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大跨度空间结构
课程论文
题 目 浅谈我国空间结构的发展前景
姓名与学号 XXX **********
授课教师 XXX
年级与专业 建筑工程学院 土木工程
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浅谈我国空间结构的发展前景
一、空间结构概述
空间结构是一种具有三维空间形体，且在荷载作用下具有三维受力特性的结构，其受力合理、自重轻、造价低而且形式丰富多样集艺术观赏性和工程实用性于一体，故被全世界广泛接受和应用。空间结构大体可以分为五大类，即网架结构、网壳结构、薄壳结构、悬索结构和膜结构。空间结构能够利用不同的构型和材料达到功能性与美观性的要求，近年来随着社会元素的日益丰富，各种大型公共文体、娱乐建筑更是向大跨度方向发展。
早期的空间结构可以追溯到拜占庭时期的古罗马建筑所采用的穹顶结构，最具代表性的就是君士坦丁堡的圣索菲亚大教堂，跨度为32米。由于早期穹顶结构都是由砖石砌成的，没有其他的支撑结构，其墙体厚度与跨度之比大约为1/10，自重非常大，因而限制了它的跨度发展，跨度一般在34-40m范围。
图1 现代大跨度空间结构 图2 圣索菲亚大教堂
二、空间结构的发展现状
而在现当代，三四十米跨度的建筑显然已经完全不能满足人们的生活生产需要，而且随着钢筋混凝土以及其他更先进的建筑材料的出现，空间结构在高度、跨度、强度方面都在飞速的日益提升，大跨度空间结构更是近年来世界上发展最快的一种结构形式。如1975年建成的新奥尔良“超级穹顶”，直径207米，曾在很长一段时间里被认为是世界上最大的球面网架结构；1993年年底建成的美国科罗拉多州丹佛国际机场在候机大厅的设计上采用膜结构，整个大厅长274m，宽67m,由17个帐篷型单元组成，两排相距45.7m的桅杆式立柱支撑膜材屋顶；建成于1999年的伦敦“千年穹顶”作为最著名的千禧建筑，采用的是索膜结构，弯顶直径达到320m，屋面有12根高达100m的桅杆。由此可见，空间结构在世界建筑领域已经占据了至关重要的地位，同时也是为我国的空间结构发展提供了宝贵的经验。 我国大跨度空间结构的发展时间相对较短，上海师范学院球类房是我国第一个平板网架结构，跨度31.5 x 40.5m，建成于1964年。自此以后，空间结构在几十年内得到长足发展已达到较高的水平，尤其是网架结构，网架行业已经在我国建筑行业中占据重要地位。计算机技术的高度发展简化了原本复杂的网架计算，同时也为更复杂的网架结构设计奠定了技术基础。生产技术的革新同样对网架结构的发展起到推动作用，如装配式螺栓球节点的使用和推广大大提高了生产效率降低了施工难度，如今网架结构已经应用到各个领域的建筑中，体育建筑、文化娱乐建筑、工业建筑、公共服务建筑以及许多特种建筑中都广泛应用到大跨度网架网壳结构。
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1、 体育建筑
大型体育场馆需要有较为宽阔的内部空间，这就要求其跨度要足够大而且中间不能有多余的支撑结构，空间结构尤其是网架网壳和索膜结构能够很好地满足体育场馆对空间的需求，同时还能兼顾良好的通风和采光。1975年建成的上海万人体育馆是国内较早的一批采用大跨度网架结构的体育场馆，采用圆形平面的三向网架结构，直径114m，由9000多根无缝钢管构件和938只焊接球拼焊而成，重达660吨；黑龙江速滑馆的主体结构采用由中央圆柱面与两段半圆球面组成的双层网壳，直径135m；北京奥运会的主场馆“鸟巢”更是大跨度体育场馆中的翘楚，“鸟巢”是一个大跨度的曲线箱形结构，该工程攻克了三十余项技术难题，最大跨度343m，用钢量4.2万吨。
图3 黑龙江速滑馆 图4 “鸟巢”
2、 文化娱乐建筑
在空间结构被广泛应用之前，建筑物的形式大多为比较规则的外形，因为多数材料并不适合做成曲面，而网架网壳结构可以利用直的杆件来构成不规则的弯曲的平面，减小了加工和施工难度，悬索结构和膜结构更是充分利用了材料本身的自然曲线，因此空间结构形式丰富、造型美观极具特色，在满足功能方面的需求之外还具有美观性，所以成了文化娱乐性建筑的首选。被誉为“城市中的剧院、剧院中的城市”的国家大剧院是建于湖心的一座半椭球形壳体结构，椭圆形平面尺寸142m x 212m，是我国目前唯一的也是跨度最大的空腹网架结构。
图5 国家大剧院
3、 工业建筑
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工业厂房属于一类比较特殊的建筑，它要求建造周期短、具有大空间和良好的采光通风条件，工业厂房承受荷载较大而且较为复杂尤其机械荷载比如吊车、机械的震动甚至撞击等，同时工业厂房属于人群相对密集的地方，对于一些特殊的加工车间，其防火要求也会比较高。空间网架结构能够很好地满足这些要求，而且屋面轻、厂房废弃后钢材可回收再利用。 4、 公共服务建筑
公共服务建筑主要体现在火车站、航站楼、购物中心等人流量非常大的建筑，要求有大空间、室内外交通便利、通风条件好。同时网架结构本身规则的杆件排列就极具美观性和视觉冲击感，现在国内几乎所有的火车站站台以及候车室都采用空间网架结构。1993年建成的上海国际购物中心七、八层楼,，采用在下弦平面下20cm 处增设四束高强钢丝铸锚束的预应力正放四角锥组合网架；杭州东站站房屋盖采用斜倒锥形椭圆钢管柱和斜钢管格构柱外加大跨度变截面钢管空间桁架的钢框架结构；深圳宝安国际机场T3航站楼主楼屋顶为倒锥形钢框架柱、钢筒体、以及摇摆柱支承的斜交斜放空间网架结构，指廊采用带加强桁架的斜交斜放的双层网壳结构，整体外形好像是荡漾的水波。
图6 杭州东站站房
图7 深圳宝安国际机场
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