2019年,伟大的中华人民共和国成立七十周年。在这七十年间,中国的各项建设事业都取得了辉煌的成就,建筑结构也得到了飞跃发展。其中特别值得一提的是空间结构, 21世纪以来,中国空间结构的发展已经初具规模,呈现一片蓬勃向上的景象,它从无到有,迅猛成长,如今已跻身于世界先进的行列,受到世人的瞩目。在一些重大工程建设项目中都能看到中国空间结构前进的脚步,设计和施工都达到相当高的水平。与此同时,空间结构的理论研究也同步发展,成为土木建筑学科中最为活跃的学术领域之一。在中华人民共和国成立七十周年之际,抚今追昔,回顾中国空间结构发展历程,检阅其在科技方面的重大进展,并借此机会总结所取得的经验,具有重大意义。

　　 中国在空间结构方面应用最早的当属薄壳结构。从20世纪50年代开始就对薄壳结构开展了大量的理论研究工作,也有一些工程实践,特别是一些大跨度屋盖,例如新疆某机械工厂金工车间直径60m椭圆旋转面薄壳,广东番顺人民大会堂直径55m八角形圆球壳,北京火车站35m×35m和北京网球馆 42m×42m方形双曲扁壳等,均采用现浇混凝土结构。为了改进施工流程,曾尝试过采用预制装配的方法,如上海的装配整体式双曲扁壳,先在地面制作壳板,然后在高空拼装并灌缝形成整体。又如无锡某试验大厅的54m直径圆球壳,采用了梯形预制壳板,利用架设在壳板上的临时拼装架,由外向内逐圈进行安装。虽然有了这些改进,但是薄壳结构施工难的问题还是没有得到彻底解决,从而导致其难以推广,然而,这也标志着薄壳结构已在中国空间结构领域萌芽^[1]。

　　 在1960～1990年期间,曾经广泛采用过V形预应力折板结构,其施工过程是首先在地面上浇制混凝土平板并施加预应力,然后将板吊装到位形成V形屋面,最后在板缝间灌浆,形成整体折板屋盖。这种结构曾经在工业厂房和仓库的屋盖上风行一时,跨度最大达30m。这充分说明空间结构必须做到施工方便才能得到广泛应用。

　　 中国网架结构的发展一开始就和体育馆建设息息相关。20世纪60年代中期,北京首都体育馆屋盖首次采用了正交斜放的平面桁架系网架,平面尺寸为99m×112m。北京首都体育馆的建成证明了在大跨度体育馆中采用网架结构在技术上是成熟的,在经济上是合理的。以后不断有大型体育建筑采用网架结构,如上海体育中心的万人体育馆、练习馆与游泳馆,其中最大的是体育馆,平面为圆形、直径110m、支承在周边的36根钢筋混凝土柱上并悬挑出7.5m,构成直径为125m的网架。1990年在北京举行的第十一届亚洲运动会新建了13个体育馆。其中体育馆屋盖结构采用网架的占一半以上,如大学生体育馆(方形、64m×64m)、月坛体育馆(八边形、57m×66m)、光彩体育馆(矩形、46.8m×67.6m)等。

　　 网架结构还经常应用于诸如会堂、影剧院、展览馆、车站、码头、候机大厅等公共建筑。西安秦俑博物馆新建的二号馆,其建筑平面依照俑坑遗址的轮廓设计成L形,屋盖由大小两个网架组成,均采用两向正交正放形式,大网架的平面尺寸达到了96m。在早期的铁道建设中,不少火车站都采用了网架结构,最早的如长沙火车站,屋盖是42m×42m的两向正交斜放网架;天津塘沽车站的网架为圆形,直径47m,采用新颖的抽空三角锥形式。

　　 此外网架结构还用于飞机库。作为飞机库来说,建筑物的一边需要敞开以便设置机库大门,同时在屋盖下还要求悬挂吊车,因此采用三边支承、一边自由的网架结构较为合理。一开始各地的飞机库都采用了跨度50m左右的网架结构,随着大型飞机的投入运行以及操作上便利,都要求机库向更大的跨度方向发展。1990年北京首都机场的四机位机库,双跨跨度达到153m,进深90m。斜放四角锥网架设计为三层,采用圆钢管与焊接空心球节点。屋盖设置了10t多支点悬挂吊车。

