我国空间网格结构三十年发展概述
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发稿时间：2013-09-18
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编者按：天津大学建工学院刘锡良教授撰写的该文，回顾了我国空间结构三十年来的发展历程，侧重对近十年来我国空间结构特别是网格结构(网架及网壳并包括了一些新型网格结构如张弦梁单向、双向)弦支穹顶及索穹顶等结构的发展及应用给予总结，并对空间网格今后的发展方向进行了展望。
三十年来，中国土木工程学会桥梁及结构分会空间结构委员会在三任主任委员——何广乾、蓝天、赵基达的领导下，对中国空间结构的发展，特别是中国空间结构大国(网架、网壳)迈向空间结构强国(增加了索穹顶、膜结构)作出了重大贡献。另外有蓝天、张毅刚领导的中国钢结构协会空间结构分会和董石麟院士任主编的《空间结构》杂志等也都起到了巨大的作用。
空间结构早期包括薄壳、折板、网架、网壳及悬索等。后来薄壳及折板(混凝土)应用很少，应用较多的是网格结构(网架及网壳)，索结构及膜结构。我将近些年来空间网结构及部分索结构(新型网结构如弦之穹顶等)的发展做一些总结。上世纪七十年代初，天津市土木工程协会成立了以我为组长的天津市网架推广小组，并到全国各地宣讲网架结构。1978年，天津市以东道主的身份承办一次全国性的空间结构学术交流会，主办单位是中国科学技术情报研究所和国家建委建筑科学研究院(中国建筑科学研究院的前身)。1982年中国土木工程学会桥梁及结构分会空间结构委员会正式成立，至今已走过了三十年的光辉历程。
网架及网壳
三十年来虽然不断出现新的结构体系，但作为最早采用的网架及网壳，仍然是应用范围最广(工业厂房、航站楼、体育场馆、干煤棚等)、面积最大的空间结构。其中，网格结构采用的节点形式的发展，也有类似的情况，虽然这些年来不断有新型网格节点的出现(国内及国外甚至多达几十种)，但经得住时间考验的、最为广泛应用的，依然是焊接球节点和螺栓球节点，必要时铸钢节点及相贯节点也有应用。以下是我国近年来一些典型网架及网壳工程：
平板网架工程——乌鲁木齐国际机场航站楼，结构形式和特点是斜交斜放波形网架和相贯节点，平面尺寸及高度是75.6米×204.6米；西飞工业有限公司369号总装车间结构形式和特点是焊接球斜交斜放四角锥，平面尺寸及高度是75.8米×(66+118+76)米；大同市黄河给水净水车间，结构形式和特点是螺栓球正放四角锥，平面尺寸及高度是4块96米×71.17米；常州豪爵铃木摩托车公司发动机厂房，结构形式和特点是螺栓球网架，平面尺寸及高度是40913平方米(柱网36米)；北京首都国际机场1号A380机库，结构形式和特点是三层斜放四角锥焊接球网架，平面尺寸及高度是114.5米×(176.3+176.5)米；北京首都国际机场3号航站楼T3A主楼，结构形式和特点是曲面三角锥网格网架(焊接球及螺栓球)，南北向955米东西向773米。中油吉化特种钎维工业线生产工程，结构形式和特点是正放四角锥螺栓球网架，平面尺寸及高度是322.5米×33米(1)149.7米×19.4米(2)；北京首都国际机场3号航站楼T3B主楼，结构形式和特点是曲面抽空焊接球、螺栓球等两种节点网架，南北958米，东西775米。
