李亞明，賈水鐘，肖 魁

(1 上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200041；2 上海建筑空間結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，上海 200041)

0 引言

近現(xiàn)代以來(lái)，空間結(jié)構(gòu)從材料上主要可以分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋁合金結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等類(lèi)型；從結(jié)構(gòu)體系上主要可以分為剛性空間結(jié)構(gòu)、柔性空間結(jié)構(gòu)、剛?cè)嵝越M合空間結(jié)構(gòu)三大類(lèi)。從國(guó)際上看，近代空間結(jié)構(gòu)以20世紀(jì)初的薄殼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和懸索結(jié)構(gòu)為主要代表；20世紀(jì)末后為現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)，其主要標(biāo)志為索膜結(jié)構(gòu)、張拉整體結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)等的大范圍應(yīng)用。董石麟[1]以組成或集成空間結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件(即板殼單元、梁?jiǎn)卧U單元、索單元、膜單元)為出發(fā)點(diǎn),將國(guó)內(nèi)外的空間結(jié)構(gòu)按單元組成分類(lèi)劃分為38 種具體的結(jié)構(gòu)形式。

1 空間結(jié)構(gòu)理論與分析方法

1.1 找形與優(yōu)化

優(yōu)秀的大跨度建筑，往往蘊(yùn)含著形與力的完美統(tǒng)一。通過(guò)建筑形態(tài)與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一，可以實(shí)現(xiàn)力學(xué)邏輯清晰的建筑形式，同時(shí)高效的結(jié)構(gòu)形式才能實(shí)現(xiàn)輕盈美觀(guān)的大跨度建筑效果。

在找形中，首先必須明確如何能夠在結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)力傳導(dǎo)最優(yōu)的幾何形狀。當(dāng)需要設(shè)計(jì)一種“用最少材料，實(shí)現(xiàn)最大功能”的結(jié)構(gòu)時(shí)，最關(guān)鍵的目標(biāo)是使全部材料能夠充分發(fā)揮其力學(xué)性能。材料的力學(xué)效率可以通過(guò)力流優(yōu)化過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般而言，對(duì)于最簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，應(yīng)該盡量避免彎矩的影響，結(jié)構(gòu)構(gòu)件最終承受拉力或者壓力。對(duì)于許多材料，其承受拉力的性能更好，這是因?yàn)槭軌簶?gòu)件容易產(chǎn)生穩(wěn)定問(wèn)題。而且，拉力傳遞荷載更有效率，也更容易實(shí)現(xiàn)。但是，僅僅承受拉力的結(jié)構(gòu)很少，現(xiàn)實(shí)中很難大規(guī)模地應(yīng)用。所以，在材料高效利用的結(jié)構(gòu)如膜結(jié)構(gòu)、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，也需要一些受壓構(gòu)件。因此，一種標(biāo)準(zhǔn)的最簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)該是受拉構(gòu)件與受壓構(gòu)件的優(yōu)化組合。

目前比較有效的找形方法有動(dòng)力松馳法、力密度法、圖解靜力法、非線(xiàn)性有限元法等[2-5]。這類(lèi)方法以結(jié)構(gòu)的合理受力作為優(yōu)化目標(biāo)，研究空間結(jié)構(gòu)形(幾何形狀)與態(tài)(內(nèi)力分布)兩者的關(guān)系，尋求一種合理、高效的結(jié)構(gòu)形態(tài)和拓?fù)潢P(guān)系。針對(duì)各類(lèi)復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)，包括自由曲面結(jié)構(gòu)的形態(tài)優(yōu)化方法，近年來(lái)在理論研究和分析工具方面取得了很大進(jìn)展，并應(yīng)用于各類(lèi)實(shí)際工程，見(jiàn)圖1。

圖1 空間結(jié)構(gòu)找形優(yōu)化工程實(shí)例

1.2 穩(wěn)定性研究

對(duì)于面內(nèi)受壓為主的空間結(jié)構(gòu)，例如單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性問(wèn)題是需要重點(diǎn)關(guān)注的，如網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，失穩(wěn)形態(tài)主要為結(jié)構(gòu)表面大范圍的凹陷或凸起，結(jié)構(gòu)表面波浪狀起伏變形等。此外，集中荷載、局部不均勻荷載、局部剛度薄弱等不利因素也可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部失穩(wěn)，并進(jìn)而導(dǎo)致整體網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。經(jīng)過(guò)大量的失穩(wěn)機(jī)理研究工作和大規(guī)模參數(shù)化分析研究，進(jìn)行包括初始缺陷、幾何非線(xiàn)性、節(jié)點(diǎn)剛度、彈塑性等因素的數(shù)值分析，以求得臨界荷載，并確定網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)承載能力[6]。在研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)等現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在工程分析設(shè)計(jì)中得到了較多應(yīng)用，如黑瞎子島植物園溫室、太原植物園溫室，見(jiàn)圖2。

