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膜結構在現實生活中的應用

日期:2013-09-12 10:15:00 / 人气:5

  大跨空间结构的发展----回顾与展望沈世钊土木工程学报-1998年3期
    摘要:大跨空间结构是目前发展最快的结构类型。
    大跨度建筑及作为其核心的空间结构技术的发展状况是代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。本文就空间网格结构和张力结构两大类介绍了国内外(但主要是国外)空间结构的发展现状和前景。对这一领域几个重要理论问题,包括空间结构的形态分析理论、大跨柔性属盖的动力风效应、网壳结构的稳定性和抗震性能等问题的研究提出了看法。
     一、概 述   在这实际的三维世界里,任何结构物本质上都是空间性质的,只不过出于简化设计和建造的目的,人们在许多场合把它们分解成一片片平面结构来进行构造和计算。与此同时,无法进行简单分解的真正意义上的空间体系也始终没有停止其自身的发展,而且日益显示出一般平面结构无法比拟的丰富多彩和创造潜力,体现出大自然的美丽和神奇。空间结构的卓越工作性能不仅仅表现在三维受力,而且还由于它们通过合理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用。当跨度增大时,空间结构就愈能显示出它们优异的技术经济性能。事实上,当跨度达到一定程度后,一般平面结构往往已难于成为合理的选择。从国内外工程实践来看,大跨度建筑多数采用各种形式的空间结构体系。
    近二十余年来,各种类型的大跨空间结构在美、日、欧等发达国家发展很快。建筑物的跨度和规模越来越大,目前,尺度达150m以上的超大规模建筑已非个别;结构形式丰富多彩,采用了许多新材料和新技术,发展了许多新的空间结构形式。例如1975年建成的美国新奥尔良"超级穹顶"(Superdome),直径207m,长期被认为是世界上最大的球面网壳;现在这一地位已被1993年建成夏径为222m的日本福冈体育馆所取代,但后者更著名的特点是它的可开合性:它的球形屋盖由三块可旋转的扇形网壳组成,扇形沿圆周导轨移动,体育馆即可呈全封闭、开启1/3或开启2/3等不同状态。1983年建成的加拿大卡尔加里体育馆采用双曲抛物面索网屋盖,其圆形平面直径135m,它是为1988年冬季奥运会修建的,外形极为美观,迄今仍是世界上最大的索网结构。70年代以来,由于结构使用织物材料的改进,膜結構或索-膜結構(用索加強的膜結構)獲得了發展,美國建造了許多規模很大的氣承式索-膜結構;1988年东京建成的"后乐园"棒球馆,也采用这种结构技术尤为先进,其近似圆形平面的直径为204m;美国亚特兰大为1996年奥运会修建的"佐治亚穹顶"(Geogia Dome,1992年建成)采用新颖的整体张拉式索一膜結構,其准橢圓形平面的輪廓尺寸達192mX241m。許多宏偉而富有特色的大跨度建築已成爲當地的象征性標志和著名的人文景觀。
由于經濟和文化發展的需要,人們還在不斷追求覆蓋更大的空間,例如有人設想將整個街區、整個廣場、甚至整個山谷覆蓋起來形成一個可人工控制氣候的人聚環境或休閑環境;爲了發掘和保護古代陵墓和重要古迹,也有人設想采用超大跨度結構物將其覆蓋起來形成封閉的環境。目前某些發達國家正在進行尺度爲300m以上的超大跨度空間結構的設計方案探討。
可以這樣說,大跨空間結構是最近三十多年來發展最快的結構形式。國際《空間結構》雜志主編馬考夫斯基(Z.S.Makowski)說:在60年代"空間結構還被認爲是一種興趣但仍屬陌生的非傳統結構,然而今天已被全世界廣泛接受。"從今天來看,大跨度和超大跨度建築物及作爲其核心的空間結構技術的發展狀況已成爲代表一個國家建築科技水平的重要標志之一。
   世界各国为大跨度空间结构的发展投入了大量的研究经费。例如,早在20年前美国土木工程学会曾组织了为期 10年的空间结构研究计划,投入经费 1550万美元。同一时期,西德由斯图加特大学主持组织了一个"大跨度空间结构综合研究计划",每年研究经费100万马克以上。这些研究工作为各国大跨度建筑的蓬勃发展奠定了坚实的理论基础和技术条件。国际壳体和空间结构学会(IASS)每年定期举行年会和各种学术交流活动,是目前最受欢迎的著名学术团体之一。
   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(1990)、哈尔滨冬季亚运会(1996)、上海八运会(1997)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。
   但與國際先進水平相比,我國大跨空間結構的發展仍存在一定差距。主要表現在結構形式還比較拘謹,較少大膽創新之作,說明新穎的建築構思與先進的結構創造之間尚缺乏理想的有機結合,尤其是150m以上的超大跨度空間結構的工程實踐還比較少;結構類型相對地集中于網架和網殼結構,懸索結構用得比較少,而一些有巨大前景的新穎結構形式如膜結構和索-膜結構、整體張拉結構、可開合結構等在國外已有不少成功的工程實踐,在我國則還處于空白或艱難起步階段。情況看來是,我國空間結構的發展經過十余年來在較爲平坦的草原上的馳騁之後,似乎遇上了一個需要努力躍上的新台階。這一新台階包含材料和生産條件等技術問題,也包含尚未很好解決的一些理論問題。爲促進我國空間結構進一步的更高層次的發展,有待科技工作者和企業家努力創造條件,以求得這些技術問題和理論問題較快較好地解決。
大跨空間結構的類型和形式十分豐富多彩,習慣上分爲如下這些類型:鋼筋混凝土薄殼結構;平板網架結構;網殼結構;懸索結構;膜結構和索-膜結構;近年来国外用的较多的"索穹顶"(Cable Dome)实际上也是一种特殊形式的索-膜結構;混合结构(Hybrid Structure),通常是柔性构件和刚性构件的联合应用。   在上述各种空间结构类型中,钢筋混凝土薄壁结构在50年代后期及60年代前期在我国有所发展,当时建造过一些中等跨度的球面壳、柱面壳、双曲扁壳和扭壳,在理论研究方面还投入过许多力量,制定了相应的设计规程。但这种结构类型日前应用较少,主要原因可能是施工比较费时费事。平板网架和网壳结构,还包括一些未能单独归类的特殊形式,如折板式网架结构、多平面型网架结构、多层多跨框架式网架结构等,总起来可称为空间网格结构。这类结构在我国发展很快,且持续不衰。悬索结构、膜結構和索-膜結構等柔性体系均以张力来抵抗外荷载的作用,可总称为张力结构。这类结构富有发展前景。下面按这两个大类简要介绍我国空间结构的发展状况。   

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