　　 随着大规模工业的发展,生产厂房也产生了剧烈的变化以满足不同的生产工艺与使用要求。网架结构以其大柱网、大跨度以及屋盖可悬挂设备的特点,在工业厂房中也得到了广泛的应用。从20世纪80年代以来,网架开始推广应用在工业厂房中,其数量和面积逐年递增。如1991年长春第一汽车厂的轿车总装车间,平面尺寸为189m×420m、柱网12m×21m,面积达8万m²;2006年广东肇庆亚洲铝材工业园型材挤压车间(图1)平面尺寸为226m×1 180m,面积达22万m²,最大跨度52m,柱距16m,网架下弦分别设有3～10t悬挂吊车。由于工业厂房面积大、数量多,在中国的空间网格结构发展中具有举足轻重的地位。

　　 在中国空间结构发展的早期,网壳结构应用不多,只是在郑州、烟台与抚顺等地的体育馆屋盖上采用了直径在60m左右的斯威德勒型穹顶,其构造方式沿用了钢桁架中以节点板连接。21世纪以来网壳呈现了急剧发展的趋势,便是在网架结构大量发展的形势下而产生的^[2]。

　　 网壳结构首先也是应用在体育建筑中。1990年第十一届亚洲运动会新建的体育馆中就有两个造型各异的网壳结构。拥有3 000座的石景山体育馆,屋盖平面为正三角形,边长99.7m,总面积为8 400m²,屋盖由三片四边形的双曲抛物面双层网壳组成。作为亚运会拳击比赛馆的北京体育学院体育馆,面积为7 200m²。外围尺寸为59m×59m的屋盖由四片双曲抛物面网壳结构组成。为了承受水平地震力,在体育馆四角另外设置了格构式斜撑。

　　 为了召开1996年冬季亚洲运动会,哈尔滨建造了黑龙江速滑馆。主体结构采用由中央圆柱和两端半球壳组成的双层网壳,其轮廓尺寸为86m×195m,网壳的中央部分采用正放四角锥体系,两端采用三角锥体系,网格的尺寸在3m左右。

　　 近年来,网壳在工业建筑的散料仓库中也得到了广泛应用,与传统的刚架或拱相比,其在材料消耗与造价上都有优势。对于储存松散材料、落地的筒状壳体外形也最符合散料堆放的要求。早在1989年,河南中原化肥厂的尿素仓库就采用了跨度为58m的双层筒状网壳,其长度为138m,净高22.5m。这种网壳在全国数十个发电厂的干煤棚中采用,如河南鸭河口电厂干煤棚(图2),跨度108m、矢高39m,采用了正放四角锥三心圆柱面网壳。

　　 中国网壳结构的应用已达到了相当大的规模,以跨度来说,2004年建成的北京国家大剧院(图3)笼罩着218m×146m、矢高45m的椭圆形空腹网格的球形网壳,由钢管顶环梁和钢板及H型钢梁架构成壳体的骨架,其间以连杆和斜撑连接,体型居全国之冠。以面积来说,北京首都机场3号航站楼就有18万m²,巨大的屋顶采用了抽空三角锥组成的微弯网壳。总体而言,包括网架和网壳在内的空间网格结构已成为发展最快的结构形式之一。

　　 中国的空间结构一贯采用的材料是钢铁制的型材和管材,但是21世纪以来迅猛发展的铝合金已在空间网格结构占有值得注意的一席之地。

　　 铝合金材料具有结构自重轻、耐腐蚀性能好等优点,其密度只有钢材的1/3,抗拉强度可达300MPa。一般不需做表面处理即可达到建筑防腐要求,适用于高温高湿、海边及重度污染环境。自20世纪50年代以来,欧美发达国家开始研究在建筑结构中应用铝合金网格结构,我国在1997年就引进了中国第一个铝合金穹顶体育建筑——上海国际体操中心,其采用直径68m的单层球面网壳^[3]。进入21世纪以来,我国研发并生产了铝合金空间网格结构专用的Al-Mg-C铝合金型材与铆钉连接的板式节点。所有构配件都是工厂标准化生产、现场装配,提高了安装速度,减少了施工周期。2010年上海辰山植物园建造了总面积22 200m²的温室展览馆,最大单体的长、宽、高分别为203m×33m×20.5m。2015年南京牛首山佛顶宫,分别采用了小穹顶(147m×98m)的单层椭球面网壳,以及大穹顶(251m×116m)的三向网格单层网壳,最大悬挑53m,其跨度、单体面积与杆件高度均居世界第一。