圖2 單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

1.3 抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究

對(duì)于懸索結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)、張拉整體結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)等柔性空間結(jié)構(gòu)、剛?cè)嵝越M合空間結(jié)構(gòu)，以及輕質(zhì)木空間結(jié)構(gòu)，其通常具有質(zhì)量輕、柔度大、阻尼小、自振頻率低等優(yōu)點(diǎn)。此外，這些結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載十分敏感，且其屋頂形狀大多數(shù)不規(guī)則，繞流和空氣動(dòng)力作用十分復(fù)雜，所以風(fēng)荷載往往是結(jié)構(gòu)的主要控制荷載。瞬時(shí)極值風(fēng)常使屋面局部表面飾物脫落或局部構(gòu)件被掀開(kāi)，從而致使整個(gè)屋面遭受破壞。

對(duì)于剛性屋蓋結(jié)構(gòu)，計(jì)算其風(fēng)振響應(yīng)時(shí)認(rèn)為能忽略風(fēng)振的動(dòng)力放大效應(yīng)，可把脈動(dòng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用視為一個(gè)準(zhǔn)靜力過(guò)程來(lái)分析，即只考慮背景響應(yīng)部分，共振響應(yīng)可忽略不計(jì)；對(duì)于非大變形柔性屋蓋結(jié)構(gòu)，由于振動(dòng)幅度小，結(jié)構(gòu)和來(lái)流之間的互相耦合作用可以忽略，但風(fēng)振引起的慣性力不能忽略，即風(fēng)振響應(yīng)同時(shí)包括背景響應(yīng)和共振響應(yīng)兩個(gè)部分；對(duì)于大變形柔性屋蓋結(jié)構(gòu)，振動(dòng)幅度比較大，所以必須考慮結(jié)構(gòu)和來(lái)流之間的互相耦合作用。大變形柔性屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)一般也包括背景響應(yīng)和共振響應(yīng)兩個(gè)部分。

目前復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)風(fēng)振研究的主要方法有實(shí)地觀(guān)測(cè)研究、風(fēng)洞試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬研究以及理論分析[7-8]。采用風(fēng)洞試驗(yàn)研究時(shí)，由于實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)空間跨度很大，無(wú)法進(jìn)行原型試驗(yàn)，一般采取縮尺模型或節(jié)段進(jìn)行模擬試驗(yàn)?？s尺模型試驗(yàn)需要遵守相似性原理，但在實(shí)際操作中由于存在多場(chǎng)耦合效應(yīng)，無(wú)法保證試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷乃袇?shù)都滿(mǎn)足相似性原理，往往為了保證主要參數(shù)比例相似，只能以犧牲某些次要參數(shù)影響為代價(jià)。CFD數(shù)值模擬分析可以較好地輔助風(fēng)洞試驗(yàn)，縮短試驗(yàn)費(fèi)用及周期；同時(shí)可彌補(bǔ)風(fēng)洞試驗(yàn)中一些局限性問(wèn)題，比如雷諾數(shù)效應(yīng)的限制、流場(chǎng)細(xì)部構(gòu)造的顯示等。因此，對(duì)于復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，目前主要采用模型風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，如上海天文館采用此方法，見(jiàn)圖3。

圖3 上海天文館抗風(fēng)研究

1.4 抗震設(shè)計(jì)研究

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)主要有基于承載力設(shè)計(jì)和基于性能設(shè)計(jì)兩類(lèi)。對(duì)于超長(zhǎng)、復(fù)雜大跨度空間結(jié)構(gòu)，需要結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)抗震理論進(jìn)行深入研究和分析，總結(jié)出科學(xué)可行的分析方法。與高層和高聳結(jié)構(gòu)比較，網(wǎng)殼等大跨空間結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能具有不同特點(diǎn)，例如其頻率分布比較密集，往往從最低階算起前面數(shù)十個(gè)振型都可能對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)有影響，因而一般的振型分解法是否適用是一個(gè)值得探討的問(wèn)題；對(duì)于大跨空間結(jié)構(gòu)，考慮到地震動(dòng)傳播過(guò)程中時(shí)滯效應(yīng)的影響，一般需要采用多維多點(diǎn)地震反應(yīng)時(shí)程分析法。首都機(jī)場(chǎng)T3 航站樓、北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓(圖4)等大型空間結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中，均進(jìn)行了多維多點(diǎn)地震反應(yīng)研究和分析[9]，形成了較成熟的分析設(shè)計(jì)方法。