网壳结构工程——海澜集团练马馆1号馆(江苏江阳)，结构形式和特点是三心圆拱形正放四角锥螺栓球网壳，平面尺寸及高度是85米×151.87×3米；中科院北京新技术基地光电研究所，结构形式和特点是四角锥抛物柱面网壳，平面尺寸及高度是52.82米×82.667×44.173米；重庆西阳综合文体活动中心体育馆，结构形式和特点是螺栓球四角三层椭圆网壳，平面尺寸及高度是82.2米×62米(高42米)；世博轴阳光谷，结构形式和特点是三角形网格单层曲面网壳，平面尺寸及高度是总高度42米，喇叭口，随高度而不同；江苏沙钢集团6号原料大棚，结构形式和特点是三心圆落地拱柱面正放四角锥，螺栓球网壳，平面尺寸及高度是85米×400米；深圳市民中心屋盖，结构形式和特点是螺栓球及焊接球曲面网壳，平面尺寸及高度是长486米宽120～154米。
2008年奥运会场馆
国内空间结构工程体育场馆屋盖中采用最多，特别是我国建国以来举办多次国际性、国内的各种运动会，如亚运会、奥运会、全运会及大运会等，现以北京2008年奥运新建场馆(北京境内12座、境外4座)为例，以示空间结构的采用情况。
2008年奥运会场馆——2008年奥运国家体育场(“鸟巢”)结构形式和特点是交叉编织结构，平面尺寸及高度是340米×292米(185.3米×127.5米开口)；国家游泳中心(水立方)结构形式和特点是异形网格结构，平面尺寸及高度是170米×170×29米(屋盖厚7米，墙厚5.4米；国家体育馆结构形式和特点是双向张弦结构，平面尺寸及高度是114米×144.5米(比赛)，51米×63米(训练)；老山自行车馆结构形式和特点是双层四角锥球面网壳，平面尺寸及高度是d=133.06米外挑8.238米，厚2.8米；五棵松体育馆(篮球馆)结构形式和特点是正交正放网架(桁架)，平面尺寸及高度是120米×120米(网格12米)；北京工业大学体育馆(羽毛球馆)结构形式和特点是弦支穹顶，平面尺寸及高度是跨度105米(93米)；中国农业大学体育馆(摔跤)结构形式和特点是巨型门式钢架，平面尺寸及高度是90米×90米(屋面为反对称折面)；北京大学体育馆(乒乓球)结构形式和特点是辐射桁架、中央环、中央球等，平面尺寸及高度是64米×80米；北京科技大学体育馆(柔道、跆拳道)结构形式和特点是四角锥网架结构，平面尺寸及高度是71米×110米；北京射击馆结构形式和特点是管桁架(决赛馆)网架(资格赛馆)，平面尺寸及高度是260米×20米；奥林匹克森林公园网球馆结构形式和特点是10比赛场6练习场，建筑面积26514平方米；顺义奥林匹克水上中心其结构形式都有一定的特色。北京以外的奥运场馆有天津奥林匹克中心体育场，结构形式和特点是周边悬挑结构(50米)，平面尺寸及高度是370米×471米；沈阳奥体中心体育场结构形式和特点是两个钢桁架大拱，跨度360米；青岛奥林匹克帆船中心结构形式和特点是五个单元组成张弦梁结构，建筑面积7700平方米；秦皇岛奥体中心体育馆结构形式和特点是骨架膜结构，建筑面积21850平方米。
弦支穹顶
弦支穹顶(Suspen dome)是日本法政大学川口衛教授(M.Kawaguchi)于1993年提出的。它是由单层网壳和去掉上层索的索穹顶结构组成的。它与单层网壳结构相比，是具备更多的稳定性且有效地减小支座水平推力，它与索穹顶相比，不仅减少周围环向压力，而且大幅度降低了结构的施工难度。
天津大学刘锡良团队(陈志华、韩庆华、尹越等)在本人指导下，于2001年在数年来对弦支穹顶科研的基础上成功设计了我国第一个采用弦支穹顶工程，天津保税区商务中心大唐屋盖。该工程由天津凯博(Cable)空间结构工程技术有限公司施工于2003年竣工，并获得第三届空间结构优秀工程二等奖。近年来陈志华教授率领研究生继续进行大量研究和推广工作，作出突出成绩。国内许多院校及科研设计所也都相继设计和施工大量工程。
