大跨度空間結(jié)構(gòu)的五個指標(biāo)

　　所謂空間結(jié)構(gòu)（Spatialstructures） ，其形狀呈空間狀，并同時具有三維受力特性。優(yōu)秀的空間結(jié)構(gòu)具有荷載傳遞路線最短，受力均勻等特點(diǎn)：而平面樓蓋結(jié)構(gòu)，由于構(gòu)件分為板、次梁和主梁

　　梁等“級別”，荷載傳遞路線長，浪費(fèi)材料。自然界也有許許多多令人驚嘆的空間結(jié)構(gòu)，如蛋殼、海螺等是薄殼結(jié)構(gòu)；蜂窩是空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；肥皂泡是充氣膜結(jié)構(gòu)：蜘蛛網(wǎng)是索網(wǎng)結(jié)構(gòu)：棕櫚樹葉是折板結(jié)構(gòu)等等。因此，從某種意義上來說，空間結(jié)構(gòu)是一種仿生結(jié)構(gòu)，它們比平面結(jié)構(gòu)更美觀、經(jīng)濟(jì)和高效。

　　如何衡量一個大跨度空間結(jié)構(gòu)（l≤60m）的優(yōu)劣，本人曾提出五個指標(biāo)：

　　⑴材料強(qiáng)度充分發(fā)揮！

　�、苹�礎(chǔ)推（拉）力H合理處理！

　　⑶施工安裝費(fèi)！

　　⑷跨度大！

　　⑸結(jié)構(gòu)的藝術(shù)作用！

　　對大跨度結(jié)構(gòu)來說，材料用量多，不僅是一個浪費(fèi)，對結(jié)構(gòu)的抗震，特別是豎向抗震極為不利。我國每一本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范總則第1條中， 都要求做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、確保質(zhì)量。因此，對優(yōu)秀的大跨度空間結(jié)構(gòu)來說，技術(shù)先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)合理更應(yīng)該特別強(qiáng)調(diào)。“結(jié)構(gòu)的藝術(shù)作用”，把結(jié)構(gòu)的型式與建筑的空間藝術(shù)形象融合起來，即結(jié)構(gòu)本身富有美學(xué)表現(xiàn)力。建筑師必須注意發(fā)揮這種表現(xiàn)力和利用這種裝飾效果，自然地顯示結(jié)構(gòu)。所謂自然的顯示結(jié)構(gòu)，不是說結(jié)構(gòu)就是美，而是要袒露具有美學(xué)價值的部分，通過建筑師的藝術(shù)加工，達(dá)到表現(xiàn)建筑美的目的，而不是簡單地表現(xiàn)結(jié)構(gòu)本身。這樣，就可以使建筑最終達(dá)到實(shí)用、經(jīng)濟(jì)和美觀的目的。

　　美國雷里（Rauleigh）競技館。結(jié)構(gòu)受力明確，形成自平衡體系，索、拱的材料強(qiáng)度充分發(fā)揮、基礎(chǔ)很小、施工方便，幾乎符合上述五個衡量指標(biāo)。斜拱的周邊以間距2.4m的鋼柱支承，立柱兼作門窗的豎框，形成了以豎向分隔為節(jié)奏感很強(qiáng)的建筑造型。被認(rèn)為是世界上第一座優(yōu)秀的大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)屋蓋建筑，開創(chuàng)了現(xiàn)代建筑索結(jié)構(gòu)的歷史。

　　空間結(jié)構(gòu)超越梁式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

　　從梁的彎矩圖可見，梁沿跨度和截面的受力都很不均勻，材料強(qiáng)度不能得到充分的發(fā)揮。對于通�？缍鹊臉巧w梁來說，可將矩形截面變?yōu)楣ぷ中徒孛�，進(jìn)而采用格構(gòu)式梁（桁架），以提高梁的承載力和剛度。為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的更大跨越，則必須把梁演變成拱和索，它的橫向擴(kuò)展就變成了空間結(jié)構(gòu)。因此，空間結(jié)構(gòu)又叫形效結(jié)構(gòu)（FormativeStructures）。

　　從一些優(yōu)秀的空間結(jié)構(gòu)上可以看出空間結(jié)構(gòu)符合指標(biāo)的優(yōu)勢。

　　（1）美國亞特蘭大百年奧運(yùn)會喬治亞穹頂。橢圓形平面：240.790m×192.020m，它是目前世界上最大的雙曲拋物型準(zhǔn)張拉整體體系（TensegritySystem）。該體系由美國M-Levy開發(fā)的一種穩(wěn)定性好的三角形劃分網(wǎng)格穹頂，受力特點(diǎn)是： “連續(xù)拉、 間斷壓”，材料強(qiáng)度得到了最充分的發(fā)揮（指標(biāo)1，2）。整個屋蓋用鋼量僅30kg/m²。

