院士报告现代大跨空间结构在中国的应用与发展

（浙江大学空间结构研究中心）现代大跨空间结构在中国的应用与发展董石麟内容一、引言二、现代空间结构的分类三、现代刚性空间结构的应用与发展四、现代柔性空间结构的应用与发展五、现代刚柔性组合空间结构的应用与发展六、结语一、引言1.空间结构发展的三个历史阶段2.现代空间结构由Ⅰ、Ⅱ部分组成空间结构年代划分图D=43.5mH=43.5m连环拱、交叉拱、大拱套小拱罗马万神殿BC14拱券式穹顶结构（浮石、火山灰）38m×54m南京无梁殿（1381）a殿前b殿宇拱券式穹顶结构（砖、石）钢筋混凝土薄壳结构Ｄ59.2m罗马小体育馆（1957）首例R.C.球壳Ｄ=40ｍ德国耶拿玻璃厂1925网架、网壳等空间格构结构首例球面网壳Ｄ=15ｍ生铁德国蔡司天文馆1924德国蔡司天文馆99m×112.2m首都体育馆（1967）一般悬索结构BC285竹索桥——安澜桥1703铁索桥——泸定桥北京工人体育馆D94m（1961）美国瑞雷竞技馆近似D91.5m（1953）气承式充气膜结构美国庞提亚克体育馆168m×220m（1975）日本东京后乐园棒球馆方椭圆180m×180m（1988）第Ⅰ部分现代空间结构由轻质、高强建材（膜材、索材、钢棒）轻盈、高效空间结构（如气承式膜结构等）第Ⅱ部分现代空间结构由近代空间结构（R.C壳、网格结构等）材料、结构的组合技术预应力技术创新型空间结构结构概念和形体创新（如组合网架等）空间结构年代划分图二、现代空间结构的分类按传统方法分类的空间结构（包括折板结构）薄壳结构网架结构网壳结构悬索结构薄膜结构支承膜结构刚性（骨架式）柔性（张拉式）充气膜结构气囊式气承式五大空间结构空间结构按基本单元组成分类图★1各种空间结构可分为17小类(7类刚性空间结构＋3类柔性空间结构＋7类刚柔性组合空间结构)，其组成和结构特色在总图中明显标出。★238种空间结构形式又可分成五大类(五个矩阵块)，与五大空间结构(薄壳结构、网壳结构、网架结构、悬索结构和膜结构)在一定程度上有相关性和对应性空间结构按基本单元分类的若干说明与讨论空间结构按基本单元分类的若干说明与讨论板壳单元或以板壳单元为主的空间结构——3+4=7种梁单元或以梁单元为主的空间结构——5+6=11种杆单元或以杆单元为主的空间结构——3+6=9种索单元或以索单元为主的空间结构——2+5=7种膜单元或以膜单元为主的空间结构——2+2=4种38种空间结构中，17种结构含有杆单元，17种含有索单元，17种含梁单元，10种含板壳单元，6种含膜单元★4杆、梁、索单元是五种单元中昀活跃的单元★3空间结构的组成可认为有：直观性——空间结构的组成清楚，特色明显★5空间结构按基本单元分类总图具有以下特点：空间结构按基本单元分类的若干说明与讨论包容性——现有各类各种空间结构都可包括在内实用性——与结构分析的计算方法与计算机程序有机结合起来开放性——今后任何新的空间结构体系均可在这一分类的框架中找到适当的位置，同时启发人们去不断创新、开发出新的空间结构形式现代空间刚性空间结构5种★6结合现代空间结构由Ⅰ、Ⅱ两部分组成，可分为：现代刚柔性空间结构10种现代柔性空间结构2种空间结构按基本单元分类的若干说明与讨论∑=17种空间结构按基本单元组成分类图三、现代刚性空间结构的发展和应用MR1空腹网壳MR2树状结构MR3多面体空间刚架结构MR4局部双层网壳MR5组合网架结构（MR6）折板型单、双层网壳MR1空腹网壳特点：1.由梁元构成2.空腹桁架→空腹网架→空腹网壳3.上、下弦节点均为五杆相交4.空腹层：受力合理、省材、设备层5.建筑师乐于采用应用：1.国家大剧院椭圆146m×212m2.山西体育中心三馆连接部位3.宝安中学综合体育馆（空腹网架，特例）椭圆146m×212m国家大剧院效果图（2004）国家大剧院计算模型俯视图施工安装深圳宝安中学综合体育馆MR2树状结构特点：1.多级分枝立柱支承结构2.主杆、枝杆（粗、中、端枝）均为梁元3.减小屋盖跨度4.