弦支穹顶结构工程——天津保税区国际交流中心，结构形式和特点是单层联方型网壳，平面尺寸及高度35.4米，矢高4.6米；昆明柏联商厦采光顶，结构形式和特点是单层肋环型网壳，平面尺寸及高度15米矢高0.568米；天津博物馆贵宾厅，结构形式和特点是单层凯威特-联方型网壳，平面尺寸及高度18.5米，矢高1.3米；武汉体育中心体育馆，结构形式和特点是双层(厚3米)椭球型三向网格网壳，平面尺寸及高度130米×110米；常州体育馆，结构形式和特点是单层椭球形网壳，网格为凯威特(中)及联方型(外)，平面尺寸及高度119.9米×79.9米矢高24.45米；北京工业大学奥运会羽毛球馆，结构形式和特点是单层联方型网壳，平面尺寸及高度93米，矢高8米；济南奥林匹克体育中心体育馆，结构形式和特点是单层凯威特联方混合布置，平面尺寸及高度122米，矢高12.2米安徽大学体育馆，结构形式和特点是正三角形肋环形网格，平面尺寸及高度87.17米；连云港体育中心，结构形式和特点是球面、肋环形网格扁平球壳，平面尺寸及高度D=94米，矢高1/17；辽宁营口奥体中心体育馆，结构形式和特点是椭球形双层网壳，平面尺寸及高度133米×82米；山东茌平体育馆，结构形式和特点是(与拱组合)凯威特联方网格，平面尺寸及高度108米，矢高25.5米；三亚体育中心体育馆，结构形式和特点是凯威特联方网格，平面尺寸及高度76米；渝北体育馆，结构形式和特点是近似三角形单层网壳，肋环形网格，平面尺寸及高度81米(单边)，矢高28米；深圳坪山体育馆平面尺寸及高度72米，矢高28.8米；大连市体育馆，结构形式和特点是上部为辐射式倒三角形桁架结构，平面尺寸及高度145.4米×116.4米；南沙体育馆，结构形式和特点是肋环形单层网壳，平面尺寸及高度93米；山西煤炭交易中心，结构形式和特点是球面，平面尺寸及高度58米；天津宝坻体育馆，结构形式和特点是椭球面，平面尺寸及高度103米×97米。
张弦梁(桁架)
张弦梁(Beam String Structure)是1979年日本斋藤公男教授(Masao Saito)提出的，天津大学刘锡良于1998年在国内带领研究生(白正仙等)进行系统理论与试验深入研究并提出双向张弦梁的概念，已用于2008年北京奥运会国家体育馆及北京大学乒乓球馆。国内首先采用单向张弦梁结构的是上海华东建筑设计研究所设计大师汪大绥设计的上海浦东国际机场航站楼。跨度超过100米的最大的张弦桁架结构工程是广州会议中心(跨度126.6米)，据不完全统计国内已有50余项工程。
索穹顶
索穹顶(Cable dome)的概念是美国工程师Geiger提出的，他认为空间的跨越能力是由连续张拉索和不连续的压杆完成的。这个概念是最接近Fuller张拉整体结构思想的。索穹顶有两种，一是Geiger索穹顶其索网为肋环形；由于Geiger索穹顶层面稳定性较差，美国工程师M.P.Levy和T.F.Jing将索网改为联方型布置称联方型索穹顶。前者Geiger索穹顶也称肋环形索穹顶。由于穹顶的索材较一般钢材强度高5～8倍，所以索穹顶自重轻跨能力大。索穹顶结构施工难度大，所以在我国很长时间内没有应用，最近几年才建成几个工程，但最大跨度仅71.2米(鄂尔多斯)离1996年美国亚特兰大奥运会平面尺寸为240米×193米乔治亚穹顶的差距还很远。
索穹顶结构工程——无锡科技交流中心结构形式和特点是圆形Geigei，平面尺寸及高度是24米(采光顶)；中国(太原)煤炭交易中心结构形式和特点是圆形Geigei，平面尺寸及高度是36米，矢高1.636米；鄂尔多斯伊金霍洛旗体育中心结构形式和特点是圆形Geigei，平面尺寸及高度是71.2米，矢高5.5米。
空间网格结构(网架及网壳)在30年历程中已发展成为普遍采用的传统结构，代替了绝大部分平面结构(当然有些采用平面结构还比较合适)。与此同时，由于科技不断发展和创新，在此基础上又出现了一些新型空间网格结构形式，如单向及双向张拉梁(桁架)、弦支穹顶等。当然，索穹顶也是比较理想的空间结构形式，但普遍采用目前还不太现实。衷心希望广大科技人员和结构工程师能创造出像网架及网壳那样能普遍推广的新型空间标准化结构，更希望创造出像焊接空心球节点及螺栓球节点这样能普遍采用的新型节点。