圖4 北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓

隨著結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越復(fù)雜、結(jié)構(gòu)跨度越來(lái)越大，人們對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)提出了減隔震和性能化設(shè)計(jì)的新需求，使大跨度公共建筑起到應(yīng)急場(chǎng)所作用，提高結(jié)構(gòu)的防連續(xù)倒塌能力。常用的隔震設(shè)計(jì)主要包括采用橡膠隔震支座[10]、鉛芯橡膠支座[11]、黏彈性阻尼隔震支座[12]、減震球形鋼支座[13]等。此外，空間結(jié)構(gòu)的消能減震技術(shù)大多采用被動(dòng)減震控制，常用于空間結(jié)構(gòu)的消能減震器主要有黏滯阻尼器、形狀記憶合金(SMA)復(fù)合阻尼器、調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)等幾種類(lèi)型。

2 空間結(jié)構(gòu)體系與新材料

2.1 空間結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)與應(yīng)用

大跨空間結(jié)構(gòu)的類(lèi)型和形式豐富，新型空間結(jié)構(gòu)體系仍在不斷地推陳出新，新型空間結(jié)構(gòu)如張力結(jié)構(gòu)與空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)組合的各種雜交結(jié)構(gòu)、張拉整體結(jié)構(gòu)、張弦結(jié)構(gòu)、新型組合薄殼結(jié)構(gòu)、鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、現(xiàn)代膠合木與索組合的木穹頂結(jié)構(gòu)等在工程中的應(yīng)用也越來(lái)越多。從空間結(jié)構(gòu)的基本形式出發(fā)，以上新型空間結(jié)構(gòu)總體上可分為如下幾種類(lèi)型：1)鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)和折板結(jié)構(gòu)；2)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；3)張拉整體結(jié)構(gòu)；4)雜交組合結(jié)構(gòu)。

鋼筋混凝土薄壁結(jié)構(gòu)(薄殼、波形拱殼、帶肋殼、折板等)在20世紀(jì)50～60年代在我國(guó)有所發(fā)展，當(dāng)時(shí)建造過(guò)一些中等跨度的球面殼、柱面殼、雙曲扁殼和扭殼，并制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)程。典型工程如20世紀(jì)50～60年代我國(guó)新疆一個(gè)機(jī)械廠(chǎng)金工車(chē)間，采用跨度60m的球面薄殼結(jié)構(gòu)；1960 年建成的羅馬奧運(yùn)會(huì)大體育館，為跨度100m的球面波形拱殼結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖5。總體而言，目前這類(lèi)鋼筋混凝土薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)用相對(duì)較少，其主要原因還是施工建造較為困難，存在模板復(fù)雜、腳手架支撐困難、鋼筋綁扎困難、澆筑質(zhì)量難以控制等問(wèn)題。

圖5 羅馬奧運(yùn)會(huì)大體育館

按一定規(guī)律布置的桿件、構(gòu)件通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接而構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)，包括網(wǎng)架、曲面形網(wǎng)殼以及立體桁架等，總體可稱(chēng)為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這類(lèi)結(jié)構(gòu)近三十年來(lái)已成為發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的空間結(jié)構(gòu)形式[14]。2007年建成的國(guó)家大劇院，屋蓋是一個(gè)平面尺寸218m ×146m 、矢高45m 的橢圓形空腹網(wǎng)格的球形網(wǎng)殼，是當(dāng)時(shí)全國(guó)最大跨度，見(jiàn)圖6。

圖6 國(guó)家大劇院

索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)和索-膜結(jié)構(gòu)等柔性結(jié)構(gòu)體系均以張力來(lái)抵抗外荷載的作用，可總稱(chēng)為全張拉結(jié)構(gòu)。我國(guó)1961年建成了北京工人體育館，采用了直徑94m 的車(chē)輻式雙層懸索結(jié)構(gòu)；1967年建成了浙江人民體育館，采用了60m×80m 橢圓平面的馬鞍形正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。上述兩個(gè)懸索結(jié)構(gòu)無(wú)論從規(guī)模還是技術(shù)水平上，都達(dá)到了當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)水平。隨著大型體育場(chǎng)館的興建，輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)被越來(lái)越多地用于大型體育場(chǎng)屋蓋。這類(lèi)結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)成上凸下凹或上凹下凸的輻射狀車(chē)輪式結(jié)構(gòu)，由內(nèi)環(huán)、外環(huán)及聯(lián)系內(nèi)外環(huán)的兩層輻射方向布置的鋼索組成，其中受壓外環(huán)及受拉內(nèi)環(huán)形成自平衡的系統(tǒng)，實(shí)際施工中通過(guò)張拉承重索、穩(wěn)定索或調(diào)節(jié)撐桿來(lái)施加預(yù)應(yīng)力。2010年建成的深圳寶安體育場(chǎng)、2018年建成的蘇州奧林匹克體育中心、棗莊市市民中心二期工程(圖7)等體育場(chǎng)館均采用此類(lèi)結(jié)構(gòu)形式。

