编委特刊 | 薛素铎教授：中国空间结构的应用发展与展望

1　发展回顾

中国现代空间结构的发展起步于 20 世纪 50—60 年代,当时一些有影响的空间结构工程开始被建造。1956 年建成的天津体育馆是我国第一座有影响的大跨度空间网壳结构,采用了圆柱面网壳结构形式,平面尺寸为 52 m × 68 m, 矢高为 8.7 m。1958 年建成的北京火车站屋盖采用了双曲抛物面薄壳结构,是我国早期的薄壳结构建筑。1961 年建成的北京工人体育馆和 1969 年建成的浙江人民体育馆是我国早期悬索结构代表,北京工人体育馆采用轮辐式双层悬索体系,屋盖为圆形平面,直径为 94 m;浙江人民体育馆采用马鞍形双曲抛物面索网体系,屋盖平面为 80 m × 60 m 的椭圆形,屋面形状为马鞍形曲面(图 1)。我国第一座网架结构是 1964 年建成的上海师范学院球类房正放四角锥网架,平面尺寸为 31.5 m × 40.5 m,采用钢板节点。1966 年建成的天津科学馆屋盖网架第一次采用了焊接空心球节点。1968 年建成的首都体育馆(图 2),采用了正交斜放网架,平面尺寸为 99 m × 112 m,网架厚度为 6 m,网格尺寸为 6.6 m,划分为 15 × 17 个网格,采用了 16Mn 钢角钢杆件,板式螺栓节点。1973 年建成的上海体育馆为圆形平面三向网架,净跨为 110 m,网架厚度为 6 m,采用了圆钢管构件和焊接空心球节点。

图1　浙江人民体育馆

图2　首都体育馆

20 世纪 80 年代,网架结构在我国得到快速发展。1979 年,我国第一个生产和安装焊接球网架的山西汾阳建筑金属结构公司成立。1980 年,我国第一个生产和安装螺栓球网架的徐州飞虹网架公司成立。之后,其他专业化网架企业也相继成立。这些网架企业的成立表明网架结构在我国进入了专业化生产阶段,各类网架结构被大量建造,从体育建筑发展到工业厂房、交通枢纽、会展中心等各类建筑,当时的中国被誉为“网架王国”。

1990 年,第十一届亚运会在北京举办。为满足赛事需求,新建了 13 座体育场馆。这些场馆大部分采用了不同形式的网架结构,同时也采用了网壳结构和索结构等空间结构体系。石景山体育馆和北京体育大学体育馆均采用了网壳结构,北京石景山体育馆屋盖平面为边长 99.7 m 的正三角形,由三片四边形的双曲抛物面组合形成,屋盖结构采用了三向交叉桁架式双层网壳(图 3);北京体育大学体育馆屋盖由四片双曲扭壳组合形成,采用了正交正放桁架式双层网壳。此外,国家奥林匹克体育中心体育馆采用了斜拉人字形网壳结构。北京朝阳体育馆采用了索拱支承鞍形索网结构,平面尺寸为 69 m × 78 m,屋盖结构由中央的索拱体系和两侧的鞍形索网组成(图 4)。

图3　石景山体育馆

图4　朝阳体育馆

与国外相比, 我国膜结构的发展起步较晚。1995 年,北京顺义武警总部基地游泳馆采用了气承式膜结构,其平面尺寸为 30 m × 36 m,高 12 m,采用国产 PVC 篷盖材料。同年,还建设了北京房山游泳馆(跨度 33 m)和鞍山农业委员会游泳馆(跨度 30 m),以及北京艾尔豪斯膜式工程研究所生产车间,均采用了气承式膜结构。然而,这些小型膜结构的建设并未引起人们对膜结构的关注。1997 年,作为第八届全国运动会主会场的上海 8 万人体育场落成,成为我国将膜结构运用到大型体育场馆的首例。体育场屋盖采用了外环圆形、内环椭圆形的骨架支承式膜结构,平面尺寸为 288 m × 274 m,屋面材料为 PTFE 膜材(图 5)。其波浪式的马鞍形白色薄膜屋面,通透典雅,别具一格,引起了国内对膜结构的高度关注,极大推动了膜结构的相关研究和应用。1997—2000 年,一些中小型膜结构工程相继建成,如长沙世界之窗五洲大剧院、深圳欢乐谷中心表演场、杭州游泳馆和网球馆等。2000 年后,很多大型膜结构体育场馆相继落成,如:青岛颐中体育场(图 6)、浙江义乌体育场、芜湖体育场、威海体育场、烟台体育场、郑州航海体育场等。

