中国空间结构的近期发展与工程实践

1 空间网格结构在机场航站楼的应用

近年来，我国建造了若干座机场，空间网格结构是机场航站楼的主要结构形式。表1总结了近十年来我国建设的典型机场航站楼项目。为了满足其功能要求，机场航站楼通常共享较大的屋盖面积，其中一些面积超过10万平方米或更大。

于2019年竣工的北京大兴国际机场，是一个有着5个指廊的巨型结构，就像一个巨大的“海星”（图1）。航站楼下部结构为钢筋混凝土框架，上部屋盖为空间桁架和空间网架。

图1 北京大兴国际机场平面

北京处于地震高风险地区。为了保证抗震安全，北京大兴国际机场航站楼建设中采用了1152个隔震支座和112个阻尼器。由于使用了隔震支座，结构上部可以自由变形，从而使结构中的温度应力得以释放。

由于机场航站楼屋面覆盖面积大，其温度效应和地震响应是结构设计中需要考虑的重要因素。以深圳宝安国际机场3号航站楼为例，如图2所示。D1走廊的屋盖为网壳结构，最大宽度为61. 1 m，长度为291 m。在该项目中，采用固定铰支座和弹簧支座处理温度影响以及结构不同部位的不协调变形。该项目中使用的弹簧支座在降低结构的支撑刚度、减弱温度影响以及隔离地震能量输入中起着重要作用。然而，在实际结构设计中，强烈地震下的弹簧支座的水平位移相对较大，超过了其变形限值。因此，为了减少弹簧支座的变形，在实际应用中联合使用了黏滞阻尼器和摩擦阻尼器。图3为深圳宝安国际机场3号航站楼的弹簧支座和黏滞阻尼器的布置图。

a—3号航站楼照片；b—3号航站楼平面

图2 深圳宝安国际机场3号航站楼

图3  深圳宝安国际机场弹簧支座和黏滞阻尼器的布置

2  铝合金空间结构的发展

近年来，铝合金空间结构已成功应用于我国大跨网壳结构中。表2汇总了近年来国内建造的铝合金空间结构。

表2 近年来建造的铝合金空间结构

2.1辰山植物园温室

上海辰山植物园温室包含三个独立展厅，即A展厅，B展厅和C展厅，如图4所示。三个独立温室结构均为自由曲面单层铝合金网壳。

3 索结构体系创新

3.1 索穹顶

索穹顶由David Geiger等于20世纪80年代提出，是一种高效的空间结构体系。过去数十年间，在全球范围内有许多成功的索穹顶应用。然而，我国关于索穹顶的首次工程探索在2009年才开始，伊金霍洛旗体育中心的索穹顶结构（图6）建造完成于2011年，是大跨度索穹顶在国内的一次成功应用。该项目的屋盖结构为Geiger型索穹顶，直径为71. 2 m，屋面由膜材覆盖。

a—内景；b—结构布置。

图6 伊金霍洛旗体育中心的索穹顶结构

天津理工大学体育馆（图7）是国内首个跨度超过100 m索穹顶结构，其椭圆形平面尺寸为102 m×82 m。不同于采用膜材料覆盖的轻型屋面体系，四川雅安天全体育馆采用了金属屋面的做法（图8）。

图7 天津理工大学体育馆

图8 天全体育馆

3.2 弦支穹顶结构

川口卫教授在20世纪90年代提出的弦支穹顶结构引起了我国研究人员和工程师的极大关注，并对其进行理论和试验研究。近几年，国内建造完成了几个大跨度弦支穹顶项目，如济南奥体中心体育馆（直径122 m），常州奥体中心体育馆（120 m×80 m），北京工业大学体育馆（直径93 m）和大连体育中心体育馆（145. 4 m×116 m），如图9所示。

a—济南奥体中心体育馆；b—常州奥体中心体育馆；

c—北京工业大学体育馆；d—大连体育中心体育馆。

图9 国内弦支穹顶结构案例

3.3 轮辐式索结构

轮辐式索结构常用于体育场馆，因为它们能够跨越大空间、覆盖整个看台并留出内部区域来使草坪获得阳光和雨水。这种结构具有许多优点，如重量轻、跨度大、建筑风格美观、施工方便、安装周期短和易于维护。 图10为我国部分轮辐式索结构项目。

a—佛山世纪莲体育中心；b—枣庄体育馆；c—武汉体育中心体育场。

图10 　国内轮辐式索结构案例

轮辐式索结构具有不同的结构形式。深圳宝安体育场为双层索桁架体系（图11），苏州奥体中心体育场采用了单层索网体系（图12），徐州奥体中心体育场和郑州奥体中心体育场则采用了大开口索承网格结构（图13）。