　　 中国对索结构的研究起步比较早,1958年起一些科研机构就开始对圆形单层及双层悬索、伞形悬索及鞍形索网等不同形式进行了理论计算、模型试验与施工方法等方面的研究。当时在大跨度体育建筑中曾推广应用了这种新结构,如北京工人体育馆采用了直径94m的圆形双层悬索,浙江人民体育馆采用了60m×80m平面的鞍形索网。后来一种覆盖钢筋混凝土板的单层单曲悬索用于淄博54m跨度的体育馆,施工时采用在屋面上超加荷的方法对钢索预加应力,经过灌缝后的屋面板与钢索形成整体,具有很好的刚度。

　　 中国还研究与开发了一些具有特点的新型悬索体系。如一种预应力双层悬索体系曾用于吉林滑冰馆,其平面为矩形,屋盖尺寸为59m×79.8m。另一种增强单曲悬索稳定性的方法是采用以梁或桁架构成的横向加劲构件,开发了一种新型的横向加劲悬索体系。通过对桁架端部支座下压产生强迫位移,在索内产生了预应力,这样桁架起到加劲作用,增强了屋盖的刚度。这种悬索体系曾分别应用在安徽体育馆,其纵向主索跨度72m,横向加劲构件是跨度54m的钢桁架。又如上海杨浦区体育馆,为54m×45m矩形平面。此外,潮州体育馆进一步将横向加劲悬索体系由单曲面推向双曲面,形成了一个跨度56m的双曲抛物面屋盖。

　　 进入21世纪以来,索结构出现了令人瞩目的进展。原本溯源于日本的张弦结构在中国得到了迅猛发展,成为索结构应用的重要领域。张弦结构是由刚度较大的刚性构件和柔性索通过撑杆连接而组成,由于索的参与,大大地增强了结构的整体刚度。张弦结构可按单向、双向或空间布置成型,以适应不同形状的平面。最早用于大跨度的单向张弦桁架是上海浦东机场一期航站楼,跨度82.6m。其后又在不少体育馆、展览馆上采用,跨度最大的是位于山东东营的黄河口模型试验大厅,达到了148m。另外,中国近年来开始新建高速铁路,为此建造了大量的火车站,其车站大厅和站台雨棚也采用了数量可观的张弦桁架,特别是站台雨棚避免了立柱,改善了建筑效果和使用功能,例如新广州站,采用了跨度40～68m的张弦拱,覆盖面积达20万m²。张弦桁架还向双向发展,2008年北京奥运会国家体育馆的比赛区上覆盖144.5m×114m的双向张弦桁架。张弦结构向空间发展,就形成张弦网壳,近年来在体育馆中得到广泛应用。其中跨度在80～120m的就有北京奥运会羽毛球馆(图4)、常州体育馆、济南奥体中心体育馆等。这些工程把柔性的索和刚性的网壳完美地结合在一起,和一般网壳相比,结构的稳定性大大提高,而杆件内力可降低到原来的1/3。

　　 近年来索结构也被广泛应用于玻璃幕墙,作为承受水平荷载的主要承重构件,大多采用平面索网或索桁架。纤细的钢索也满足了建筑立面通透的要求。这些索结构的跨度可能不大,一般在10～20m,但每个工程中的幕墙面积往往会达到数千平方米。如北京新保利大厦的玻璃幕墙,高90m,宽58m,采用双向单层索(图5)。又如重庆江北国际机场T2航站楼,周围玻璃幕墙以索网支承,总面积达10万m²。由于玻璃幕墙使用量很大,所消耗的钢索总量实际上已经超过了所有的屋盖的索结构用量。

　　 膜结构^[6]是建筑结构中最新发展起来的一种形式,它以性能优良的织物为材料,或是向膜内充气,由空气压力支承膜面,或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将膜面绷紧,从而形成一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。中国膜结构的发展起步较晚,体育建筑可以说是膜结构应用的突破口。1997年在上海举行的第七届全国运动会,膜结构被用在八万人体育场(图6)的看台挑篷,总面积达36 100m²。当时,膜结构的材料、设计和工程安装得到了国外有关单位的协助,但这是中国第一次将膜结构用在大面积的永久性建筑上,具有深远的影响^[4,5]。