圖7 棗莊市市民中心二期體育場(chǎng)內(nèi)景

結(jié)構(gòu)主體是由剛性構(gòu)件和柔性構(gòu)件組合而成的剛?cè)嵝越M合空間結(jié)構(gòu)，可稱(chēng)為雜交組合結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)形式主要包括預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架(網(wǎng)殼)、斜拉網(wǎng)架、張弦梁、張弦立體桁架、弦支網(wǎng)殼等。其中，起源于日本的張弦梁結(jié)構(gòu)在我國(guó)應(yīng)用較廣，國(guó)內(nèi)大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)首推上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓，最大跨度為82.6m 。由于張弦梁本身是一種自平衡的平面結(jié)構(gòu)體系，不對(duì)支座產(chǎn)生水平推力，可減輕下部支承結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)，因此得到了工程師的青睞。類(lèi)似地，以立體桁架替代張弦梁的上弦梁便形成了張弦立體桁架結(jié)構(gòu)。2008年建成的奧運(yùn)會(huì)國(guó)家體育館采用114m×144m 雙向正交的張弦桁架結(jié)構(gòu)。目前在建的合肥會(huì)展中心二期采用跨度144m的張弦立體桁架結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖8。

圖8 合肥會(huì)展中心二期張弦立體桁架

2.2 空間結(jié)構(gòu)新材料的應(yīng)用研究

傳統(tǒng)大跨度空間結(jié)構(gòu)材料主要是鋼材和混凝土。近代以來(lái)的工程應(yīng)用主要以鋼材為主，同時(shí)各種新材料的研究和應(yīng)用也在不斷得到推進(jìn)與推廣，例如高強(qiáng)鋼拉索、鋁合金、膠合木、新型膜材等都在空間結(jié)構(gòu)上得到了很好的應(yīng)用。

2.2.1 鋁合金材料的應(yīng)用

鋁合金材料具有自重輕、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，在游泳館和溜冰場(chǎng)等水蒸氣含量較高的體育館，采用鋁合金結(jié)構(gòu)可以很好地抵御水蒸氣的侵蝕，減少后期維護(hù)費(fèi)用。同樣，在石油化工、倉(cāng)儲(chǔ)等防腐要求較高的大型工業(yè)建筑中，鋁合金網(wǎng)殼也被大量應(yīng)用[15-17]。近些年我國(guó)在國(guó)外理論技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)并本土化生產(chǎn)了鋁合金空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)專(zhuān)用的Al-Mg-C 鋁合金型材與鉚釘連接的板式節(jié)點(diǎn)。采用工廠(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)快速裝配，縮短了施工周期。2010 年上海辰山植物園建造了總面積22 200m2的溫室展覽館，最大單體的平面尺寸為203m×33m，矢高20.5m，見(jiàn)圖9(a)。2015 年南京牛首山佛頂宮小穹頂采用單層橢球面網(wǎng)殼(147m×98m)，大穹頂采用三向網(wǎng)格單層網(wǎng)殼(251m×116m)，最大懸挑53m，當(dāng)時(shí)其跨度、單體面積與桿件長(zhǎng)度均居世界第一。此外，鋁合金空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在上海科技館、上海天文館、成都中國(guó)現(xiàn)代五項(xiàng)賽事中心游泳擊劍館、重慶國(guó)際博覽中心、在建的上海世博文化公園溫室等工程中均得到了應(yīng)用。

圖9 空間結(jié)構(gòu)新材料的應(yīng)用

2.2.2 木材的應(yīng)用

木材是一種可再生材料，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑以其環(huán)保、節(jié)能、工業(yè)化裝配、造型美觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)正受到越來(lái)越多的歡迎[18]。木結(jié)構(gòu)主要可以分為膠合木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和鋼木復(fù)合結(jié)構(gòu)。目前我國(guó)的木結(jié)構(gòu)從生產(chǎn)加工到分析、設(shè)計(jì)、施工都相對(duì)較為落后，對(duì)外依存度相對(duì)較高。國(guó)內(nèi)通過(guò)引進(jìn)技術(shù)也建設(shè)了若干項(xiàng)目，2019年建成的崇明體育訓(xùn)練中心游泳館，采用跨度45m的筒殼，上層木構(gòu)件采用交叉菱形網(wǎng)格，下部拉索形成弦支網(wǎng)殼。建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)外露，不做裝飾吊頂，充分展示了木結(jié)構(gòu)的親和力和溫馨感。2020年建成的太原植物園一期項(xiàng)目，最大的溫室跨度89.5m，結(jié)構(gòu)高度29m。結(jié)構(gòu)采用膠合木網(wǎng)殼，上層為雙向交叉上、下疊放的木梁，下層增設(shè)雙向交叉索網(wǎng)，索網(wǎng)布置方向與木梁斜交，索網(wǎng)和木結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼之間通過(guò)拉桿連接形成整個(gè)溫室結(jié)構(gòu)體系。該建筑是目前國(guó)內(nèi)跨度最大的全木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖9(b)。

