小谈大跨度建筑结构
摘要：大跨度结构分为单层刚架、桁架结构、拱结构、薄壳结构、折板结构、网架结构、悬索结构、薄膜结构、及组合空间结构等。我国大跨度空间结构的基础原来比较薄弱，但随着国家经济实力的增强和社会发展的需要，近十余年来也取得了比较迅猛的发展。工程实践的数量较多，空间结构的类型和形式逐渐趋向多样化，相应的理论研究和设计技术也逐步完善。种种迹象说明，我国虽然尚是一个发展中国家，但由于国大人多，随着国力的不断增强，要建造更多更大的体育、休闲、展览、航空港、机库等大空间和超大空间建筑物的需求十分旺盛，而且这种需求量在一定程度上可能超过许多发达国家。这是我国空间结构领域面临的巨大机遇。
关键词：大跨度、结构、受力、稳定性
引言：在现代社会中，存在着各式各样建筑结构形式的建筑，每种
结构无疑表露了其建筑的独特性及美感。在众多的建筑结构中，大跨度结构也占了一定的比例，例如北京奥运会的“鸟巢”工程，中国国家大剧院这些极具代表性的建筑都有关于大跨度结构的相关应用。
先谈谈大跨度的含义，大跨度建筑横向跨越30米以上空间的各类结构形式的建筑。大跨度结构多用于民用建筑中的影剧院、体育馆、展览馆、大会堂、航空港候机大厅及其他大型公共建筑，工业建筑中的大跨度厂房、飞机装配车间和大型仓库等。大跨度的发展史也是佷漫长的，早在古罗马就已经有大跨度拱顶，而近代大跨度结构建筑至19世纪末已经有较大的成就。如1889年巴黎世界博览会的机械馆,是用三铰拱式的钢结构,跨度达115米。20世纪初,金属材料的进步和钢筋混凝土技术的发展，促使大跨度建筑出现很多新的结构形式。如1912～1913年在波兰布雷斯劳建成的百年大厅，采用钢筋混凝土穹
窿顶,直径达65米,覆盖面积5300平方米。第二次世界大战后，大跨度建筑又有了新的发展，以欧洲国家、美国和墨西哥发展最快。这个时期的大跨度建筑广泛地应用各种高强轻质材料（如合金钢、特种玻璃）和化学合成材料，减轻了大跨度结构的自重，使新颖的空间结构不断出现，覆盖面积日益扩大。
大跨度结构分为单层刚架、桁架结构、拱结构、薄壳结构、折板结构、网架结构、悬索结构、薄膜结构、及组合空间结构等。这里简单的说几个结构类型： 1.椼架结构与网架结构
椼架也是一种大跨度结构。在古代，虽然也有用木材做成各种形式的构架作为屋顶结构的，但是符合力学原理的新型椼架的出现却是现代的事。椼架结构虽然可以跨越较大的空间，但是由于它自身具有一定的高度，而且上弦一般又呈两坡后曲线的形式，所以只适合担当作屋顶结构。
网架结构也是一种新型大跨度空间结构。它具有刚度大、变形小、应力分布均匀、能大幅度地减轻结构自重和节省材料等优点。网架结构可以用木材、钢筋混凝土或钢材来做，并且具有多种多样的形式，使用灵活方便，可适应于多种形式的建筑平面的要求。近来国内外许多大跨度公共建筑或工业建筑均普遍地采用这种新型的大跨度空间结构来覆盖巨大的空间。
当今，空间平板网架结构在我国已有较大发展，而由于网架结构多采用金属管材制造，能承受较大的纵向弯曲力，与一般钢结构相比，
可节约大量钢材和降低施工费用（根据有关资料统计，节约钢材约35%，降低施工费用约25%，甚至在某些情况下，耗钢量接近于普通钢筋混凝土梁中的钢筋数量）。因此，空间网架的结构形式，用于大跨度建筑具有很大的经济意义。另外，由于空间平板网架具有很大的刚度，所以结构高度不大，这对于大跨度空间造型的创作，具有无比的优越性。
2.薄壳结构（又称壳体结构）
一般而言，用轻质高强材料做成的结构，若按强度计算，其剖面尺寸可以大大地减小，但是这种结构在荷载的作用下，却容易因变形而失去稳定并最后导致破坏。而壳体结构正是由于合理的外形，不仅内部应力分配既合理又均匀，同时又可以保持极好的稳定性，所以壳体结构尽管厚度极小却可以覆盖很大的空间。
壳体结构按其受力情况不同可以分为折板、单曲面壳和双曲面壳等多种类型。在实际应用中，壳 壳体结构按其受力情况不同可以分为折板、单曲面壳和双曲面壳等多种类型。在实际应用中，壳体结构的形式更是丰富多彩的。例如悉尼歌剧院，其外观为三组巨大的壳片，耸立在一南北长186米、东西最宽处为 97米的现浇钢筋混凝土结构的基座上。而壳体结构既可以单独使用又可以组合起来使用；既可以用来覆盖大面积空间，又可以用来覆盖中等面积的空间；既适合方形、矩形平面要求，又可以适应圆形平面、三角形平面，及至其他特殊形状平面的要求。
因为壳体结构属于高效能空间薄壁结构范畴，可以适应于力学要求
的各种曲线形状，所以其承受弯曲及扭转的能力远比平面结构系统大。另外，因结构受力均匀，因而可充分发挥材料的材耗，所以壳体结构体系非常适用于大跨度的各类建筑。 3.悬索结构
由于钢的强度很高，很小的截面就能够承受很大的拉力，因而在本世纪初就开始用钢索来悬吊屋顶结构。悬索在均匀荷载作用下必然下垂而呈悬链曲线的形式，索的两端不仅会产生垂直向下的压力，而且还会产生向内的水平拉力。单向悬索结构为了支承悬索并保持平衡，必须在索的两端设置立柱和斜向拉索，以分别承受悬索所给予的垂直压力和水平拉力。单向悬索的稳定性很差，特别是在风力的作用下，容易产生振动和失稳。