　　 青岛颐中体育场是中国第一个靠自己力量设计与施工的大型体育场,外包尺寸为266m×180m,可容纳6万观众。悬挑40m的屋盖是一个包括膜、索和钢支撑结构的张拉体系,整个屋盖有70个锥形索膜单元组成,总面积为30 000m²。从中国膜结构发展历程来看,主要是通过引进国外先进技术与管理,实现了跨越式发展,其后膜结构就成为覆盖主体育场的优选方案^[6]。在大城市中应用主要有上海(虹口区体育足球场)、武汉、郑州和广州,在中小城市中应用的有烟台、威海和芜湖。2006年佛山世纪莲体育场首先采用了索系支承式膜结构,圆环外径达310m,内环为125m,膜覆盖面积53 400m²,均居国内首位;2010年举办的上海世博会,也可称为膜结构的博览会,其中至少有16个建筑,主要是展览馆,采用了各种膜财作为屋盖和外墙的围护结构、内墙隔断、顶棚甚至艺术雕塑。作为交通枢纽的长达一公里的“世博轴”大道,覆盖了最大长度为840m、最大宽度为97m的整体张拉式膜结构,屋盖通过索系由大道两侧的桅杆和6个“太阳谷“网壳支承。在世博会的建筑中,日本馆的膜结构很有特点,它椭圆形平面面积虽然不大,只有八千多平方米,但覆盖整个建筑的膜结构是涂覆TiO₂的ETFE气囊,是全世界首次在气囊中设置了太阳能光电池,可以发电,用来在夜间照明。由此可见,上海世博会充分展示了膜结构在建筑领域的广泛应用与良好发展前景。

　　 中国早期膜结构所采用的膜材主要有两种涂层织物沿用了多年,即P类(在聚酯纤维织物基材表面涂覆聚合物连续层并附加面层,PVC)以及G类(在玻纤织物基材表面涂覆聚合物连续层,PTFE)。2008年北京奥运会的国家游泳中心又开始采用E类膜材,即由乙烯和四氯乙烯共聚物制成的ETFE薄膜。国家游泳中心外形为尺寸177m×177m×31m的立方体,其外墙和屋面结构全部由异形空间刚接网架构成,网架内外均按照多边形网格的外形铺设透明的ETFE充气枕,赋予整个建筑以晶莹剔透的外表,故称之为“水立方”(图7),覆盖的面积总和达30万m²。其后在一些文体建筑中也不断采用,如大连体育中心,面积为65 000m²;天津华侨城生态欢乐岛水馆,面积为37 500m²。

　　 中国最早建成的膜结构就是以空气支承的,跨度在30多米,后来用得不多。自20世纪80年代,北美曾陆续建造了10座跨度在200m左右的空气支承式膜结构,其中有几座先后因雨雪侵袭发生了破裂与坍塌事故,以致在改建时都放弃了膜结构,使人们对空气支承式膜结构的前途也产生了怀疑。然后自2015年以来,这种膜结构因在中国得到了大量应用而获得重生。据不完全统计, 2016年中国建成的膜结构建筑就有88座,2017年也有61座,展开面积每年都有50多万平方米,其应用领域主要是体育建筑,如北京高尔夫球体育馆,长×宽×高为 100m×60m×21m,北京朝阳公园网球馆,长×宽×高为109m×39m×13m。另外还有仓储建筑,如神华巴彦淖尔储煤棚,长×宽×高为410m×110m×42m,是世界上最大的气膜结构。

　　 七十年来,中国空间结构的应用范围和尺度都不断在更新和扩大,在各种文娱体育、交通运输和工业建筑中无不见到形式各异的空间结构,特别是近几年来,还被用在环境保护的设施上^[7]。中国每年所建的空间结构,不论是数量、跨度和面积都是全球领先的。2019年建造的北京大兴国际机场航站楼(图8)由中央大厅和5条指廊组成,屋顶投影面积达35万m²,主要采用斜交斜放网架,最大跨度125m,最大悬挑47m。该工程被誉称为世界新的七大奇迹之一。21世纪以来,出现了以膜材围护建筑物立面,以索结构支承玻璃幕墙的形式,表现了空间结构从横向到竖向的立体化发展过程,开创了应用的新天地。