最后，还要特别指出的是贵州大学教授马克俭院士对空间网格结构作出了许多创新体系并已得到推广应用。
三十年来，中国土木工程学会桥梁及结构分会空间结构委员会在三任主任委员——何广乾、蓝天、赵基达的领导下，对中国空间结构的发展，特别是中国空间结构大国(网架、网壳)迈向空间结构强国(增加了索穹顶、膜结构)作出了重大贡献。另外有蓝天、张毅刚领导的中国钢结构协会空间结构分会和董石麟院士任主编的《空间结构》杂志等也都起到了巨大的作用。
空间结构早期包括薄壳、折板、网架、网壳及悬索等。后来薄壳及折板(混凝土)应用很少，应用较多的是网格结构(网架及网壳)，索结构及膜结构。我将近些年来空间网结构及部分索结构(新型网结构如弦之穹顶等)的发展做一些总结。上世纪七十年代初，天津市土木工程协会成立了以我为组长的天津市网架推广小组，并到全国各地宣讲网架结构。1978年，天津市以东道主的身份承办一次全国性的空间结构学术交流会，主办单位是中国科学技术情报研究所和国家建委建筑科学研究院(中国建筑科学研究院的前身)。1982年中国土木工程学会桥梁及结构分会空间结构委员会正式成立，至今已走过了三十年的光辉历程。
网架及网壳
三十年来虽然不断出现新的结构体系，但作为最早采用的网架及网壳，仍然是应用范围最广(工业厂房、航站楼、体育场馆、干煤棚等)、面积最大的空间结构。其中，网格结构采用的节点形式的发展，也有类似的情况，虽然这些年来不断有新型网格节点的出现(国内及国外甚至多达几十种)，但经得住时间考验的、最为广泛应用的，依然是焊接球节点和螺栓球节点，必要时铸钢节点及相贯节点也有应用。以下是我国近年来一些典型网架及网壳工程：
平板网架工程——乌鲁木齐国际机场航站楼，结构形式和特点是斜交斜放波形网架和相贯节点，平面尺寸及高度是75.6米×204.6米；西飞工业有限公司369号总装车间结构形式和特点是焊接球斜交斜放四角锥，平面尺寸及高度是75.8米×(66+118+76)米；大同市黄河给水净水车间，结构形式和特点是螺栓球正放四角锥，平面尺寸及高度是4块96米×71.17米；常州豪爵铃木摩托车公司发动机厂房，结构形式和特点是螺栓球网架，平面尺寸及高度是40913平方米(柱网36米)；北京首都国际机场1号A380机库，结构形式和特点是三层斜放四角锥焊接球网架，平面尺寸及高度是114.5米×(176.3+176.5)米；北京首都国际机场3号航站楼T3A主楼，结构形式和特点是曲面三角锥网格网架(焊接球及螺栓球)，南北向955米东西向773米。中油吉化特种钎维工业线生产工程，结构形式和特点是正放四角锥螺栓球网架，平面尺寸及高度是322.5米×33米(1)149.7米×19.4米(2)；北京首都国际机场3号航站楼T3B主楼，结构形式和特点是曲面抽空焊接球、螺栓球等两种节点网架，南北958米，东西775米。
网壳结构工程——海澜集团练马馆1号馆(江苏江阳)，结构形式和特点是三心圆拱形正放四角锥螺栓球网壳，平面尺寸及高度是85米×151.87×3米；中科院北京新技术基地光电研究所，结构形式和特点是四角锥抛物柱面网壳，平面尺寸及高度是52.82米×82.667×44.173米；重庆西阳综合文体活动中心体育馆，结构形式和特点是螺栓球四角三层椭圆网壳，平面尺寸及高度是82.2米×62米(高42米)；世博轴阳光谷，结构形式和特点是三角形网格单层曲面网壳，平面尺寸及高度是总高度42米，喇叭口，随高度而不同；江苏沙钢集团6号原料大棚，结构形式和特点是三心圆落地拱柱面正放四角锥，螺栓球网壳，平面尺寸及高度是85米×400米；深圳市民中心屋盖，结构形式和特点是螺栓球及焊接球曲面网壳，平面尺寸及高度是长486米宽120～154米。