2.2.3 膜結(jié)構(gòu)

膜結(jié)構(gòu)以性能優(yōu)良的織物為材料，通過(guò)向膜內(nèi)充氣、由空氣壓力支承膜面，或利用鋼拉索或剛性支撐結(jié)構(gòu)將膜面繃緊，從而形成一定剛度、覆蓋大跨度空間的結(jié)構(gòu)體系[19]。早期工程常用的膜材主要有兩種涂層織物，即P 類(lèi)(PVC)以及G 類(lèi)(PTFE)，以2008年北京奧運(yùn)會(huì)國(guó)家游泳中心的建成為標(biāo)志，由乙烯和四氯乙烯共聚物制成的ETFE膜材開(kāi)始逐漸被國(guó)人所熟知和喜愛(ài)，并不斷應(yīng)用于工程。2010 年上海世博會(huì)，至少有16個(gè)建筑，主要是展覽館，采用了各種膜材作為屋蓋或圍護(hù)結(jié)構(gòu)。其中，世博軸長(zhǎng)廊平面尺寸97m×840m，采用連續(xù)的柔性支承膜結(jié)構(gòu)，通過(guò)索系由大道兩側(cè)的桅桿和6個(gè)陽(yáng)光谷網(wǎng)殼支承，見(jiàn)圖9(c)。

3 典型工程實(shí)踐案例

3.1 全張拉結(jié)構(gòu)

3.1.1 航海博物館

中國(guó)航海博物館因其富于表現(xiàn)的屋面形式而獨(dú)具特色。兩個(gè)對(duì)峙的輕質(zhì)屋面殼體在廣義上表現(xiàn)了海洋這一主題，使人聯(lián)想起航海的風(fēng)帆，構(gòu)成了整個(gè)博物館建筑的重要而富有個(gè)性的標(biāo)志，見(jiàn)圖10。

圖10 航海博物館

航海博物館的中央帆體猶如兩張僅在一點(diǎn)上相互接觸的彎曲的風(fēng)帆，大型透明的弧形立面玻璃幕墻將建在兩張風(fēng)帆之間。結(jié)構(gòu)總高度約為58m，每個(gè)三角形風(fēng)帆的底部?jī)芍c(diǎn)間間距大約為70m，兩張風(fēng)帆的交叉點(diǎn)也就是立面最高點(diǎn)大約距離地面40m，弧形立面玻璃幕墻各處寬度不等，最寬約24m。中央帆體結(jié)構(gòu)體系可分為主、從結(jié)構(gòu)體系，主結(jié)構(gòu)體系包括三角形截面邊緣箱梁和三鉸拱，從結(jié)構(gòu)體系包括側(cè)幕墻立柱、屋面兩向正交月牙形桁架體系、單層索網(wǎng)體系，航海博物館結(jié)構(gòu)布置示意圖見(jiàn)圖11。

圖11 航海博物館結(jié)構(gòu)布置示意圖

由于單層索網(wǎng)的剛度與帆體鋼網(wǎng)殼的剛度相互影響，必須合理設(shè)計(jì)單層索網(wǎng)的預(yù)應(yīng)力形態(tài)，同時(shí)滿(mǎn)足建筑形態(tài)、結(jié)構(gòu)安全的雙重要求。綜合建筑要求及索網(wǎng)內(nèi)力均勻度、玻璃翹曲等要求后，選擇建筑師期望的網(wǎng)格形式，并采用“定長(zhǎng)索”找形方法進(jìn)行分析。網(wǎng)格采用兩種協(xié)同找形方法，利用ANSYS的整體協(xié)同找形方法和ANSYS與EASY結(jié)合的整體協(xié)同找形方法。兩種找形方法都考慮帆體鋼網(wǎng)殼、索網(wǎng)的共同作用，反映索網(wǎng)成形過(guò)程的協(xié)同作用機(jī)理。兩種協(xié)同找形方法的基本原理、思路相同，采用小彈性模量方法實(shí)現(xiàn)鋼網(wǎng)殼和索網(wǎng)的整體協(xié)同找形，建立兩組相同的索網(wǎng)系統(tǒng)，通過(guò)單元生死實(shí)現(xiàn)小彈性模量找形和真實(shí)彈性模量找形之間的變換。由于施工條件和設(shè)備的限制，施工中采用分批分步的張拉方法。首先在帆體鋼結(jié)構(gòu)卸載完成后進(jìn)行掛索，橫向索均按照原長(zhǎng)掛在鋼結(jié)構(gòu)兩端，縱索僅上端掛在鋼結(jié)構(gòu)上，縱索下端自由。掛索完成之后，按照鋼索的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度將橫向索和縱索用索夾連接，采用索長(zhǎng)控制的方法進(jìn)行施工張拉，以縱索為張拉對(duì)象。縱索索長(zhǎng)變化分四階段進(jìn)行控制，每個(gè)階段分成兩次張拉，先張拉兩邊縱索，后張拉中間縱索。