　　（2）法國巴黎國家工業(yè)與技術(shù)展覽中心大廳。是鋼筋砼裝配整體式薄殼結(jié)構(gòu)，殼體跨度l與殼的折算厚度t之比：l/t=206m/0.18m=1144倍，而雞蛋殼僅：40mm/0.4mm=100倍。說明人類的巨大智慧。

　　（3）廣東省湛江電廠干煤棚。平面尺寸：113.400m×113.400m，柱距79.80m，它是目前我國跨度最大的四柱支承平板網(wǎng)架屋蓋�？紤]到煤棚位于湛江順島上，是臺風(fēng)多發(fā)區(qū)，網(wǎng)架上鋪置鋼筋陶粒砼三角形帶肋預(yù)制板（直角邊4.200m，板的重力密度=14.5kN/m³）。雖然平板網(wǎng)架是科技含量較低的空間結(jié)構(gòu)體系，但仍可通過精心設(shè)計(jì)，采取八面坡水，腹桿棋盤式布置等手段來強(qiáng)化空間傳力， 用鋼量僅70.3kg/m²（巴基斯坦體育館柱距62.400m，鋁皮輕屋面， 用鋼就達(dá)61kg/m²）。值得指出的是：由于采用了暗柱帽，網(wǎng)架的施工散裝平臺由5m減低至1m左右，大大節(jié)省了施工費(fèi)用。

　　1996年9月9日至20日，湛江地區(qū)先后遭受了兩次40多年未遇的強(qiáng)臺風(fēng)襲擊，市內(nèi)風(fēng)速達(dá)57m/s（12級臺風(fēng)為33m/s）強(qiáng)風(fēng)時間持續(xù)1h以上，大量的建筑物受到嚴(yán)重破壞，但位于臺風(fēng)登陸口的湛江電廠干煤棚卻完好無損，其陶粒砼屋面也未遭到任何破壞。

　�。�4）羅馬小體育館。采用外露的叉形斜柱，有力地把巨大的裝配整體式鋼筋砼網(wǎng)肋型扁圓球殼托起，結(jié)構(gòu)清晰、歡快，極富結(jié)構(gòu)力度。

　�。�5） 意大利佛羅倫薩運(yùn)動場大看臺。建筑師把雨蓬的挑梁外形與其彎矩圖（二次拋物線）統(tǒng)一起來。但又不是簡單的統(tǒng)一，建筑師利用混凝土的可塑性對挑梁的外輪廊進(jìn)行了藝術(shù)處理，在挑梁的支座附近挖了一個三角形孔，既減耗了結(jié)構(gòu)重力，也獲得了很好的藝術(shù)效果。

　　這個建筑，直接地顯示了結(jié)構(gòu)的自然形體，進(jìn)行了恰如其分的藝術(shù)加工，而又不做任何多余的裝飾，使結(jié)構(gòu)的形式與建筑空間藝術(shù)形象高度的融合起來，形象優(yōu)美，輕巧自然，給人以建筑美的享受。

　　這個例子說明，建筑物的重力感、力的傳遞與其支承的關(guān)系，也就是結(jié)構(gòu)的作用，同樣也是建筑藝術(shù)表現(xiàn)力的重要源泉。

　　認(rèn)真執(zhí)行四個原則

　　對大跨度空間結(jié)構(gòu)體系來說，梁式結(jié)構(gòu)體系是受力最差的體系。張拉整體體系——“連續(xù)拉、間斷壓”和索-膜體系是目前最先進(jìn)、最經(jīng)濟(jì)的體系。

　　法國著名建筑師保羅·安德魯中標(biāo)設(shè)計(jì)的廣州體育館，用鋼量160kg/m²； 美國NixonEllerbeBecket（NEB）公司中標(biāo)設(shè)計(jì)的廣東奧林匹克體育，用鋼量高達(dá)200kg/m²，它們基本上都屬于梁式結(jié)構(gòu)體系，耗費(fèi)如此多的用鋼量也就不奇怪了。

　　由于外國設(shè)計(jì)者不了解中國規(guī)范，我曾建議，今后國際招標(biāo)只作到方案階段，初步設(shè)計(jì)應(yīng)由國內(nèi)設(shè)計(jì)院承擔(dān)。

　　大跨度空間結(jié)構(gòu)幾乎都是鋼結(jié)構(gòu)，科技含量較高，本文提出的五個衡量指標(biāo)是最基本的。要設(shè)計(jì)好一個大跨度空間結(jié)構(gòu)建筑，建筑師和結(jié)構(gòu)工程師的合作應(yīng)當(dāng)達(dá)到配合默契的程度。嚴(yán)格貫徹執(zhí)行國家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，即技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用。

　　衡量指標(biāo)是最基本的。要設(shè)計(jì)好一個大跨度空間結(jié)構(gòu)建筑，建筑師和結(jié)構(gòu)工程師的合作應(yīng)當(dāng)達(dá)到配合默契的程度。嚴(yán)格貫徹執(zhí)行國家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，即技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、確保質(zhì)量。我們希望認(rèn)真執(zhí)行這四個原則，政府部門和工程技術(shù)人員都不能停留在口頭上。