當(dāng)世界邁入21世紀(jì)，回顧人類發(fā)展的歷史，我們可以發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是其活動(dòng)空間的不斷改善與擴(kuò)充。在各種交流活動(dòng)中，體育比賽無疑是一種最激動(dòng)人心的方式。奧林匹克體育競賽館、世界杯足球比賽場……在世界各地崛起；學(xué)術(shù)、文化、藝術(shù)與商業(yè)上的交流等活動(dòng)也促使一些大城市建成了規(guī)模龐大的會(huì)議展覽中心。因此，大跨度、多功能、形狀復(fù)雜、技術(shù)要求高的現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的建筑及其新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并在國內(nèi)外迅猛發(fā)展。
認(rèn)識現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)
空間結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)的形態(tài)呈三維狀態(tài)，在荷載作用下具有三維受力特性并呈現(xiàn)空間工作的結(jié)構(gòu)。例如平板網(wǎng)架、網(wǎng)殼以及懸索結(jié)構(gòu)等空間結(jié)構(gòu)在我國都得到了廣泛應(yīng)用，已為人們所熟悉。從國內(nèi)外工程實(shí)踐來看，包括奧運(yùn)場館在內(nèi)的大跨度建筑多數(shù)采用各種形式的空間結(jié)構(gòu)體系?，F(xiàn)代|考試|大|空間結(jié)構(gòu)的形式十分豐富多彩，大體上可分為如下基本類型：
（1）鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)；
（2）空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，包括各種形式的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；
（3）張力結(jié)構(gòu)，包括各種形式的懸索結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)或索－膜結(jié)構(gòu)；
（4）混合結(jié)構(gòu)，由剛性構(gòu)件和柔性索組合而成的一類結(jié)構(gòu)形式，如各種形式的張弦結(jié)構(gòu)、斜拉結(jié)構(gòu)等。
目前空間結(jié)構(gòu)向著輕量、大跨方向發(fā)展，這種發(fā)展趨勢要求必須千方百計(jì)降低結(jié)構(gòu)自重。降低結(jié)構(gòu)自重的途徑一方面是研制運(yùn)用輕質(zhì)高強(qiáng)度新型建筑材料，另一方面是研究開發(fā)合理的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)受拉部位采用膜材或鋼索，受壓部分采用鋼或鋁合金構(gòu)件，這樣膜、索、桿相結(jié)合使用，形成雜交結(jié)構(gòu)，可望實(shí)現(xiàn)理想的輕量大跨結(jié)構(gòu)。
新建奧運(yùn)場館結(jié)構(gòu)形式概覽
2008年北京奧運(yùn)會(huì)使中國人前所未有地近距離感受到奧林匹克的氣息，也為中國大跨空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了廣闊舞臺(tái)。經(jīng)過近5年的緊張籌備與建設(shè)，如今奧運(yùn)場館已成功投入使用。系統(tǒng)地總結(jié)這些場館建設(shè)中所采用的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念和自主創(chuàng)新技術(shù)，對于推動(dòng)我國空間結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要作用。
應(yīng)該說，這些奧運(yùn)場館建設(shè)反映了我國大跨空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的水平，其中所蘊(yùn)含的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，所采用的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式以及所開發(fā)的新材料、新技術(shù)、新方法，對于我國空間結(jié)構(gòu)發(fā)展有十分重要的借鑒意義。
典型空間結(jié)構(gòu)
仿生式網(wǎng)格結(jié)構(gòu)——國家體育場
國家體育場的“鳥巢”建筑方案是經(jīng)全球設(shè)計(jì)競賽招標(biāo)，并經(jīng)專家評審和公眾投票后，在13個(gè)方案中脫穎而出的?！傍B巢”的外墻面為橢圓錐面，內(nèi)墻面為橢圓柱面，屋面為馬鞍形，是圓環(huán)體內(nèi)側(cè)表面的一部分；屋頂內(nèi)外表面相互平行，相距12m；屋面與外墻面通過半徑為8m的圓弧連接。構(gòu)成的巨大橢圓體長軸332.3m，短軸296.4m，點(diǎn)高度為68.5m。體育場中央開有185.3m×127.5m 的橢圓孔。主體鋼結(jié)構(gòu)由24榀格構(gòu)式剛架組成，它們繞著中央橢圓孔相互交叉布置，形成復(fù)雜而規(guī)律的空間網(wǎng)格體系。在此基礎(chǔ)上，加上以隨機(jī)方式布置的次構(gòu)件，最終形成了“雜亂無章”卻顯得十分自然，宛如金屬樹枝編織而成的巨大鳥巢。