图5　上海体育场

图6　青岛颐中体育场

2008 年北京奥运会为各类空间结构的应用提供了巨大舞台,不同形式的空间结构体系在场馆建设中得到应用。国家体育场“鸟巢”采用了门式钢桁架组合体系,钢结构上层钢梁区格之间采用了 ETFE 外膜,主体钢结构下层围成的体育场罩棚采用了 PTFE 膜材(图 7)。国家游泳中心“水立方”采用了多面体空间网格钢结构+ETFE 膜结构体系,屋盖和墙体的内外表面均覆以 ETFE 气枕,单层气枕覆盖面积达 10 万m² ,是目前世界上单体最大的 ETFE 膜结构建筑(图 8)。国家体育馆采用了双向张弦空间结构体系,五棵松体育馆采用了双向正交鱼腹式变高度桁架体系,老山自行车馆采用了双层网壳结构,北京大学体育馆屋盖结构由钢网架、钢管桁架和钢拉索组合构成,北京工业大学奥运会羽毛球馆采用了弦支穹顶结构体系。这些新型空间结构体系的建造,为我国空间结构发展增添了新活力,进一步推动了我国空间结构的研究、设计和施工技术的发展。

图7　国家体育场“鸟巢”

图8　国家游泳中心“水立方”

2010 年上海世博会为膜结构的应用提供了重要契机,诸多场馆均采用了膜结构。例如:世博轴为南北长 1045 m、东西宽 99.5 ~ 110.5 m 的整体张拉式膜结构(图 9),日本馆采用了含太阳能发电装置的 ETFE 气枕膜结构(图 10),德国馆采用了 PTFE 网格膜(图 11)。此外,世博园大门入口、太空馆、挪威馆、世界气象馆、世界青年之旅等均采用了不同形式的膜结构,塑造出丰富多彩的建筑形象。这充分说明,膜结构的发展已经成为一种成熟的结构体系,它把结构逻辑和技术手段作为建筑艺术表现的基础,达到了更高层次的建筑与技术的统一。

图9　上海世博会世博轴

图10　上海世博会日本馆

图11　上海世博会德国馆

2  空间网格结构的应用发展

2.1　空间网格结构在大型工程中的应用

空间网格结构主要包括网架、网壳和空间桁架体系,是应用最为广阔的空间结构体系。在过去几十年的发展中,空间网格结构已广泛应用于工业厂房、体育场馆、机场航站楼、机库、储煤棚、铁路站房、文化娱乐及会展中心等工程,并在结构体系上取得了创新发展。表 1 ~ 表 3 分别列出了 2015 年以来空间网格结构在体育场馆、文化娱乐和会展建筑、以及机场航站楼中的部分典型工程应用。

