关于若干空间结构发展史的研究

　　摘要：本文讲述的是关于若干空间结构的发展历史的探讨与分析。

　　关键词：空间结构发展、穹顶、空间网格、整体张拉结构、杂交结构

　　1 引言

　　代表大空间的建筑称为无柱空间或者大跨空间，水平方向尺度很大的空间称为横向空间，与高层建筑形成的竖向空间构成一对主要的空间形式。

　　“更宽敞、跟高耸”两者都是人们的追求，但其发展历史则显著不同。竖向空间是进入20世纪才显著发展的，与之相比，作为横向空间的代表形态的穹顶，就有2000年以上的历史，随着各个时代最先进的材料和技术的应用，不断扩大其跨度而得到发展。

　　在与重力和自然的竞技中发展起来的大跨度结构，其主要技术有以下类别：

　　1.构件截面的改进——H钢、钢管、波形钢、变截面梁

　　2.结构方式的创新——拱、壳、索网

　　3.结构方式的变化和组合——拱和悬挂屋盖、梁和吊杆

　　4.高强度材料的开发——钢材、缆索、近代膜材

　　5.结构的轻量化——中空截面材料、桁架梁、铝合金构件

　　6.应力、变形的控制——预应力混凝土、张弦梁、支承拱

　　2 从穹顶了解空间结构的发展史

　　从古代罗马的万神庙、文艺复兴时代的佛罗伦萨等的历史性建筑可以看到，穹顶、拱廊、拱顶都是建筑技术史上，自古以来就加以使用的代表性的空间要素。自身稳定性好的三维形态，代表了宇宙安定秩序的绝对空间，给人们以震撼和感动。

　　古典穹顶中，最古老的是万神庙(占地120公顷，跨度43米)。无论从哪一方面看，都可以作为古代穹顶建筑的最高典范，令人惊讶的是直到进入19世纪为止，它一直是跨度最大的穹顶。到阿尔赫西拉斯的壳体(1933年、跨度47米)超过万神庙是，已经过了1800余年，记录下人类为实现空间结构主题之一的“规模的扩大”而艰苦奋斗的历程。巨大的砌体结构穹顶，建造时使用砖块、石头、素混凝土等主要用来抗压、但对抗拉几乎没什么抵抗力的材料，结构构成主要是有限的二维拱的集合体。为了保证形式和力学上的稳定，拱的截面非常厚实，因此形成风格粗重的穹顶。

　　进入近代，发明了能抵抗压力和拉力的钢筋混凝土，穹顶结构推出近代混凝土薄壳而完成了革命性的变化。穹顶的结构概念，本来就是以旋转面形成的三维壳体，可以延伸为一般的薄壳概念。因此，钢筋混凝土穹顶可以超过50米的跨度，而壳的厚度不过10厘米左右，使得功能、结构、形态的协调成为可能。从此以后，人们对空间结构便追求起“形态构成的自由度”和“施工的合理性”，直至悉尼歌剧院的诞生为止，有关空间机构的这些课题综合解决是非常困难的。

　　现代将把球面适当地予以分割，利用钢材、木材等单一构件构成球面状，发展成重量轻、强度高、刚性大的所谓空间网格式的穹顶，使得更大的跨度成为可能。此外，将不同材料组合而成的杂交结构，使穹顶结构体系得以继续发展。

　　3 空间网格的发展史

　　根据J.PUXSTON对水晶宫(1851)所做的力学分析，空间网格结构有两大特色，其一是从传统的拱式结构转变为由梁式桁架和支撑的组合空间结构，另一点是有插销式锚固变为采用铸铁连接件，使得变通性很大的空间网格结构得以实现。19世纪末的大跨度建筑，虽然多数为并列的拱结构，但是开拓了钢结构三维钢架向网壳发展的道路，其代表作是Xchwedler设计的煤气罐(直径40米)、天文馆(直径16米)等。20世纪初，G.Belle提出了空间桁架后，Wachsmann、Fuller等指出了工业化发展的前景，随着多种节点方案的提出，空间网格作为现代结构得到了普及。

　　今后用于空间结构的空间网格，因为是以网格为基本构成，不仅可以作为大空间的结构体系，在其他结构形式(拱、穹顶、膜、杂交结构等)中也可以作为结构构成，成为具有开放感和力度感的建筑设计要素。

　　4 张拉结构的发展史

　　一般的张拉结构，主要是指仅抵抗拉力的材料，也就是定义为使用“张拉构件”的结构。张拉结构的类型，大致可以分为悬挂结构和膜结构。前者又具有悬吊屋盖和斜拉式、后者有张力膜和空气膜的分类。