通過(guò)索網(wǎng)縮尺模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在張拉成形過(guò)程中，由于索的不平衡力造成許多索夾產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致了索網(wǎng)網(wǎng)格畸變和索力不均勻。由此可見(jiàn)，索網(wǎng)索夾是確保雙曲面索網(wǎng)成形的關(guān)鍵，是關(guān)乎索網(wǎng)成形后索力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的重要因素，索夾與玻璃夾具組合實(shí)體見(jiàn)圖12。對(duì)索夾進(jìn)行改進(jìn)，并進(jìn)行抗滑移承載力試驗(yàn)。改進(jìn)后的索夾滿(mǎn)足以下設(shè)計(jì)要點(diǎn)：1)索夾同時(shí)夾住橫向索和縱索后，當(dāng)索夾相鄰索段索力差在一定范圍內(nèi)時(shí)，能保證索與索夾間不發(fā)生滑移；2)因?yàn)樗骶W(wǎng)中橫縱索夾角在一定范圍內(nèi)變化，索夾需能自動(dòng)調(diào)整索間夾角；3)索夾四塊玻璃交接處不在同一個(gè)平面內(nèi)，索夾要滿(mǎn)足適應(yīng)玻璃不共面的要求。

圖12 索夾與玻璃夾具組合實(shí)體

3.1.2 棗莊市市民中心二期體育場(chǎng)

棗莊市市民中心二期體育場(chǎng)屋蓋罩棚結(jié)構(gòu)平面呈橢圓環(huán)形，長(zhǎng)、短軸尺寸分別為256.8m和235.0m。屋面主體索結(jié)構(gòu)采用輪輻式馬鞍形整體張拉索桁架結(jié)構(gòu)體系，由內(nèi)環(huán)、外環(huán)和徑向索組成；外壓環(huán)梁頂標(biāo)高為30.056～34.823m；內(nèi)環(huán)索頂標(biāo)高為34.202～38.834m，最高點(diǎn)和最低點(diǎn)高差為4.632m，屋面投影面積為31 000m2。屋面維護(hù)結(jié)構(gòu)為張拉PTFE膜結(jié)構(gòu)，屋蓋罩棚結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖13。主體索結(jié)構(gòu)是對(duì)傳統(tǒng)的輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)而形成的全新結(jié)構(gòu)體系，由以下三個(gè)部分組成：

圖13 屋蓋罩棚結(jié)構(gòu)模型

(1)內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)。內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)采用索桁架形式，由上、下內(nèi)環(huán)索、剛性撐桿、斜向拉索組成，為受拉狀態(tài)；通過(guò)設(shè)置內(nèi)環(huán)斜拉索，控制其長(zhǎng)度和預(yù)應(yīng)力分布，一方面可實(shí)現(xiàn)建筑馬鞍造型和結(jié)構(gòu)布置的統(tǒng)一，另一方面可提高內(nèi)環(huán)和整體結(jié)構(gòu)的抗扭剛度和整體穩(wěn)定性。

(2)外環(huán)結(jié)構(gòu)。外環(huán)梁為受壓狀態(tài)，采用直徑2m的圓鋼管，并通過(guò)鋼斜柱支承在混凝土看臺(tái)結(jié)構(gòu)上。

(3)屋面結(jié)構(gòu)。屋面張拉結(jié)構(gòu)體系布置在受拉內(nèi)環(huán)、受壓外環(huán)之間，與內(nèi)、外環(huán)共同形成自平衡結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；屋面結(jié)構(gòu)由上弦層徑向交叉索網(wǎng)和下弦層徑向索組成，上下弦之間用拉索連接形成雙層結(jié)構(gòu)體系。采用徑向交叉索網(wǎng)布置，一方面可實(shí)現(xiàn)建筑膜屋面造型的靈活多樣，減少次結(jié)構(gòu)布置；另一方面可提高結(jié)構(gòu)在不均勻荷載下的整體剛度和穩(wěn)定性。