表1　2015 年以来空间网格结构在大型体育场馆中的典型工程应用

表2　2015 年以来空间网格结构在文化娱乐和会展建筑中的典型工程应用

表3　2015 年以来空间网格结构在机场航站楼中的典型工程应用

注:面积单位为万m²。

在空间网格结构的应用发展中,结构体系不断创新。例如,2010 年建成的深圳大运会体育场采用了内设张拉膜的单层折面空间网格结构;2011 年建成的深圳湾体育中心采用单层网壳+双层曲面网架结构,几何形状为自由曲面,构件采用弯扭箱型截面(图 12);2016 年建成的杭州奥体中心体育场采用空间管桁架+弦支单层网壳结构体系,呈现出莲花造型(图 13)。为实现“晴天室外、雨天室内”的需求,2014 年建成的中国轻纺城体育中心体育场(图 14)、2017 年建成的杭州奥体中心网球馆和 2021 年建成的嘉兴文化艺术中心均采用了开合屋盖形式。通过在网格结构中引入预应力拉索,可平衡抵消网格结构的一部分荷载,改善结构的受力状态,2021 年建成的国电宁夏方家庄电厂采用预应力管桁架结构,跨度达到了 229 m。为抵抗强地震作用并释放温度应力,2019 年建成的北京大兴国际机场航站楼采用了 1152 个隔震支座和 160 个阻尼器。

图12　深圳湾体育中心

图13　杭州奥体中心体育场

图14　中国轻纺城体育中心体育场

2.2　铝合金空间网格结构的应用

铝合金材料具有质量轻、强度高、耐腐蚀、可塑性好等优点,用于建筑结构时可实现大跨度、高耐久性、数字化智能制造、装配式施工、便利安装等。特别是在结构与复杂表皮系统一体化方面,通过铝合金杆件与表皮系统的连接构造一体化生产,可简化构造层次,减少施工环节,降低材料用量,提高施工速度,同时可集成防水、保温隔热、吸声降噪、内装饰等多种功能,是一种结构性能优越、建筑造型美观、绿色环保的结构类型。近年来,铝合金空间网格结构已成功应用于体育建筑、园林温室、交通建筑、文化科技建筑等各类工程,表 4 列出了 2010 年以来部分铝合金空间网格结构典型工程。

表4　2010 年以来铝合金空间网格结构典型工程

从应用情况看,铝合金空间网格结构大部分采用单层空间网壳形式,构件之间的连接方式以板式节点的应用最为普遍,屋面除采用球面、柱面、双曲面等传统曲面外,大部分则采用了造型优美的自由曲面。例如,南京牛首山佛顶宫铝合金结构,小穹顶采用单层三向网格椭球面网壳,大穹顶采用单层三向网格自由曲面网壳(图 15)。新建的上海世博文化公园温室多肉世界馆和热带雨林馆结构体系采用了新型张弦铝合金网格组合结构(图 16),上弦多边形网格构件采用铝合金型材, 首次在建筑中采用大型 450 mm × 380 mm “日”字形铝合金截面,在铝合金三杆交汇节点设计、结构与幕墙一体化设计技术等方面进行了多项技术创新。北京科兴天富景观廊壳为铝合金和不锈钢组合网壳,创新实现了组合网壳结构与单层 ETFE 膜和索的一体化设计和建造(图 17)。

图15　南京牛首山佛顶宫

图16　上海世博文化公园温室

图17　北京科兴天富景观廊壳

3　索结构的应用发展

索结构是空间结构的一种重要类型,按照结构构成可分为单层悬索体系、预应力双层索体系、索网体系、索穹顶体系、张弦体系、弦支穹顶和轮辐式索结构等多种类型。近年来,我国各种大型体育赛事活动的举办极大地推动了索结构在体育场馆中的建造应用。本文主要介绍近年来索网体系、索穹顶体系、弦支穹顶体系和轮辐式索结构体系在大型体育场馆中的工程实践与创新应用。