　　巧妙地利用张力的悬挂结构，从桥梁和建筑的互相比较看，其发展有相当大的差别。例如有名的Clifton桥(1864年，跨度260米，Brunel)、Brooklin桥(1883年，跨度486米，Roebling)等悬索桥，建造后至今历经100年以上，仍然能够实际使用，非常结实，其达到的技术高度令人惊异。于此相比，建筑中的悬挂结构起步很晚，其开端是Raleigh Arena博览馆(1953年，跨度98米，Nowcki)。之前，在1896年的全俄博览会上屋盖的记录，1958年的布鲁塞尔博览会，也有多个关于悬挂结构用于建筑可能性的尝试方案，但尽管如此，此后的进步与普及，与桥梁相比相差较远。

　　在日本，代代木奥林匹克体育馆于1964年完成后，利用索网的悬挂结构实例非常少，若论理论分析和施工技术的成熟程度，仍然留有一种奇妙的感觉。其原因是建筑的多样性，设计者对索结构材料缺乏理解和经验，社会的要求，行政方面也有种种顾虑。

　　关于膜结构的近代史，可以认为从演杂技的帐篷开始的。利用近代技术建造大空间的膜结构，以第二次世界大战后Votta Byrd创造的空气膜结构为最初尝试。其后采用高强度纤维制成的织物上覆以合成树脂的膜材料，可以在永久性建筑中使用膜结构。1970年大阪世界博览会上的美国馆，D.Geiger 提出了建立低拱度空气膜结构的可行性方案，之后主结构采用索、梁结构、与膜结构组合形成新的结构体系。1990年美国Thunder穹顶就是其中一例。

　　最近张拉结构正在迅速发展的一个方向是所谓杂交结构(Hybrid Tension Structure)。定义为由柔性的索、膜和刚性的梁、拱、撑杆、钢架等的组合结构体系。杂交结构除了结构上的合理性外，还具有制作、施工、运输等现实意义上的合理性。

　　5 张拉整体结构的发展史

　　张拉整体“Tensegrity”最初是由美国建筑师富勒提出的, “Tensegrity”一词是由“Tensional”(张拉)和“Integrity”(整体)两个词缩并而成。他把张拉整体结构体系描述为“受压的孤岛位于拉力的海洋中”。张拉整体结构的专利定义应包括以下几个方面：(1)张拉整体结构是空间网格结构，也就是受拉构件在压力下没有刚度，而且也必须只能处于受拉状态;(2)结构处于自应力状态，即刚度是通过自应力作用产生的，与其他外界作用及连接作用无关，这一点同预应力是有所区别的，因为预应力产生与相关节点的约束状态;(3)所有杆件都是直杆且截面尺寸大小相同;(4)受拉杆件在压力作用下没有刚度，并形成一个连续的整体;(5)受压构件分散布置;(6)每个节点保证有一根压杆且只能和一根压杆相连。皮尤(Pugh)提出以下建议：“张拉整体结构是由多个离散的受压构件和一组连续的受拉构件相互作用形成的空间稳定的形体”，勒内.莫特罗提出“张拉整体结构是一些离散的受压构件包含于一组连续的受拉构件形成的稳定自平衡结构”

　　6 杂交结构的发展史

　　最近张拉结构正在迅速发展的一个方向是所谓杂交结构(Hybrid Tension Structure)。杂交结构是与壳体、索桁等纯粹追求力学合理性的结构，以及由同一材料形成的结构(Thorough-bred)等概念相对应的结构。

　　杂交结构大体可以分为两类，一类是将单纯结构构成材料的特性予以变更形成的结构。例如，将具有抗弯刚度的H型钢制成抗拉构件代替索形成的半刚性悬挂结构，就是其中的代表性结构。

　　另一类是将不同的承载体系组合而成的结构。其中，柔性的抗拉材料和刚性的梁、拱等组合而成的杂交张拉结构就是代表性的结构。这里就张拉构件使用索等线状材料的结构予以叙述。而索单元的材质、形状也可以任意，具有非常多的扩展可能性。

　　目前影响较大的是由日本法政大学川口卫教授提出的弦支穹顶结构。弦支穹顶结构是将索穹顶等张拉整体结构的思路应用于单层球面网壳而形成的一种新型杂交空间结构体系。弦支穹顶结构最根本的结构特点是在单层球面网壳下部设置索杆体系，一方面改变了结构体系，另一方面通过张拉拉索在结构中建立预应力以改善结构的受力性能和减小对周边构件的依赖程度，使结构体系的自平衡程度得到极大的提高。