大跨度空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展與創(chuàng)新

胡明娜

摘要：本文闡述了大跨度空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史，根據(jù)各個時期空間結(jié)構(gòu)發(fā)展特點、形式類型和科技水平可區(qū)分為古代空間結(jié)構(gòu)、近代空間結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)，并說明了促進空間結(jié)構(gòu)發(fā)展創(chuàng)新的因素；著重指出仿生學對大跨度空間結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)新的推動作用是無法估量的，并對結(jié)構(gòu)仿生在大跨度空間結(jié)構(gòu)的應(yīng)用做了側(cè)重闡述。

關(guān)鍵詞：大跨度空間結(jié)構(gòu)；發(fā)展；結(jié)構(gòu)創(chuàng)新；仿生學

正文：大跨度空間結(jié)構(gòu)具有受力合理、自重輕、造價低、結(jié)構(gòu)形體和品種多樣，是建筑科學技術(shù)水平的集中表現(xiàn)，因此各國科技工作者都十分關(guān)注和重視大跨度空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程、科技進步、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、形式分類與實踐應(yīng)用.

1 大跨空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程與特點

空間結(jié)構(gòu)發(fā)展歷史分為：二十世紀初葉（1925年前后）以前為古代空間結(jié)構(gòu)，其主要標志性結(jié)構(gòu)為拱券式穹頂；二十世紀初葉以后為近代空間結(jié)構(gòu)，其主要標志性結(jié)構(gòu)為薄殼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和一般懸索結(jié)構(gòu)；二十世紀末葉（1975年前后）以后為現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)，其主要標志性結(jié)構(gòu)為索膜結(jié)構(gòu)、索桿張力結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)等.這里需要說明的是：（1）1975年不是近代空間結(jié)構(gòu)終止的年份，近代空間結(jié)構(gòu)的那些主要標志結(jié)構(gòu)在1975年后還在應(yīng)用、發(fā)展和創(chuàng)新，特別是在引入新技術(shù)、新概念后，還可以與現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)比美；或者說，可轉(zhuǎn)入現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的行列.（2）從1925年到1975年的五十年間，是近代空間結(jié)構(gòu)獨占鰲頭的黃金年代.

2 大跨度空間結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新

2.1 促進大跨度空間結(jié)構(gòu)發(fā)展創(chuàng)新的因素

人類社會的生產(chǎn)，物質(zhì)和精神生活水平的提高與發(fā)展，就需要開闊的空間和場所，如體育場館、影劇院、會展中心、航站樓、工業(yè)廠房車間、倉庫等等，三維受力、材料節(jié)省、造價低廉的大跨度空間結(jié)構(gòu)正是人們所期望的最佳選擇.但真正意義上空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展尚不足百年的歷史，促使空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的因素可認為有下列幾方面：

建筑材料的革命和創(chuàng)新促進了空間結(jié)構(gòu)的向前發(fā)展.

施工新技術(shù)特別是預(yù)應(yīng)力技術(shù)的引入推動了空間結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新.空間結(jié)構(gòu)的高空懸挑逐步安裝法，地面組裝、整體提升或頂升法，折疊展開施工法等都可以省去滿堂紅腳手架，僅利用小型機具設(shè)備拼裝施工大跨度空間結(jié)構(gòu)，降低工程成本和造價.日臻完善的分析理論和計算機的應(yīng)用解決了大跨、復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計計算題.

2.2 建筑結(jié)構(gòu)仿生——建筑結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的手法

在建筑發(fā)展的歷史長河中，隨著社會的進步，人們對建筑品質(zhì)的要求越來越高。尤其是近百年來新技術(shù)與新材料的不斷涌現(xiàn)，更是大大增加了人們對建筑作品的關(guān)注。結(jié)構(gòu)仿生建筑適時發(fā)展，猶如一陣清風給建筑師與工程師帶來了創(chuàng)作的靈感，在兩個不同的領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著積極的影響，并建立起相互溝通的橋梁，為建筑設(shè)計帶來了全新的設(shè)計理念與工作方式。

