰难的施工，造成财力和人力的巨大浪费。设计是硬道理，“硬”设计就没有道理[7]。硬道理在哪里？就是利用力学准则正确选择结构方案。选错方案，优化是无用的。因此，本人提出空间结构新分类，并强调：为了实现大跨度屋盖结构轻量化，必须力争采用屋盖空间结构。

参考文献
[1] [日] Masao Saitoh（斋藤公男），Hybrid Form-Resistance Structure，Shell、Membrane and Space Frames, Proceeding IASS Symposium, Osake（大阪）,1986,Vol.2.PP.257-264
[2] 沈世钊、徐崇宝、赵　臣、武　岳，悬索结构设计（第二版），中国建筑工业出版社，2006年1月
[3] 刘锡良，现代空间结构，天津大学出版社，2003年6月
[4] [美]T. Y. Lin(林同炎)、S. D. Stotesbury(斯多台斯伯利)著，高立人、方鄂华、钱稼茹译，结构概念和体系（第二版）,Structural Concepts and Systems for Architects and Engineers(Second Edition， 1988)，中国建筑工业出版社，1999年
[5] 傅学怡、顾 磊、杨先桥、余卫江，国家游泳中心“水立方”结构设计优化，建筑结构学报，2005年第6期
[6] 钱若军、杨联萍，张力结构的分析、设计与施工，东南大学出版社，2003年9月
[7] 中国工程院土木水利与建筑学部、中国土木工程学会、中国建筑学会，我国大型建筑工程设计的发展方向，工程科技论坛文集，2005年5月27日北京
[8] 董石麟、陈兴刚，鸟巢形网架的构形、受力特性和简化计算方法，建筑结构，2003年第10期
[9] 范　重、刘先明、范学伟、胡天兵、王　?，国家体育场钢结构设计中的优化技术，第五届全国现代结构工程学术研讨会（工业建筑，2005年增刊）
[10]杨 郡、王 更、成会斌、崔 嵬、秦 杰，国家体育馆双向张弦钢屋盖施工技术，施工技术，2006年11月第35卷增刊
[11]王仕统，浅谈钢结构的精心设计（特邀报告），第三届全国现代结构工程学术研讨会论文集（工业建筑2003年增刊）
[12]王仕统，衡量大跨度空间结构优劣的五个指标，空间结构，2003年3月第1期

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