空间网架结构概论

高洁

【摘 要】文主要介绍了空间结构的形式各个形式结构的特点，包括刚性结构体系、柔性结构体系、杂交结构体系、折叠结构、开合结构、玻璃结构。简单分析了空间网架结构的优缺点。

【关键词】钢结构；空间网架结构

文章编号:ISSN1006—656X(2013)06 -000104-01

一、钢结构中空间网架结构的应用现状

近年来，国内大型钢结构工程建设项目越来越多，各种形式的空间结构已向超大跨度结构发展，其中空间网架结构应用的非常广泛。例如天津体育中心，双层球面网壳，焊接球节点；国家大剧院外部围护结构为钢结构网壳，深圳机场候机大厅，济南长途汽车总站客运楼，天津自然博物馆……一些已建或正在建的钢结构工程，以其创新的理念、新颖的造型和独特的结构形式成为了标志性建筑。

二、空间网架结构的结构形式

（一）刚性结构体系

1.网架

网架结构是目前空间结构中发展最快，应用最为广泛的结构形式，按其结构组成划分为交叉桁架系、四角锥体系和三角锥体系三大类。特点是空间刚度大，整体性好，有良好的抗震性能，而且构造简单、施工方便，杆件规格统一（上、下弦杆等长，腹杆等长）。

2.网壳

网壳结构的应用比较广泛，曲面形状多样，有柱面网壳、球面网壳以及其他各类复杂曲面及其组合。网壳结构是主要优点是它的灵活性能够适应建筑设计的创造性，但由于网壳结构主要承受的是压力，那么它就存在稳定问题。当跨度超过一定值后，材料的强度不能充分利用，不经济。

（二）柔性结构体系

1.悬索结构

悬索结构是由高强拉索组成的张力结构，国内较早建成的是天津大学体育馆。按其组成方法和受力特点可分为单层悬索结构，双层悬索结构和索网结构。讨论悬索结构关键问题是结构在风与地震作用下的动力反应。

2.膜结构

膜结构可分为充气式膜结构和张力式膜结构两种。膜结构具有自重轻、造型美观、富有时代气息、能源消耗少、施工速度快、经济效益明显、使用安全可靠、以及使用范围广等优点，主要应用于大型体育设施，娱乐中心，超级商场等。但是，我国目前膜结构还没有广泛使用，主要原因是：国产膜材性能差，进口膜材价格高；膜结构的计算机辅助设计系统的开发滞后；缺乏相应的设计施工规程。

3.张拉整体结构

张拉结构是由一组不连续的受压构件与一套连续的受拉单元组成的自支承、自平衡的空间网格结构。这种结构体系的刚度由受拉索和受压单元之间的平衡预应力提供，在施加预应力之前，结构几乎没有刚度，并且初预应力的值对结构的外形和结构刚度的大小起着决定性作用。

（三）杂交结构体系

杂交结构既可以是刚性结构体系间的组合，也可以是柔性结构体系与刚性结构体系的组合。如斜拉网架，悬挂网架，拱支网架，弦支结构等。杂交结构可以发挥不同类型结构的优点，如：由于拱的作用，整体网壳被划分成若干小的区段，使得网壳的整体稳定性转化为局部区段的稳定性问题，部分杆件或区段的局部失稳不会波及整个结构。所以，杂交结构可以更经济，更合理地跨越大空间。

（四）折叠结构

折叠结构是一种用时展开，不用时收起的结构，类似于雨伞、遮阳伞。可分为附加支撑折叠结构和自稳定折叠结构。这种结构在各个领域都有应用，如：生活中中施工棚、集市大棚、临时住宅等；军事上的战地指挥、战地救护等；航空上：太阳帆、可展式天线等。它的主要特点是造型新颖、质量轻、携带方便、便于保管和运输且可重复使用，在各个领域有广泛的应用前景。

（五）开合结构

在很短时间内移动开合部分或全部屋盖，是的建筑物在屋顶开启和关闭的两种状态下都可以使用。开合时间大概是20~25min，开合方式有水平移动、水平旋转、空间移动及其组合。开合结构与体育事业的发展密切相关：在比较恶劣的环境条件下保护观众和运动员，实现了能在预定时间内进行预定比赛的目的，例如为2008年北京奥运会兴建的国家体育场“鸟巢”， 平面形式为椭圆形,长轴340m短轴292m。屋盖中间有一个146m×76m的开口，这部分将设计成开合屋盖。结构形式为空间刚架绕着内环旋转而成。

（六）玻璃结构

玻璃结构的材料：浮法玻璃、钢化玻璃及淬火玻璃。点式玻璃幕墙是一种新型的玻璃结构，省去了支撑框架，代以拉索、桁架及钢爪，玻璃的通透性大大增强，结构的抗风和抗震性能也好于普通的玻璃幕墙。

三、空间网架结构的优缺点

空间网架结构在体育建筑，机场建筑，车站建筑，宾馆、会堂及展览馆，工业厂房及小品建筑上都有广泛的应用。各类结构形式有其各自的优缺点，它们共同的主要优点是受力合理，可以跨越较大的跨度，结构组成灵活，有规律，计算机辅助设计比较成熟，加工制作机械化程度高。缺点是节点用钢量较大，加工费较高，单层网壳属缺陷敏感性结构，计算分析较为复杂。

四、总结

空间网架结构以其明显的优势，在我国各个领域快速发展起来。这就要求我们要熟练掌握这些结构的设计与应用。在结构设计当中，结构选型是概念设计当中至关重要的一步，选择正确的结构形式可以有效地降低建筑的造价、提升结构的可靠性，改善建筑的使用体验。文中所提到的基本包含目前钢结构中一般空间网架结构的结构形式，对于较为复杂的大跨度建筑以及地质条件极端恶劣的施工地区，还需单独针对现实情况进行讨论，选择非常规的结构形式来满足建筑的功能需求和安全性要求。

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