　　 中国空间结构的应用从开始就是同理论研究同步发展的。一种新的结构体系往往是通过理论研究或将试验成果应用到工程中去,继而从实践中产生的问题又对科研提出了新课题,不断形成一个良性循环^[2]。在新结构的研究初期,研究内容偏重于静力作用下的结构性状和分析方法,特别是一些简化计算以满足设计的要求。然而,现代计算机的兴起使空间结构的分析和设计大为改观,研究维度从静力拓展到动力,从线性拓展到非线性。与此同时,一些基础性的理论研究也有进展,如结构形体的设计理论与优化(结构形态学)、网壳结构的稳定性和抗冲击性能、基于CFD数值模拟技术风荷载特性以及大跨度的结构健康监测等。

　　 中国在空间结构的施工过程中,采用了多种多样的安装方法并创造了一系列具有中国特色的安装技术,在这方面的发展突出,具有较高水平。例如早期的网架结构施工就曾多次成功地采用高空滑移法;空间结构在地面制作和拼装操作方便,不需要设置拼装架便可进行整体安装,大量减少了高空作业,有利于保证工程质量。早期上海文化广场、上海体育馆比赛馆、江苏体育馆等大型网架结构安装中曾采用过“就地拼装、采用扒杆整体吊装、高空移位”的方法。整体安装的另一条途径是采用顶升或提升的方法,使屋盖平面位置在升起过程中保持不变,避免了高空移位这一工序,所采用的机具是一般常用的各种千斤顶。整体顶升曾首先用于建筑科学研究院礼堂的圆柱面薄壳施工,之后也曾普遍用于机库网架的施工,其中跨度最大的是北京首都机场的A380机库(图9),176m双跨,钢网架总质量10 000t,一次提升到39.8m高度就位。近年来,滑移法也得到更新,如大唐王滩电厂干煤棚采用张弦拱形桁架,跨度202m,钢结构总质量3 700t,在地面上采用累积滑移法施工。

　　 此外,更值得关注的是,空间结构在中国得到发展的重要原因之一是制定了一整套的标准规程,这些标准规程总结了中国在设计与施工方面的经验以及科研成果,成为实际工作的指导性文件^[4]。参加编制工作的不但有设计和施工部门,还有不少科研单位和高等学校,这些单位往往还是主编单位。这些标准规程的核心是空间网格结构、索和膜的“技术规程”,其主要内容包括设计和施工,成为实施这些工程的基础文件。在材料方面,膜结构有专门的膜材标准;在节点和零部件方面,空间网格结构有各种球节点和连接零部件标准,索结构也有索具标准;在质量检验方面,膜结构有工程施工质量验收规程。

　　 中国空间结构的发展还得到组织上的保障。早在1982年,中国土木工程学会桥梁与结构分会下成立了空间结构委员会,开展了各种学术活动。1993年中国钢结构协会下又成立了空间结构分会,其主要成员是空间结构的生产企业,但也有不少高等学校和科研院所,实现了产、学、研的完美结合。由于空间结构分会具有强大科技开发能力,因而能从事于标准编制、技术人员培训、书刊编写等工作,这样的科技进步型行业组织在国际上也是少有的。特别值得提出的是,分会在行业管理方面也主动向国际先进经验靠拢,减轻对政府行政手段的依赖,采用非强制性的社会认可,例如在膜结构企业的资质管理上就成功地实现了等级会员制度。

　　 从发展历程来看,中国的空间结构已取得了巨大进步,但距离空间结构强国还有差距。所采用的材料,如钢铁、铝合金、膜材基本上属于引进或模仿,一些重大工程往往是国外建筑师的建筑方案,国内的设计单位只是做施工图。目前我国还没有开发出新的空间结构体系能够在工程中推广应用,施工安装也缺少创新。此外,还时而会出现造型丑陋、造价昂贵、材料消耗巨大的工程。但是,无论如何,在中国经济不断发展的前提下,建设事业肯定将持续向前迈进,未来必将是机遇与挑战并存,中国大地必将出现更加美好强大的空间结构。