3.1　索网体系的应用

我国最早建造的索网结构是 1969 年建成的浙江人民体育馆(图 1),为双曲抛物面鞍形索网结构。1988 年建造的四川省体育馆、1989 年建造的北京朝阳体育馆和 1990 年建造的青岛体育馆,也都采用了鞍形索网形式。索网体系的最新工程应用是 2021 年建成的国家速滑馆“冰丝带”和 2023 年建成的西安国际足球中心。国家速滑馆“冰丝带”是 2022 年北京冬奥会主场馆,采用马鞍形双曲抛物面索网,索网平面为 198 m × 124 m 的椭圆,是目前世界上最大的单层索网屋盖(图 18)。西安国际足球中心是为拟承办的 2023 年亚洲杯而建,屋盖主体结构采用周边刚性网壳承托中部的大开口双层正交索网。借鉴轮辐式索结构和正交索网结构的体系特点,形成了“外压环+正交索网+内拉环”的开口屋面结构体系(图 19)。

图18　国家速滑馆“冰丝带”　m

图19　西安国际足球中心

3.2　索穹顶体系的应用

索穹顶自 20 世纪 80 年代开始在国外得到应用,如 1988 年的韩国汉城奥运会体操馆、1996 年的亚特兰大奥运会佐治亚穹顶等。我国虽然很早就关注报道索穹顶结构,并开展了相关的研究,但工程实践起步较晚。我国第一个大型索穹顶结构是 2011 年建成的内蒙古伊金霍洛旗全民健身中心,圆形平面,直径 71 m,采用 Geiger 型索穹顶。2017 年建成的天津理工大学体育馆是我国第一个跨度超过 100 m 的索穹顶结构(图 20),屋盖平面为 102 m × 82 m 的椭圆,索结构体系采用了 Geiger 型和 Levy 型组合的索穹顶结构形式。与采用膜屋面索穹顶体系不同,2017 年建成的四川雅安天全体育馆尝试采用了金属屋面索穹顶体系。通常,索穹顶结构用于封闭屋面的体育馆,2020 年建成的成都凤凰山体育场,首次尝试了将索穹顶用于体育场工程,创造了大开口索穹顶结构(图 21)。

图20　天津理工大学体育馆

图21　凤凰山体育场

3.3　弦支穹顶体系的应用

1993 年,弦支穹顶结构由日本川口卫教授(M.Kawaguchi)提出,它由上部单层网壳和下部索支体系组合形成,具有良好的承载能力和稳定性能。我国学者针对弦支穹顶体系开展了大量理论与试验研究,并成功应用于工程实践,如 2007 年建成的北京工业大学体育馆(直径 93 m 圆形平面),2008 年建成的常州奥体中心体育馆(120 m × 80 m 椭圆平面),2009 年建成的济南奥体中心体育馆(直径 122 m 圆形平面)和 2013 年建成的大连体育中心体育馆(145 m × 116 m 椭圆平面)等。

2022 年建成的兰州奥体中心综合馆(图 22),屋面采用弦支穹顶结构形式,屋面跨度 94 m,矢跨比偏小,约为 1/12,穹顶中心下挂重 20 t、运行质量 30 t 的中央斗屏。在跨度大于 90 m、且矢跨比小的弦支穹顶体育馆中,下挂重吨位的中央斗屏尚属于首次。为满足结构承载和稳定性要求,上弦网壳采用了肋环形+局部斜杆的布置形式,下弦索支体系采用了近似葵花型索网。为有效传递中央斗屏荷载,中央斗屏吊挂处设置卷扬机放置及平台,与单层网壳形成整体,作为结构的一部分,达到了很好的效果。

图22　兰州奥体中心综合馆

为了改善结构的抗连续倒塌性能,薛素铎等创新提出了无环索预应力索支结构体系。理论与试验研究表面,无环索预应力索支结构具有很好的抗连续倒塌性能,索力分布均匀、拉力显著降低,而且易于制作和施工,具有很强的工程实践可行性。2022 年建成的瓯海奥体中心体育馆,首次采用了无环索预应力索支体系。屋盖沿主轴方向最大尺寸 109 m × 116 m,屋盖跨度 100.6 m,屋盖形状为圆柱面,平面投影为圆形。通过方案比选和结构分析可知,无环索体系具有良好的结构刚度和经济性,索力分布均匀,用钢量少,需要的铸钢节点数仅为有环索体系的一半,大大降低了工程造价,而且施工更便利。特别是,无环索体系具有优秀的抗连续倒塌能力。建成后的瓯海奥体中心体育馆如图 23 所示,这是全球首例无环索弦支网壳结构。