降低内力和用钢量应用：1.深圳文化中心前厅2.杭州体育中心体育场一方案环状支柱3.浦东T2航站楼双层Y型柱4.台湾高铁台南等站大厅深圳文化中心杭州奥体中心花瓣体育场一方案外椭圆300m×330m×3.8m内椭圆孔152m×202m2828根二级分枝树状支柱根二级分枝树状支柱杭州奥体中心体育场一方案浦东国际机场二期航站楼内景(简易的树状结构)MR3多面体空间框架结构特点：1.12面体、14面体多面体构成2.无穷大多面体剖面交线及内部棱边3.梁元：必须是梁元才能传力4.结构内部一节点仅交四杆件5.相对节点少、杆件少→填充三维体应用：1.水立方游泳馆177m×177m2.焊接空心球节点(包括半球半鼓)177m×177m水立方游泳馆外景（2007）国家游泳中心“水立方”结构形成图水立方多面体空间刚架结构切割法动态建模型水立方多面体空间刚架结构嵌入法动态建模型水立方游泳馆节点形式水立方游泳馆气枕安装“水立方”屋盖结构的内部构造MR4局部双层网壳特点：1.梁元、杆元组合2.薄膜内力处用单层网壳弯曲内力处用双层网壳3.天窗、通风口用点式单层网壳4.可用立体桁架拱分割网壳应用：1.烟台塔山游乐场斗兽馆2.广西桂平体育馆3.杭州奥体中心体育馆一方案4.南通体育场D40m烟台塔山游乐场斗兽馆（1993）广西桂平市体育馆杭州奥体中心花瓣体育场一方案外椭圆300m×330m×3.8m内椭圆孔152m×202m杭州奥体中心体育场计算模型单双层花瓣单双层花瓣½½平面布置图平面布置图杭州奥体中心体育场一方案南通体育场开合式网壳屋盖MR5组合网架结构特点：1.去掉上弦，替代用R.C.带肋板2.板壳元、梁元、杆元组合3.两种材料组合4.承重、围护合一5.屋盖、楼层（高层、多层）都可用应用：1.徐州夹河煤矿食堂21m×54m（1980）2.抚州体育馆45.5m×58m（1987）3.新乡百货大楼多层36m×36m（1987）4.长沙纺织大厅高层24m×27m（1988）5上海购物中心多层27m×27m（1992）21m×54m徐州夹河煤矿大食堂（蜂窝形三角锥）198036m×36m新乡百货大楼24m×27m长沙纺织大厅27m×27m上海购物中心（MR6）折板型网壳特点：1.外形为折板型2.可梁元（单层）或杆元（双层）构成3.内力主要由脊、谷线传递4.便于铺设屋面板应用与研究：1.杭州陈经纶网球场2.深圳大运会体育场、体育馆、游泳馆3.广州大剧院4.青岛体育中心体育馆5.直径5m的B6,8型单层折板网壳结构模型试验杭州陈经纶网球场深圳大运中心体育场（（20092009））外椭圆267×281内椭圆孔130.4×179.6深圳大运中心体育馆（（20092009））D=144md=52m227m×82m深圳大运中心游泳馆（（20092009））不规则多边形128.5×135.9广州大剧院外景(2009)广州大剧院一角直径5m的B6,8型单层折板网壳结构模型试验四、现代柔性空间结构的发展和应用MR1气承式充气膜结构MR2柔性支承膜结构（索膜结构）MF1气承式充气膜结构特点：1.气囊式、气承式中一种2.1.003atm，高压体系3.膜面K＞04.膜材要求a.强度b.半透明c.自洁性d.耐燃性5.膜材（织物基层+涂层）PVC（聚氟乙烯）PTFE（聚四氟乙烯）ETFE(乙烯—四氟乙烯)应用：1.上海展览馆临时北馆28m×36m2.内蒙古响沙湾沙雕展览馆椭圆95×105m椭圆180m×180日本东京后乐园（1988）椭圆105m×95m内蒙古响沙湾沙雕展览馆气承式膜结构(2010)椭圆105m×95m内蒙古响沙湾沙雕展览馆气承式膜结构(2010)MF2柔性支承膜结构（索膜结构）特点：1.刚性、柔性支承式中一种2.膜面K≤03.索单元、膜单元组合4.索膜协调5.风载控制6.通常与刚性支承混合用应用：1.威海体育中心体育场外廓209m×236m内廓143m×205m2.上海世博会世博轴97m×840m3.