單純從結(jié)構(gòu)角度看，將格構(gòu)式剛架用于如此大的跨度并不十分理想，其梁柱連接部位及跨中部位受力均較大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)用鋼量過大，也使結(jié)構(gòu)永久荷載所占比例過高。因此在2004年曾對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行過一次調(diào)整，即取消了原有的可開啟屋蓋，并相應(yīng)擴(kuò)大了屋頂開口；這樣調(diào)整仍然保持了“鳥巢”的設(shè)計(jì)理念，但用鋼量減少了22.3％，相應(yīng)也提高了結(jié)構(gòu)的安全性?！傍B巢”現(xiàn)在建成了，它那具有震撼力的獨(dú)特建筑造型在國內(nèi)外引起巨大反響?？傊?，這種建筑與結(jié)構(gòu)渾然一體，貌似無序的自由編織而成的結(jié)構(gòu)體系不僅為國家體育場提供了新穎的建筑造型，也為大跨空間結(jié)構(gòu)家族增添了一個(gè)富于個(gè)性的新成員。
多面體空間網(wǎng)架——國家游泳中心
國家游泳中心的“水立方”建筑方案是經(jīng)全球設(shè)計(jì)競賽招標(biāo)，并經(jīng)專家評審和公眾投票后，在10個(gè)方案中脫穎而出的。“水立方”的設(shè)計(jì)理念可以概括為“方盒子”和“水分子”兩個(gè)概念：其主體結(jié)構(gòu)由一種新穎的平板網(wǎng)架圍成方盒子形狀，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)則由形狀、大小各異的許多ETFE薄膜氣枕組成，就像許多晶瑩剔透的“水泡泡”或“水分子”，形成的建筑形象十分新穎獨(dú)特，令人神往。此外，從奧林匹克公園總體規(guī)劃來看，“水立方”與“鳥巢”比鄰，一方一圓，一柔一剛，相互呼應(yīng)，形成十分美妙的對比，體現(xiàn)了中國傳統(tǒng)文化中“天圓地方”的理念。
“水立方”的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案就是以經(jīng)過適當(dāng)改良的W-P模型為基礎(chǔ)，以多面體的棱為實(shí)體構(gòu)件，形成由空心多面體單元構(gòu)成的空間網(wǎng)格體系，再以適當(dāng)?shù)慕嵌冗M(jìn)行平面切割，形成平板狀的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，以之作為“水立方”的屋頂和墻體的承重結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)體系新穎、獨(dú)特，其不規(guī)則的復(fù)雜形體其實(shí)是由相對簡單的元素經(jīng)多次重復(fù)形成的，這是空間結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)的杰出創(chuàng)新?！八⒎健钡膰o(hù)結(jié)構(gòu)由內(nèi)外兩層ETFE氣枕組成，每層氣枕包含3~4層ETFE膜。整個(gè)建筑共包含3700多個(gè)ETFE氣枕，覆蓋面積達(dá)10×104m2 ，是世界上的ETFE工程。其ETFE氣枕的基本單元投影平面為不規(guī)則多邊形，它們大小不一，形狀各異，的直徑近9m，最小的直徑則不足1m?！八⒎健蓖鈱託庹淼膬?nèi)層膜和內(nèi)層氣枕的外層膜上都鍍著密度不等的小鍍點(diǎn)，以控制膜的透光度，達(dá)到隔熱散光的效果。
認(rèn)識現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)
空間結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)的形態(tài)呈三維狀態(tài)，在荷載作用下具有三維受力特性并呈現(xiàn)空間工作的結(jié)構(gòu)。例如平板網(wǎng)架、網(wǎng)殼以及懸索結(jié)構(gòu)等空間結(jié)構(gòu)在我國都得到了廣泛應(yīng)用，已為人們所熟悉。從國內(nèi)外工程實(shí)踐來看，包括奧運(yùn)場館在內(nèi)的大跨度建筑多數(shù)采用各種形式的空間結(jié)構(gòu)體系?，F(xiàn)代|考試|大|空間結(jié)構(gòu)的形式十分豐富多彩，大體上可分為如下基本類型：
（1）鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)；
（2）空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，包括各種形式的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；
（3）張力結(jié)構(gòu)，包括各種形式的懸索結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)或索－膜結(jié)構(gòu)；
（4）混合結(jié)構(gòu)，由剛性構(gòu)件和柔性索組合而成的一類結(jié)構(gòu)形式，如各種形式的張弦結(jié)構(gòu)、斜拉結(jié)構(gòu)等。
目前空間結(jié)構(gòu)向著輕量、大跨方向發(fā)展，這種發(fā)展趨勢要求必須千方百計(jì)降低結(jié)構(gòu)自重。降低結(jié)構(gòu)自重的途徑一方面是研制運(yùn)用輕質(zhì)高強(qiáng)度新型建筑材料，另一方面是研究開發(fā)合理的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)受拉部位采用膜材或鋼索，受壓部分采用鋼或鋁合金構(gòu)件，這樣膜、索、桿相結(jié)合使用，形成雜交結(jié)構(gòu)，可望實(shí)現(xiàn)理想的輕量大跨結(jié)構(gòu)。
新建奧運(yùn)場館結(jié)構(gòu)形式概覽