图23　瓯海奥体中心体育馆

3.4　轮辐式索结构体系的应用

轮辐式索结构是近年来各类索结构中应用最为广泛的一种体系,特别是在大型体育场建设中,为满足体育场大开口的需要,同时作为观众席体育场看台的罩棚屋面,大开口的轮辐式索结构是一种常用形式。我国最早的轮辐式索结构是 1961 年建造的北京工人体育馆,采用轮辐式预应力双层索系。我国第一个轮辐式索结构体育场是 2006 年建成的佛山世纪莲体育场,屋盖平面呈圆形,屋盖体系由外压环、内拉环和径向辐射式拉索组成,外压环外径 310 m,内环索外径 125 m,形成大开口体育场罩棚。

用于体育场的轮辐式索结构可采用多种形式,其中轮辐式索桁架体系是最为常用的一种形式。2011 年为举办第 26 届世界大学生运动会建设的深圳宝安体育场是轮辐式索桁架体系的经典工程,屋盖外环平面呈 237 m × 230 m 的椭圆,内拉环尺寸为 129 m × 122 m,屋盖索结构体系为径向布置的双层索桁架(图 24)。与深圳宝安体育场类似的轮辐式索桁架体系工程还有 2021 年建成的三亚体育中心体育场(图 25(a))和 2021 年建成的铜仁奥体中心体育场(图 25(b))。此外,2018 年建成的枣庄体育中心(图 25(c))和 2023 年建成的大连梭鱼湾足球场(图 25(d)),采用了交叉布置的轮辐式索桁架形式。不同于常规的双层索桁架体系,2018 年建成的苏州奥体中心体育场(图 26(a)和 2023 年建成的临沂奥体中心体育场(图 26(b))则采用了轮辐式的马鞍形单层索网结构形式。在轮辐式索结构体系应用中,我国学者冯远等对上部采用刚性空间网格、下部采用柔性索支体系的大开口轮辐式索承网格结构开展了相关研究和工程实践,成功应用于徐州奥体中心体育场(图 27(a))、郑州奥体中心体育场(图 27(b))、武汉五环体育场(图 27(c))、上海浦东足球场(图 27(d)) 等工程。2021 年建成的乐山奥体中心体育场,尝试采用了单层索网和双层索网混合的轮辐式索结构体系(图 28)。体育场屋盖平面近似为椭圆形,南北向约为 244 m, 东西向约为 235 m, 东西向结构跨度为 205 m。西侧看台上方屋面较高,采用 16 榀单层索网,逐渐沿环向过渡到东侧双层索网。屋盖结构由轮辐式单双层混合索网、外环受压桁架、内拉环和外围钢结构形成有机整体,协同受力。

图24　深圳宝安体育场

图25　轮辐式索桁架

图26　轮辐式单层索网

图27　轮辐式索承网格

图28　乐山奥体中心体育场轮辐式单、双层混合索网　m

4　膜结构的应用发展

4.1　膜结构在大型体育场馆中的应用

膜结构以其轻质、透光等独有特性,在过去 20 年间受到越来越多的关注。按照 CECS 158∶2015《膜结构技术规程》,膜结构可划分为整体张拉式、骨架支承式、索系支承式和空气支承式四种类型。目前,各类膜结构已广泛应用于体育场馆、会展中心、交通枢纽、文化娱乐场所、工业与环境保护等各个领域。其中,膜结构在体育场馆工程中近年来取得了很好的应用效果。表 5 总结了近 10 年部分大型膜结构体育场工程案例,表 6 列出了近 10 年部分膜结构体育馆工程。从这些工程案例可以看到,膜结构可很好地应用于体育场罩棚和体育馆屋面。