深圳欢乐谷音乐厅威海市体育场236m×209m(2003)97m×840m世博轴整体效果图（2009）97m×840m世博轴施工现场图（2009）索膜结构EASY整体计算模型（54000个单元）索膜结构的组成图边索加强索吊索谷索脊索外桅杆背索水平索中桅杆短脊索膜面97m×840m上海世博会世博轴(2009)深圳欢乐谷音乐厅五、现代刚柔性组合空间结构的发展和应用MRF1张弦梁结构MRF2弦支网壳MRF3索穹顶—网壳MRF4张弦气肋梁MRF5预应力网架（壳）MRF6斜拉网架（壳）MRF7张弦(立体)桁架MRF8预应力装配弓式结构MRF9索桁结构MRF10索穹顶结构MRF1张弦梁结构特点：1.（上弦）梁、下弦（索）、竖（杆）三种单元组合2.BBS=BeamStringStructure日本引进3.张拉索成形4.自平衡体系5.平面外支撑，保证稳定性6.宜多阶段设计与施工7.→双向张弦梁应用：1.浦东机场航站楼Lmax=82.6m（1999）2.浦东T2航站楼连续(46m+89m+46m)×414m(2006)3.浙大新图书馆（双向）4.天津站张弦双支梁结构（2007）82.6m上海浦东国际机场办票大厅(46m+89m+46m)×414m浦东机场T2航站楼(2006)天津站雨篷结构（张弦双支梁）MRF2弦支网壳结构特点：1.（斜、环）索+（竖）杆+单层网壳（梁）三单元组合2.具有索穹顶单层网壳的优点日本引进3.预应力成形提高刚度4.自平衡体系，减少水平力5.圆形、椭圆形、多边形、矩形、平面应用：1.天津保税区大堂D=35.4m（2001）2.常州体育馆椭圆80m×120m（2007）3.北工大体育馆D=93m（2008）4.全运会济南体育馆D=122m（2009）5.深圳北站雨篷矩形28m×43m（多跨）（2010）A=6.8万m2首创天津保税区某大堂D35.4m（2001）椭圆80m×120m常州体育馆屋盖(2007)D93m北京工业大学体育馆外景(2008)世界昀大D122m全运会济南体育馆(2009)施工中的济南全运会体育馆施工中的济南全运会体育馆-内景济南奥体中心体育馆结构计算模型28m×43m柱网深圳新火车站无站台柱雨篷效果图（2011）无柱站台剖面图(总覆盖面积约6.8万m2)垂直股道方向顺股道方向模型实验同步张拉施工中的深圳新火车站MRF3索穹顶—网壳组合结构特点：1.索穹顶、网壳组合，我国自行提出2.索、杆、梁组合3.可做成刚性屋面4.在自平衡的索穹顶上安装5.扩大索穹顶应用范围研究与应用：1.模型试验研究D=5m2.2009年全运会济南体育馆一方案索穹顶与单层网壳的组合结构试验模型实物图计算模型简图济南体育馆方案MRF4张弦气肋梁特点：1.以充气肋代替张弦梁的竖杆2.Tensairity=Tension+air+integrity3.梁、索、膜三单元组合4.充气肋起到预应力的作用应用研究：1.我国也在作研究2.瑞士蒙特利克斯车站车库(2007)3.法国—桥梁(2007)瑞士蒙特立克斯车站汽车库(2007)瑞士蒙特立克斯车站汽车库(2007)内景张弦气肋梁与支承结构连接构造图Tensairity用于桥梁(法国)(2007)MRF5预应力网架（壳）特点：1.引入预应力索2.裸露索，索杆组合3.改善内力4.提高刚度5.省钢材，节省25%应用：1.广东清远体育馆六边形L=93.6m(扭壳)（1994）2.攀枝花体育场八边形74.8m×74.8m（球壳）（1995）3.高安灯光球场加盖54.9m×69.3m(扭壳)4.上海购物中心（楼层）27m×27m（组合网架）六边形对角93.6m清远体育馆（1994）缺角八边形74.8m×74.8m攀枝花体育馆（1995）★改善内力分布，节省用钢量约25%54.9m×69.3m高安体育馆四块组合型扭壳，四点支承上海购物中心MRF6斜拉网架（壳）特点：1.引入斜拉索体系2.索杆组合3.索可施加预应力，提高刚度4.屋顶增支点，减少跨度5.改善内力分布6.索不出现松弛（要求在外载下）应用：1.