2008年奥运会场馆
国内空间结构工程体育场馆屋盖中采用最多，特别是我国建国以来举办多次国际性、国内的各种运动会，如亚运会、奥运会、全运会及大运会等，现以北京2008年奥运新建场馆(北京境内12座、境外4座)为例，以示空间结构的采用情况。
2008年奥运会场馆——2008年奥运国家体育场(“鸟巢”)结构形式和特点是交叉编织结构，平面尺寸及高度是340米×292米(185.3米×127.5米开口)；国家游泳中心(水立方)结构形式和特点是异形网格结构，平面尺寸及高度是170米×170×29米(屋盖厚7米，墙厚5.4米；国家体育馆结构形式和特点是双向张弦结构，平面尺寸及高度是114米×144.5米(比赛)，51米×63米(训练)；老山自行车馆结构形式和特点是双层四角锥球面网壳，平面尺寸及高度是d=133.06米外挑8.238米，厚2.8米；五棵松体育馆(篮球馆)结构形式和特点是正交正放网架(桁架)，平面尺寸及高度是120米×120米(网格12米)；北京工业大学体育馆(羽毛球馆)结构形式和特点是弦支穹顶，平面尺寸及高度是跨度105米(93米)；中国农业大学体育馆(摔跤)结构形式和特点是巨型门式钢架，平面尺寸及高度是90米×90米(屋面为反对称折面)；北京大学体育馆(乒乓球)结构形式和特点是辐射桁架、中央环、中央球等，平面尺寸及高度是64米×80米；北京科技大学体育馆(柔道、跆拳道)结构形式和特点是四角锥网架结构，平面尺寸及高度是71米×110米；北京射击馆结构形式和特点是管桁架(决赛馆)网架(资格赛馆)，平面尺寸及高度是260米×20米；奥林匹克森林公园网球馆结构形式和特点是10比赛场6练习场，建筑面积26514平方米；顺义奥林匹克水上中心其结构形式都有一定的特色。北京以外的奥运场馆有天津奥林匹克中心体育场，结构形式和特点是周边悬挑结构(50米)，平面尺寸及高度是370米×471米；沈阳奥体中心体育场结构形式和特点是两个钢桁架大拱，跨度360米；青岛奥林匹克帆船中心结构形式和特点是五个单元组成张弦梁结构，建筑面积7700平方米；秦皇岛奥体中心体育馆结构形式和特点是骨架膜结构，建筑面积21850平方米。
弦支穹顶
弦支穹顶(Suspen dome)是日本法政大学川口衛教授(M.Kawaguchi)于1993年提出的。它是由单层网壳和去掉上层索的索穹顶结构组成的。它与单层网壳结构相比，是具备更多的稳定性且有效地减小支座水平推力，它与索穹顶相比，不仅减少周围环向压力，而且大幅度降低了结构的施工难度。
天津大学刘锡良团队(陈志华、韩庆华、尹越等)在本人指导下，于2001年在数年来对弦支穹顶科研的基础上成功设计了我国第一个采用弦支穹顶工程，天津保税区商务中心大唐屋盖。该工程由天津凯博(Cable)空间结构工程技术有限公司施工于2003年竣工，并获得第三届空间结构优秀工程二等奖。近年来陈志华教授率领研究生继续进行大量研究和推广工作，作出突出成绩。国内许多院校及科研设计所也都相继设计和施工大量工程。
弦支穹顶结构工程——天津保税区国际交流中心，结构形式和特点是单层联方型网壳，平面尺寸及高度35.4米，矢高4.6米；昆明柏联商厦采光顶，结构形式和特点是单层肋环型网壳，平面尺寸及高度15米矢高0.568米；天津博物馆贵宾厅，结构形式和特点是单层凯威特-联方型网壳，平面尺寸及高度18.5米，矢高1.3米；武汉体育中心体育馆，结构形式和特点是双层(厚3米)椭球型三向网格网壳，平面尺寸及高度130米×110米；常州体育馆，结构形式和特点是单层椭球形网壳，网格为凯威特(中)及联方型(外)，平面尺寸及高度119