为了提高结构的稳定性和抗风能力，还可以采用双层悬索或双向悬索。双层悬索结构平面呈圆形，索分上下两层，下层索承受屋顶全部荷载，为承重索；上层索起稳定作用，为稳定索，上下两层索均张拉于内外两个圆环上而形成整体。这种形式的悬索结构承重索与稳定索具有相反的弯曲方向，这两种索交织成索网，经过预张拉后形成整体，具有良好的稳定性和抗风能力。
悬索结构除跨度大、自重轻、用料省外还具有平面形式多样（除可覆盖一般矩形平面外还可以覆盖圆形、椭圆、正方形、菱形乃至其他不规则平面的空间），使用的灵活性大、范围广；由多变的曲面所形成的内部空间既宽大宏伟又富有运动感；主剖面呈下凹的曲面形式，
曲率平缓，如处理得当既能顺应功能要求又可以大大节省空间和空调的费用形式变化多样，可以为建筑形体和立面处理提供新的可能性。 在大跨度结构建筑选型时，悬索结构由于没有繁琐支撑体系的屋盖结构选型，所以该种结构是较为理想的形式。在荷载作用下，悬索结构体系能承受巨大的拉力，因此要求设置能承受较大压力的构件与之相平衡。 4.薄膜结构
薄膜结构是空间结构中最新发展起来的一种类型，它以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支撑膜面，或是利用柔性钢索或刚性骨架将膜面绷紧，从而形成具有一定刚度并能覆盖大跨度结构体系。膜结构既能承重又能起围护作用，与传统结构相比，其重量却大大减轻，仅为一般屋盖重量的1/10---1/30。
薄膜结构按其支承方式的不同，一般包括空气膜结构、悬挂膜结构、骨架支撑膜结构、复合膜结构----这是膜结构中新的结构体系，由钢索、膜材及少量受压的杆件组成，由于主要用于圆形平面，称“索穹顶”。这个体系包括连续的拉索和单独的压杆，在荷载作用下，力从中心受拉环或椼架通过放射状的径向脊索、谷索、环向拉索、斜拉索传向周围的受压环梁。扇形的膜面从中心环向外环方向展开。通过对钢索施加拉力而绷紧，固定在压杆与接合处的节点上。该结构适用于大跨度的圆形或椭圆形建筑。
下面是一个江苏省内的一个利用大跨度结构的建筑
南通体育会展中心体育场工程
体育场工程位于南通市城市中轴线（工农南路）东侧，北接南通未来的商业居住中心——中央商务区，东邻南通大学城，南看狼山风景区，建筑面积48565平方米，总投资概算4.1亿元人民币。体育场作为2006年江苏省十六届运动会主会场，目前已成为体现南通市社会事业快速发展的标志性精品工程。南通体育场为目前国内第一个采用活动开启式屋盖的体育场，造型别致，构造复杂。技术难度相对集中的体育场钢结构屋盖分两部分：固定屋盖和活动屋盖。屋盖的几何形状为球冠，固定屋盖采用拱支网壳，网壳为单层网壳。固定屋盖中
的主拱、副拱、斜拱和内圈桁架的上弦轴线的节点位于半径为204m的球面上，主拱、副拱、斜拱和内圈桁架的下弦轴线节点位于半径为200m的球面上。
我国大跨度空间结构的基础原来比较薄弱，但随着国家经济实力的增强和社会发展的需要，近十余年来也取得了比较迅猛的发展。工程实践的数量较多，空间结构的类型和形式逐渐趋向多样化，相应的理论研究和设计技术也逐步完善。以北京亚运会、哈尔滨冬季亚运会、上海八运会、北京奥运会、上海世博会的许多体育建筑为代表的一系列大跨空间结构——作为我国建筑科技进步的某种象征在国内外都取得了一定影响。
种种迹象说明，我国虽然尚是一个发展中国家，但由于国大人多，随着国力的不断增强，要建造更多更大的体育、休闲、展览、航空港、机库等大空间和超大空间建筑物的需求十分旺盛，而且这种需求量在一定程度上可能超过许多发达国家。这是我国空间结构领域面临的巨大机遇。
但与国际先进水平相比，我国大跨空间结构的发展仍存在一定差距。主要表现在结构形式还比较拘谨，较少大胆创新之作，说明新颖的建筑构思与先进的结构创造之间尚缺乏理想的有机结合，尤其是150m以上的超大跨度空间结构的工程实践还比较少；结构类型相对地集中于网架和网壳结构，悬索结构用得比较少，而一些有巨大前景的新颖结构形式如膜结构和索-膜结构、整体张拉结构、可开合结构等在国外已有不少成功的工程实践，在我国则还处于空白或艰难起步
阶段。情况看来是，我国空间结构的发展经过十余年来在较为平坦的草原上的驰骋之后，似乎遇上了一个需要努力跃上的新台阶。这一新台阶包含材料和生产条件等技术问题，也包含尚未很好解决的一些理论问题。为促进我国空间结构进一步的更高层次的发展，有待科技工作者和企业家努力创造条件，以求得这些技术问题和理论问题较快较好地解决。
在人类社会的发展历程中，能够提供更大跨度和空间的结构常常是人们追求的梦想和目标，空间结构的发展很大程度上反映了人类建筑史的发展。空间结构设计应正确合理地运用不同的计算理论和程序方法进行精确的分析，同时在空间结构的形体设计中不能只注重美观，还必须注重结构受力的合理性和工程成本的等因素.