表5　近 10 年大型膜结构体育场工程

表6　近 10 年膜结构体育馆工程

根据屋盖结构体系,膜结构可采用索系支承式、骨架支承式、整体张拉式、空气支承式等不同形式,或采用上述类型的组合。

4.2　ETFE 膜结构的应用

膜结构材料主要分为 PVC 膜材、PTFE 膜材和 ETFE 膜材。其中,ETFE 膜材具有质量轻、透明度高、柔韧性好、自洁性能好、耐候性和耐腐蚀性能强等独特特点。借助 ETFE 材料特有的物理性能,建筑设计上结合光、声、电的巧妙运用,通常可使建筑达到光彩夺目的效果。因此,近年来 ETFE 膜结构特别受到建筑师的钟爱, 并被应用于各类建筑中。

ETFE 气枕式膜结构是膜结构的一种重要类型,结构体系一般由多个充气的气枕单元集合而成,每个气枕单元的膜面形成封闭曲面及密闭空间,其周边固定于刚性骨架上。自 2008 年在国家游泳中心“水立方”成功应用以来,一些地标性的 ETFE 气枕式膜结构建筑相继落成。例如,2013 年建成的大连市体育中心体育场(图 29(a))、2015 年建成的天津于家堡高铁站(图 29(b))、2016 年建筑的上海迪士尼乐园 TRON(创极速光轮)馆(图 29(c))和 2019 年建成的昆明富康城购物中心(图 29(d))等。迄今我国已建成的大型 ETFE 气枕式膜结构数量已超过 100 座。

图29　气枕式 ETFE 膜结构

除 ETFE 气枕外,单层 ETFE 膜结构也在各类工程中得到应用。如成都凤凰山体育场(图 21)、青岛青春足球场(图 30(a))、湘潭步步高广场(图 30(b))、随州南高铁站(图 30(c))、天府农博园主展馆(图 30(d))。

图30　单层 ETFE 膜结构

4.3　气承式膜结构的应用

气承式膜结构是空气支承膜结构的一种主要形式,它通过建筑内部气压支撑膜面,形成建筑物主体。我国气承式膜结构虽然起步于 1995 年,但其真正的发展是从 2006 年开始。当时,国内相继成立了几个专门从事充气膜结构制作与施工的公司,把国外比较成熟的充气膜建造技术引进到中国,成功建造了一些中小型的气膜场馆,大大推动了中国气承式膜结构的发展。2006 年建成的北京朝阳公园网球馆是我国第一座真正意义的气承膜结构体育馆(图 31),其平面尺寸为 107 m × 37 m,高 12.5 m,采用双层膜材,外膜为 PVF 材料,至今该场馆仍在正常使用。目前,气承式膜结构已广泛应用在体育运动馆、仓储库房、料场封闭、环保覆盖、应急救灾、文化娱乐等各个场所。

图31　北京朝阳公园网球馆

2014 年以后,国家对全民健身运动的普及需求和国家对环保要求的提高极大地推动了气承式膜结构的发展。气承式膜结构在中小型体育运动场馆、储煤棚、料场封闭等项目中获得了很好应用,使该类结构进入了快速发展阶段。据统计,我国目前每年建造的气承式膜结构数量不少于 150 座。图 32 所示的郑州龙湖全民健身中心是目前全国最大的气膜体育场馆群落,包括球类综合馆、游泳馆和儿童乐园三个馆。图 33 所示为目前跨度最大的岱海电厂气承式膜结构煤棚,单体最大跨度超过 200 m。图 34 为京唐港区 36 ~ 40 号煤炭泊位条形仓煤棚,是目前长度最大的气承式膜结构,其长度达到 1130 m。

图32　郑州龙湖全民健身中心

图33　岱海电厂气承式膜结构煤棚

图34　京唐港煤炭泊位条形仓煤棚

结  论

  Conclusions