2008年北京奧運(yùn)會(huì)使中國人前所未有地近距離感受到奧林匹克的氣息，也為中國大跨空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了廣闊舞臺(tái)。經(jīng)過近5年的緊張籌備與建設(shè)，如今奧運(yùn)場館已成功投入使用。系統(tǒng)地總結(jié)這些場館建設(shè)中所采用的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念和自主創(chuàng)新技術(shù)，對于推動(dòng)我國空間結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要作用。
應(yīng)該說，這些奧運(yùn)場館建設(shè)反映了我國大跨空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的水平，其中所蘊(yùn)含的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，所采用的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式以及所開發(fā)的新材料、新技術(shù)、新方法，對于我國空間結(jié)構(gòu)發(fā)展有十分重要的借鑒意義。
典型空間結(jié)構(gòu)
仿生式網(wǎng)格結(jié)構(gòu)——國家體育場
國家體育場的“鳥巢”建筑方案是經(jīng)全球設(shè)計(jì)競賽招標(biāo)，并經(jīng)專家評審和公眾投票后，在13個(gè)方案中脫穎而出的?！傍B巢”的外墻面為橢圓錐面，內(nèi)墻面為橢圓柱面，屋面為馬鞍形，是圓環(huán)體內(nèi)側(cè)表面的一部分；屋頂內(nèi)外表面相互平行，相距12m；屋面與外墻面通過半徑為8m的圓弧連接。構(gòu)成的巨大橢圓體長軸332.3m，短軸296.4m，點(diǎn)高度為68.5m。體育場中央開有185.3m×127.5m 的橢圓孔。主體鋼結(jié)構(gòu)由24榀格構(gòu)式剛架組成，它們繞著中央橢圓孔相互交叉布置，形成復(fù)雜而規(guī)律的空間網(wǎng)格體系。在此基礎(chǔ)上，加上以隨機(jī)方式布置的次構(gòu)件，最終形成了“雜亂無章”卻顯得十分自然，宛如金屬樹枝編織而成的巨大鳥巢。單純從結(jié)構(gòu)角度看，將格構(gòu)式剛架用于如此大的跨度并不十分理想，其梁柱連接部位及跨中部位受力均較大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)用鋼量過大，也使結(jié)構(gòu)永久荷載所占比例過高。因此在2004年曾對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行過一次調(diào)整，即取消了原有的可開啟屋蓋，并相應(yīng)擴(kuò)大了屋頂開口；這樣調(diào)整仍然保持了“鳥巢”的設(shè)計(jì)理念，但用鋼量減少了22.3％，相應(yīng)也提高了結(jié)構(gòu)的安全性?！傍B巢”現(xiàn)在建成了，它那具有震撼力的獨(dú)特建筑造型在國內(nèi)外引起巨大反響?？傊?，這種建筑與結(jié)構(gòu)渾然一體，貌似無序的自由編織而成的結(jié)構(gòu)體系不僅為國家體育場提供了新穎的建筑造型，也為大跨空間結(jié)構(gòu)家族增添了一個(gè)富于個(gè)性的新成員。
多面體空間網(wǎng)架——國家游泳中心
國家游泳中心的“水立方”建筑方案是經(jīng)全球設(shè)計(jì)競賽招標(biāo)，并經(jīng)專家評審和公眾投票后，在10個(gè)方案中脫穎而出的。“水立方”的設(shè)計(jì)理念可以概括為“方盒子”和“水分子”兩個(gè)概念：其主體結(jié)構(gòu)由一種新穎的平板網(wǎng)架圍成方盒子形狀，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)則由形狀、大小各異的許多ETFE薄膜氣枕組成，就像許多晶瑩剔透的“水泡泡”或“水分子”，形成的建筑形象十分新穎獨(dú)特，令人神往。此外，從奧林匹克公園總體規(guī)劃來看，“水立方”與“鳥巢”比鄰，一方一圓，一柔一剛，相互呼應(yīng)，形成十分美妙的對比，體現(xiàn)了中國傳統(tǒng)文化中“天圓地方”的理念。
“水立方”的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案就是以經(jīng)過適當(dāng)改良的W-P模型為基礎(chǔ)，以多面體的棱為實(shí)體構(gòu)件，形成由空心多面體單元構(gòu)成的空間網(wǎng)格體系，再以適當(dāng)?shù)慕嵌冗M(jìn)行平面切割，形成平板狀的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，以之作為“水立方”的屋頂和墻體的承重結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)體系新穎、獨(dú)特，其不規(guī)則的復(fù)雜形體其實(shí)是由相對簡單的元素經(jīng)多次重復(fù)形成的，這是空間結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)的杰出創(chuàng)新?！八⒎健钡膰o(hù)結(jié)構(gòu)由內(nèi)外兩層ETFE氣枕組成，每層氣枕包含3~4層ETFE膜。整個(gè)建筑共包含3700多個(gè)ETFE氣枕，覆蓋面積達(dá)10×104m2 ，是世界上的ETFE工程。其ETFE氣枕的基本單元投影平面為不規(guī)則多邊形，它們大小不一，形狀各異，的直徑近9m，最小的直徑則不足1m?！八⒎健蓖鈱託庹淼膬?nèi)層膜和內(nèi)層氣枕的外層膜上都鍍著密度不等的小鍍點(diǎn)，以控制膜的透光度，達(dá)到隔熱散光的效果。