由于內(nèi)環(huán)斜拉索的設(shè)置，內(nèi)環(huán)索在索夾兩側(cè)產(chǎn)生較大的不平衡力，因此設(shè)計(jì)了自鎖式抗滑移索夾，以承擔(dān)內(nèi)環(huán)索的不平衡力，見(jiàn)圖14。通過(guò)索夾試驗(yàn)和數(shù)值分析，保證了索夾節(jié)點(diǎn)的可靠性，為實(shí)現(xiàn)屋蓋整體結(jié)構(gòu)造型和安全提供重要支撐。

圖14 自鎖式抗滑移索夾模型

3.2 鋁合金空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

3.2.1 上海辰山植物園

上海辰山植物園溫室建筑分為三個(gè)展廳，展開(kāi)面積分別約為10 000，7 800，4 800m2。其中，最大的生態(tài)花園展廳長(zhǎng)度為204m，結(jié)構(gòu)高度21m，最大跨度34m，見(jiàn)圖15。溫室群的建筑形態(tài)獨(dú)特，結(jié)構(gòu)采用弧形的大跨度穹頂，結(jié)構(gòu)形式為單層鋁合金空間網(wǎng)格，覆蓋三角形夾層中空鋼化玻璃。

圖15 上海辰山植物園生態(tài)花園展廳

溫室建筑采用曲面造型，無(wú)法通過(guò)解析方程式的方法得到節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。此外，溫室曲面為不可解析曲面，當(dāng)采用三向網(wǎng)格時(shí)，建筑要求網(wǎng)格基本為等邊三角形，邊長(zhǎng)為1.8m，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特征進(jìn)行自由曲面的網(wǎng)格劃分，沿結(jié)構(gòu)的短跨方向每隔1.8m左右布置一次拱(H300×120×8×10)，而每十跨布置一主拱(H300×200×8×10)，在各拱之間布置斜向桿件(H300×120×8×10)，在落地一圈支座之間設(shè)置一環(huán)梁(H300×200×8×10)。為充分發(fā)揮殼體剛度，進(jìn)行“形體優(yōu)化”，用類(lèi)似于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)找形方式，“尋找”一種曲面，在滿(mǎn)足建筑要求的同時(shí)，盡可能優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力。

為減小溫度應(yīng)力的影響，在各單體的中間部位四根拱的兩端落地點(diǎn)設(shè)立固定鉸接支座；其余每根拱(包括主拱和次拱)的兩端落地點(diǎn)沿結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向(X向)設(shè)立單向彈性鉸接支座，彈簧的剛度取為1 000N/mm，其余兩方向線(xiàn)性約束。應(yīng)力和位移分布結(jié)果表明，該支座方案可充分釋放溫度應(yīng)力，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的應(yīng)力分布和變形模式。

3.2.2 世博文化公園溫室

世博文化公園溫室位于在建的上海世博文化公園內(nèi)，包含主入口游客中心建筑P1、三個(gè)溫室(多肉世界館P2、熱帶雨林館P3、云之花園P4)、溫室間走廊、鋼結(jié)構(gòu)桁架，見(jiàn)圖16。其中主入口游客中心建筑地下一層，地上層高11.8m，采用鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)。三個(gè)溫室P2，P3，P4結(jié)構(gòu)高度分別為15.0，22.0，19.0m。其中，P2和P3溫室采用異形上弦雙向拉索空間張弦網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，屋頂根據(jù)采光及建筑圓形窗要求形成多邊形鋁合金結(jié)構(gòu)上弦，周邊設(shè)置受壓鋼環(huán)梁與上弦平面?zhèn)鬟f結(jié)構(gòu)水平力，下部設(shè)置雙向拉索形成曲面索網(wǎng)，通過(guò)在索網(wǎng)和上弦之間設(shè)置豎向撐桿形成溫室自平衡屋蓋結(jié)構(gòu)。為了找到合理的索網(wǎng)面，首先將溫室平屋面作為初始狀態(tài)，在自重受力模式下進(jìn)行找形分析，找形分析采用小模量幾何非線(xiàn)性方法，按照最大矢高進(jìn)行控制找形完成狀態(tài)，經(jīng)過(guò)分析最大矢高確定為2.8m，找形后索網(wǎng)理想分布曲面見(jiàn)圖17。得到找形后的曲面，進(jìn)行網(wǎng)格化，分析屋面找形后主應(yīng)力分布，確定合理的索網(wǎng)布置方向，并在找形后的曲面上進(jìn)行索網(wǎng)劃分，重新建立計(jì)算模型，與上弦鋁合金網(wǎng)格面合并，并設(shè)置豎向撐桿后，采用小模量幾何非線(xiàn)性方法進(jìn)行索網(wǎng)二次找形分析，將二次找形后的幾何形態(tài)作為初始狀態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖16 世博文化公園溫室建筑效果圖