a—外景；b—内景。

图11 深圳宝安体育场

a—体育场外景；b—屋盖主要尺寸。

图12 苏州奥体中心体育场   m

a—徐州奥体中心体育场；b—郑州奥体中心体育场。

图13 大开口索承网格结构

3.4 索网结构

预应力索网被认为是张拉结构最重要的类别之一。索网结构通常采用双曲鞍形屋盖。

2022年北京冬季奥运会而建造的国家速滑馆（图14）将是我国有史以来最大的索网屋盖结构。

a—外景；b—索网尺寸。

图14 国家速滑馆

建于我国贵州的FAST作为一种大科学装置，其反射面由测地线索网结构与铝合金结构共同支撑组成, 如图15所示. 该大型工程项目在建造过程中必须解决许多技术难题，以确保超大跨反射面的准确性和适应性。

a—FAST；b—索网结构。

图15  FAST示意及其自适应索网结构布置

4  膜结构工程实践

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。2008年北京奥运会和2010年上海世博会为膜结构在我国的应用提供了重要契机。国家游泳中心“水立方”（图16）是ETFE膜结构在中国的首次成功应用。图17所示的世博会世博轴为张拉式膜结构体系，全长1045 m。

a—全景；b—局部。

图16 国家游泳中心——“水立方”

图18为2005—2019年我国气承膜结构的年建设数量统计数据。结果表明，近年来气承膜结构的应用增长迅速。

图18 我国气承膜结构的年建设数量

5  结束语

1) 空间网格结构是机场航站楼的主要结构形式。由于机场航站楼屋面覆盖面 积大,其温度效应和地震响应是结构设计中需要考虑的重要因素。

2) 与空间钢结构相比,铝合金空间结构具有很多独特的优势。采用板式铆接节点的铝合金单层空间网格结构是一种性能优良的体系,具有空间跨越能力强、自由曲面建筑造型美等特点。

3) 索结构是空间结构的一种重要形式。近年来,随着各种大型体育赛事的承办,索结构体系主要应用于各类体 育场馆中。索结构主要分为四种，即索穹顶结构、弦支穹顶结构、轮辐式索结构和索网结构。一些索结构的重大创新和应用已经在工程实践中实现。但与国外相比，我们在索穹顶结构的应用方面仍存在差距。

4) 膜结构具有轻质、透光等独有特性,近年来广泛应用于各类建筑结构中。随着中国城镇化建设发展和国家全民建设运动以及环境保护政策的需求,为充气膜结构应用提供了发展空间,并在近年得到了快速发展。

中英文全文下载链接

1. http://gjg.ic-mag.com/cn/article/doi/10.13206/j.gjgSE20041904 （注册登录免费获取）    

2. https://navi.cnki.net/knavi/JournalDetail?pcode=CJFD&pykm=GJIG 

3. http://cstm.cnki.net/stmt/TitleBrowse/KnowledgeNet/GJIG202007001?db=STMJTEMP     

作者简介

薛素铎

北京工业大学  教授

《钢结构（中英文）》编委

北京工业大学空间结构研究中心主任，教授，博士生导师。享受国务院政府特殊津贴专家，北京高校拔尖创新人才，北京市教学名师，北京市高层次创新创业人才支持计划领军人才，国家级精品课程和国家级精品资源共享课主持人。兼任国际壳体与空间结构学会（IASS）执委，中国钢结构协会空间结构分会理事长，膜结构专业委员会主任委员，中国土木工程学会空间结构委员会副主任委员，《空间结构》杂志副主编，中国钢结构协会常务理事、专家委员会专家等。

多年从事大跨度空间结构、结构抗震与减振控制研究，主持完成40余项国家级和省部级科研项目，多项研究成果达到国际先进或领先水平。已出版著作、教材8部，获国家专利50余项，发表学术论文300余篇。主持和参与了多项国家标准、规程的编制工作，参与数十项大型空间结构工程的咨询、研究、设计与评审。先后获国家科技进步三等奖1项、北京市科技进步二等奖2项和北京市科学技术奖二等奖2项，获国家级教学成果奖二等奖2项、北京市教育教学成果奖一等奖5项。培养博、硕士研究生100余名。

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融媒体编辑：张白雪

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中冶建筑研究总院有限公司和中国钢结构协会联合主办、《工业建筑》杂志社有限公司编辑出版的中文科技期刊《钢结构》Steel Construction，于1986年创刊，2019年为促进国际学术交流，并兼顾对内传播，满足国内外读者需要，经国家新闻出版署批准，期刊文种变更为中英文双语出版，同时更名为《钢结构（中英文）》Steel Construction（Chinese & English）/ISSN 2096-6865/CN 10-1609/TF，自2020年1月全面改版发行。

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