.9米×79.9米矢高24.45米；北京工业大学奥运会羽毛球馆，结构形式和特点是单层联方型网壳，平面尺寸及高度93米，矢高8米；济南奥林匹克体育中心体育馆，结构形式和特点是单层凯威特联方混合布置，平面尺寸及高度122米，矢高12.2米安徽大学体育馆，结构形式和特点是正三角形肋环形网格，平面尺寸及高度87.17米；连云港体育中心，结构形式和特点是球面、肋环形网格扁平球壳，平面尺寸及高度D=94米，矢高1/17；辽宁营口奥体中心体育馆，结构形式和特点是椭球形双层网壳，平面尺寸及高度133米×82米；山东茌平体育馆，结构形式和特点是(与拱组合)凯威特联方网格，平面尺寸及高度108米，矢高25.5米；三亚体育中心体育馆，结构形式和特点是凯威特联方网格，平面尺寸及高度76米；渝北体育馆，结构形式和特点是近似三角形单层网壳，肋环形网格，平面尺寸及高度81米(单边)，矢高28米；深圳坪山体育馆平面尺寸及高度72米，矢高28.8米；大连市体育馆，结构形式和特点是上部为辐射式倒三角形桁架结构，平面尺寸及高度145.4米×116.4米；南沙体育馆，结构形式和特点是肋环形单层网壳，平面尺寸及高度93米；山西煤炭交易中心，结构形式和特点是球面，平面尺寸及高度58米；天津宝坻体育馆，结构形式和特点是椭球面，平面尺寸及高度103米×97米。
张弦梁(桁架)
张弦梁(Beam String Structure)是1979年日本斋藤公男教授(Masao Saito)提出的，天津大学刘锡良于1998年在国内带领研究生(白正仙等)进行系统理论与试验深入研究并提出双向张弦梁的概念，已用于2008年北京奥运会国家体育馆及北京大学乒乓球馆。国内首先采用单向张弦梁结构的是上海华东建筑设计研究所设计大师汪大绥设计的上海浦东国际机场航站楼。跨度超过100米的最大的张弦桁架结构工程是广州会议中心(跨度126.6米)，据不完全统计国内已有50余项工程。
索穹顶
索穹顶(Cable dome)的概念是美国工程师Geiger提出的，他认为空间的跨越能力是由连续张拉索和不连续的压杆完成的。这个概念是最接近Fuller张拉整体结构思想的。索穹顶有两种，一是Geiger索穹顶其索网为肋环形；由于Geiger索穹顶层面稳定性较差，美国工程师M.P.Levy和T.F.Jing将索网改为联方型布置称联方型索穹顶。前者Geiger索穹顶也称肋环形索穹顶。由于穹顶的索材较一般钢材强度高5～8倍，所以索穹顶自重轻跨能力大。索穹顶结构施工难度大，所以在我国很长时间内没有应用，最近几年才建成几个工程，但最大跨度仅71.2米(鄂尔多斯)离1996年美国亚特兰大奥运会平面尺寸为240米×193米乔治亚穹顶的差距还很远。
索穹顶结构工程——无锡科技交流中心结构形式和特点是圆形Geigei，平面尺寸及高度是24米(采光顶)；中国(太原)煤炭交易中心结构形式和特点是圆形Geigei，平面尺寸及高度是36米，矢高1.636米；鄂尔多斯伊金霍洛旗体育中心结构形式和特点是圆形Geigei，平面尺寸及高度是71.2米，矢高5.5米。
空间网格结构(网架及网壳)在30年历程中已发展成为普遍采用的传统结构，代替了绝大部分平面结构(当然有些采用平面结构还比较合适)。与此同时，由于科技不断发展和创新，在此基础上又出现了一些新型空间网格结构形式，如单向及双向张拉梁(桁架)、弦支穹顶等。当然，索穹顶也是比较理想的空间结构形式，但普遍采用目前还不太现实。衷心希望广大科技人员和结构工程师能创造出像网架及网壳那样能普遍推广的新型空间标准化结构，更希望创造出像焊接空心球节点及螺栓球节点这样能普遍采用的新型节点。
最后，还要特别指出的是贵州大学教授马克俭院士对空间网格结构作出了许多创新体系并已得到推广应用。
