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空間結構的發(fā)展歷程,空間網格結構發(fā)展百廿年回顧

欄目:專業(yè)資訊 發(fā)布時間:2023-07-26 作者: 鋼結構設計 來源: 結構號角 瀏覽量: 584
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 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(xiàn)為三維空間工作的結構??臻g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。


  空間結構的特點

1)自重輕。這是空間結構最主要的優(yōu)點,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(jié)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)化生產施工速度快??臻g結構的構件通??稍诠S中預制,這些簡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,在工地上就可以很快地安裝起來。

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)造價低。輕質高強材料的采用以及大規(guī)模工業(yè)化生產,使其造價較低。

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

 空間網格結構發(fā)展百廿年回顧

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

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  1943年,德國工程師提出了MERO體系,開啟了平板網架的商品化應用;隨后,英國的Space Deck、美國的Octe、加拿大的Triodetic等產品相繼上市,進一步推動了空間網格結構的應用。1950年以來,R. B. Fuller(1895-1983)發(fā)展了多面體網格穹頂結構,在1967年美國蒙特利爾世博會中建造了直徑為67m的球形穹頂結構。

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1964年,西班牙結構工程師 Emilio Péreg Pinero1936-1972)提出了折疊展開網格結構的設計思想,結構在運輸時處于折疊狀態(tài)以提高運輸效率,在工作時處于展開狀態(tài)以實現(xiàn)建筑功能。1970年,日本大阪世博會中采用了空間網格結構,并實現(xiàn)了292m×108m的結構尺寸,展示了這類結構優(yōu)秀的空間跨越能力。

        1993年,國際《空間結構》雜志主編Z.S. Makowski1922-2005)在IASS會議上指出:1966年空間結構還被認為是一種有趣但仍屬陌生的非傳統(tǒng)結構,然而現(xiàn)在已被全世界所接受。伴隨著技術的發(fā)展和成熟,空間網格結構被大量應用于世博會、奧運會等重大國際活動的場館建設中,如1992巴塞羅那奧運會主場館東京國立競技場、2020年東京奧運會主場館東京國立競技場和2020年迪拜世博會阿爾瓦斯爾穹頂?shù)取?/span>

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

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上世紀90年代,中國空間網格結構進入了快速發(fā)展期。一方面,改革開放帶來了中國經濟騰飛,為空間網格結構的發(fā)展提供了經濟基礎;另一方面,結構計算理論逐漸成熟,網格結構設計、施工、驗收、節(jié)點構造等各類規(guī)范相繼問世,MSTCAD等輔助設計軟件推廣應用,為空間網格結構的發(fā)展提供了技術基礎。文獻指出,1992年前,我國已有超過50家專門或部分生產網架結構的企業(yè),在1987年之后的十年里,我國空間網架結構的年用鋼量提高了近十倍,1992年亞運會場的13個新建大型場館中有11個都采用了空間網格結構。

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

1 工業(yè)廠房

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

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2儲煤結構

煤是工業(yè)的主要動力來源之一,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臂堆煤、挖煤機械的正常工作,儲煤結構通常體現(xiàn)出大跨度、大面積、大空間的特點。《大跨度儲煤結構設計與施工》一書中統(tǒng)計了2006年以前的國內儲煤結構,絕大多數(shù)都采用了空間網格結構,如建成于2006年的河南鴨口干煤棚,采用柱面網殼結構,尺寸達到108m×150m。近年來,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跨度達到了229m

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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承受飛機維修過程中設備帶來的荷載。網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對傳統(tǒng)雙層網架結構的改進和創(chuàng)新。如建成于1996年的北京首都機場四機位機庫采用三層網架結構,尺寸為(153+153)m × 90m。建成于2019年的北京大興國際機場南航機庫,采用W型桁架+網格結構體系,大門開口邊跨度達到222m

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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,在滿足大跨度、大面域的建筑功能的同時,還常通過自由曲面構造豐富的建筑造型。我國首個采用空間網格結構的機場航站樓是建成于1991年的深圳T1航站樓,采用正放四角錐網架結構,建筑面積約為4000m2。建成于2019年的北京大興國際機場航站樓,是當前世界上規(guī)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143m2。

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5鐵路站房

為滿足鐵路站房的大量人員流動功能需求,鐵路站房通常呈現(xiàn)出大跨度、大面積的特點。建成于2009年的武漢站是我國第一個高鐵站房,采用正交正放式網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(guī)模最大的車站之一。

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6體育場館

1990年北京亞運會以來,我國舉辦了大量有影響力的體育賽事和大型活動,對大型場館的建設提出了需求。大型體育場館除了大跨度、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。有代表性的空間網格結構體育場館包括廣東省人民體育館、國家體育場鳥巢、國家游泳中心水立方、杭州奧體中心體育場等??砷_啟空間網格結構在體育場館中也得到了一定的應用,以實現(xiàn)晴天室外、雨天室內的功能,我國最早的大跨度開啟屋蓋結構是建成于2005年的杭州黃龍中心網球館,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、建成于2011年的國家網球中心和建成于2017年的杭州奧體中心網球館等。

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總之,空間網格結構經過了百廿年的發(fā)展,在空間結構領域展現(xiàn)出強大的生命力,已經得到“廣為認可,廣泛應用”。中國空間網格結構經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(yǎng)體系,成為了名副其實的空間網格結構大國。

空間網格結構技術已經相對成熟,也仍有可以進一步思考的方向。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格結構;生產和施工方面,可以進一步推進網格結構各產品標準的統(tǒng)一化、產品加工的自動化和智能化;應用場景方面,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(qū)域小環(huán)境,構建舒適、生態(tài)的人類生活空間。

浙江大學  羅堯治、薛宇

(摘自《第十屆結構工程新進展論壇》特邀報告文集)