圖17 索網(wǎng)理想分布曲面

P4溫室屋蓋由鋁合金構(gòu)件形成多邊形平板網(wǎng)格面，采用“日”字形鋁合金截面桿件，通過(guò)合金鋼拉桿懸掛于上部鋼桁架，周邊和中部核心筒區(qū)域支撐于下部鋼柱頂，鋼柱頂均設(shè)置矩形鋼環(huán)梁，屋蓋與柱頂?shù)匿摥h(huán)梁進(jìn)行鉸接連接。溫室內(nèi)設(shè)置兩個(gè)核心筒，核心筒鋼柱之間設(shè)置斜撐。由于結(jié)構(gòu)水平剛度的需求，鋁合金桿件節(jié)點(diǎn)均需要?jiǎng)偨釉O(shè)計(jì)，采用鋁合金板式節(jié)點(diǎn)，典型節(jié)點(diǎn)如圖18所示。

圖18 鋁合金板式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖

3.3 現(xiàn)代膠合木空間結(jié)構(gòu)

太原植物園一期項(xiàng)目包含1#，2#，3#共三個(gè)溫室建筑，內(nèi)部種植熱帶植物、沙生植物，跨度依次為89.5，54，43m。其中，1#溫室結(jié)構(gòu)高度約29m，是目前國(guó)內(nèi)最大的膠合木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。溫室外觀(guān)建筑效果為木結(jié)構(gòu)，外圍護(hù)為玻璃幕墻，內(nèi)部不設(shè)吊頂。結(jié)構(gòu)采用雙向交叉上、下疊放膠合木梁形成網(wǎng)殼，在縱向木梁對(duì)應(yīng)位置下部間隔三根梁增設(shè)雙層木梁進(jìn)行加強(qiáng)，縱向木梁夾住橫向木梁，其中縱向木梁截面均為200×400，間隔雙層加強(qiáng)，橫向木梁截面均為200×300。為了增加結(jié)構(gòu)整體性和剛度，在網(wǎng)殼下部增設(shè)雙向交叉索網(wǎng)，索網(wǎng)布置方向與木梁斜交，索網(wǎng)和膠合木網(wǎng)殼之間通過(guò)拉桿連接形成整個(gè)溫室結(jié)構(gòu)體系，見(jiàn)圖19。

圖19 弦支膠合木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

膠合木網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)構(gòu)件均為單曲或雙曲型，構(gòu)件加工精度和現(xiàn)場(chǎng)拼接難度高?？紤]到膠合木網(wǎng)殼桿件以軸向受力為主，彎矩和剪力較小，開(kāi)發(fā)了一種“Z”形拼接節(jié)點(diǎn)(圖20(a))，其特點(diǎn)在于可保證軸向可靠受力，也可承擔(dān)部分彎矩和剪力。避免了傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)桿件連接節(jié)點(diǎn)需要預(yù)留槽口或使用型鋼連接，造成安裝施工耗時(shí)、建筑外觀(guān)效果不佳等問(wèn)題。同時(shí)，針對(duì)疊合木梁，開(kāi)發(fā)了一種能承受不同方向剪力的疊合搭接節(jié)點(diǎn)(圖20(b))，基本沒(méi)有削弱木構(gòu)件力學(xué)性能，并具有施工效率高、不影響建筑外觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)。

圖20 膠合木連接節(jié)點(diǎn)

膠合木網(wǎng)殼下部通過(guò)張拉索網(wǎng)形成弦支結(jié)構(gòu)，拉索施工安裝不能采用兩端張拉方式，針對(duì)此設(shè)計(jì)了一種新型膠合木-拉索弦支節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖21。施工初始保證雙向拉索能在過(guò)索部件中自由滑動(dòng)，通過(guò)逐點(diǎn)擰緊節(jié)點(diǎn)螺母，將拉索拉向膠合木來(lái)施加預(yù)應(yīng)力。再按序逐步張緊螺母并檢測(cè)達(dá)到設(shè)計(jì)張力后，固定過(guò)索部件，拉索安裝就位。

圖21 膠合木-拉索弦支節(jié)點(diǎn)

4 結(jié)語(yǔ)

空間結(jié)構(gòu)形式多樣，新分析理論、新結(jié)構(gòu)體系、新材料技術(shù)不斷涌現(xiàn)和發(fā)展。中國(guó)已是空間結(jié)構(gòu)大國(guó)，建成空間結(jié)構(gòu)項(xiàng)目之多、跨度之大居世界前列，但目前自主技術(shù)創(chuàng)新還相對(duì)較少。通過(guò)對(duì)空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)梳理和提煉，和對(duì)空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)踐過(guò)程中相關(guān)研究成果的總結(jié)，力求為提升我國(guó)空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論和技術(shù)實(shí)踐水平貢獻(xiàn)力量。相信不久的將來(lái)，我國(guó)完全有能力成為空間結(jié)構(gòu)強(qiáng)國(guó)。