大跨度空間結構的五個指標

　　所謂空間結構（Spatialstructures） ，其形狀呈空間狀，并同時具有三維受力特性。優(yōu)秀的空間結構具有荷載傳遞路線最短，受力均勻等特點：而平面樓蓋結構，由于構件分為板、次梁和主梁等“級別”，荷載傳遞路線長，浪費材料。自然界也有許許多多令人驚嘆的空間結構，如蛋殼、海螺等是薄殼結構；蜂窩是空間網(wǎng)格結構；肥皂泡是充氣膜結構：蜘蛛網(wǎng)是索網(wǎng)結構：棕櫚樹葉是折板結構等等。因此，從某種意義上來說，空間結構是一種仿生結構，它們比平面結構更美觀、經(jīng)濟和高效。

　　如何衡量一個大跨度空間結構（1≤60m）的優(yōu)劣，本人曾提出五個指標：

　　⑴材料強度充分發(fā)揮！

　　⑵基礎推（拉）力H合理處理！

　�、鞘┕ぐ惭b費！

　�、瓤缍却�！

　�、山Y構的藝術作用！

　　對大跨度結構來說，材料用量多，不僅是一個浪費，對結構的抗震，特別是豎向抗震極為不利。我國每一本結構設計規(guī)范總則第1條中， 都要求做到技術先進、經(jīng)濟合理、安全適用、確保質(zhì)量。因此，對優(yōu)秀的大跨度空間結構來說，技術先進和經(jīng)濟合理更應該特別強調(diào)。“結構的藝術作用”，把結構的型式與建筑的空間藝術形象融合起來，即結構本身富有美學表現(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，自然地顯示結構。所謂自然的顯示結構，不是說結構就是美，而是要袒露具有美學價值的部分，通過建筑師的藝術加工，達到表現(xiàn)建筑美的目的，而不是簡單地表現(xiàn)結構本身。這樣，就可以使建筑最終達到實用、經(jīng)濟和美觀的目的。

　　美國雷里（Rauleigh）競技館。結構受力明確，形成自平衡體系，索、拱的材料強度充分發(fā)揮、基礎很小、施工方便，幾乎符合上述五個衡量指標。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)奏感很強的建筑造型。被認為是世界上第一座優(yōu)秀的大跨度索網(wǎng)結構屋蓋建筑，開創(chuàng)了現(xiàn)代建筑索結構的歷史。

　　空間結構超越梁式結構的優(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，材料強度不能得到充分的發(fā)揮。對于通常跨度的樓蓋梁來說，可將矩形截面變?yōu)楣ぷ中徒孛妫�進而采用格構式梁（桁架），以提高梁的承載力和剛度。為了實現(xiàn)結構的更大跨越，則必須把梁演變成拱和索，它的橫向擴展就變成了空間結構。因此，空間結構又叫形效結構（FormativeStructures）。

　　從一些優(yōu)秀的空間結構上可以看出空間結構符合指標的優(yōu)勢。

　�。�1） 美國亞特蘭大百年奧運會喬治亞穹頂。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，受力特點是： “連續(xù)拉、 間斷壓”，材料強度得到了最充分的發(fā)揮（指標1，2）。整個屋蓋用鋼量僅30kg/m²。

　�。�2） 法國巴黎國家工業(yè)與技術展覽中心大廳。是鋼筋砼裝配整體式薄殼結構，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，是臺風多發(fā)區(qū)，網(wǎng)架上鋪置鋼筋陶粒砼三角形帶肋預制板（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構體系，但仍可通過精心設計，采取八面坡水，腹桿棋盤式布置等手段來強化空間傳力， 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多年未遇的強臺風襲擊，市內(nèi)風速達57m/s（12級臺風為33m/s）強風時間持續(xù)1h以上，大量的建筑物受到嚴重破壞，但位于臺風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，結構清晰、歡快，極富結構力度。

　　（5） 意大利佛羅倫薩運動場大看臺。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行了藝術處理，在挑梁的支座附近挖了一個三角形孔，既減耗了結構重力，也獲得了很好的藝術效果。

　　這個建筑，直接地顯示了結構的自然形體，進行了恰如其分的藝術加工，而又不做任何多余的裝飾，使結構的形式與建筑空間藝術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系，也就是結構的作用，同樣也是建筑藝術表現(xiàn)力的重要源泉

　　認真執(zhí)行四個原則

　　對大跨度空間結構體系來說，梁式結構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、最經(jīng)濟的體系。

　　法國著名建筑師保羅安德魯中標設計的廣州體育館，用鋼量160kg/m²； 美國NixonEllerbeBecket（NEB）公司中標設計的廣東奧林匹克體育，用鋼量高達200kg/m²，它們基本上都屬于梁式結構體系，耗費如此多的用鋼量也就不奇怪了。

　　由于外國設計者不了解中國規(guī)范，我曾建議，今后國際招標只作到方案階段，初步設計應由國內(nèi)設計院承擔。

　　大跨度空間結構幾乎都是鋼結構，科技含量較高，本文提出的五個衡量指標是最基本的。要設計好一個大跨度空間結構建筑，建筑師和結構工程師的合作應當達到配合默契的程度。嚴格貫徹執(zhí)行國家的技術經(jīng)濟政策，即技術先進、經(jīng)濟合理、安全適用、確保質(zhì)量。我們希望認真執(zhí)行這四個原則，政府部門和工程技術人員都不能停留在口頭上。