2.2.1與仿生息息相關(guān)的自然現(xiàn)象

在自然界中如果我們稍加觀察的話，會發(fā)現(xiàn)很多自然形態(tài)本身就是力學形態(tài)的體現(xiàn)。輕巧的蜘蛛網(wǎng)、墜落的水滴、強韌的樹干、緊密有序的蜂巢、堅硬的果殼等等都在不斷地啟發(fā)著人們，引導(dǎo)人們關(guān)于形態(tài)與力的思考?！白匀痪褪敲?，美即實用，實用即是自然的存在，自然即是實用的展現(xiàn)?！笔菍@些形態(tài)的高度贊賞。正如果實壓彎枝頭、疾風吹倒麥草一樣，自然界中的物質(zhì)無時不刻的存在于“力場”中，不斷調(diào)整自身的形態(tài)以適應(yīng)環(huán)境。因此，它們所具有的良好的力學性能不僅與材料有關(guān)，而且和它們的形態(tài)有著密切的關(guān)聯(lián)。很多工程結(jié)構(gòu)就是受到自然結(jié)構(gòu)獨特形態(tài)的啟發(fā)得來的，具有高效低耗的優(yōu)良品質(zhì)，對于建設(shè)節(jié)約型社會的當今時代顯得尤為重要。

2.2.2薄殼形態(tài)——網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

在自然界中有很多天然的薄殼狀的物質(zhì)，如貝殼、蝸牛、禽蛋、果殼等等，它們不僅具有優(yōu)美的曲線形態(tài)，并且表現(xiàn)出令人嘆服的結(jié)構(gòu)合理性。就拿最常見的蛋殼來說，一個普通雞蛋短軸約為 4.5 厘米，蛋殼厚度約為 0.38 毫米，厚度與長度之比約為 1：120。根據(jù)國外資料介紹，當雞蛋均勻受力時竟然可以承受 34 千克的力研究發(fā)現(xiàn)蛋殼之所以具有如此大的承受力是與它特有的外部曲線形態(tài)相關(guān)的。當雞蛋和外力充分接觸后，各向?qū)ΨQ的拱形曲線把應(yīng)力沿殼體表面均勻分散到雞蛋的各個點上，各種荷載轉(zhuǎn)化為均等的曲面內(nèi)軸向壓力。這一奇妙的現(xiàn)象為我們展現(xiàn)了以最少的材料獲得堅硬的外殼，并具有良好受力性能的大自然杰作。除此以外，自然界中還有許多生物形態(tài)具有類似的結(jié)構(gòu)，它們都是一種曲度均勻、質(zhì)地輕巧的薄殼結(jié)構(gòu)。這些薄結(jié)構(gòu)的表面雖然很薄，但卻都具有很好的力學性能。

2.2.3晶體形態(tài)——網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

人類對自然界的探索從來就不只限于有機的生態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)，對于無機物的研究也在科學發(fā)展過程中起著越來越重要的作用。作為廣義的仿生學來講，對無機物形態(tài)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究也同樣適用于創(chuàng)作手法。顯微鏡的發(fā)明使人們能夠看到平常肉眼所觀察不到的微觀世界，那里的物質(zhì)結(jié)構(gòu)有序而多彩，如分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)以及雪花的形狀等等，都呈現(xiàn)出與宏觀世界截然不同的姿態(tài)。時至今日，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)無論是在外部形態(tài)還是內(nèi)部桿件的排列方式都已經(jīng)研究出了眾多的形式，并且應(yīng)用到了越來越多的需要大跨度的公共建筑中。

3 結(jié)語

在科學技術(shù)發(fā)展正處于各種自然學科高度綜合和互相滲透的新時代，大跨度空間結(jié)構(gòu)正朝著機能仿生的方向發(fā)展。相信在未來的建設(shè)活動中，結(jié)構(gòu)仿生學將不斷在大跨度空間結(jié)構(gòu)方向帶來新的驚喜！

參考文獻

[1] 趙基達，王俊. 空間大跨度結(jié)構(gòu)發(fā)展五十年[A].中國建筑行業(yè)科技發(fā)展五十年[C]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2000

[2] 藍天，劉楓. 中國空間結(jié)構(gòu)的二十年[A].第十屆空間結(jié)構(gòu)建 筑 科 學 第 29 卷學術(shù)會議論文集[C]. 北京： 中國建材工業(yè)出版社，2002

[3] 董石麟，趙陽. 論空間結(jié)構(gòu)的形式和分類[J].土木工程學報，2004，37（ 1） ：7 ～ 12

[4] 董石麟，羅堯治，趙陽. 新型空間結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計與施工[M].北京： 人民交通出版社，2006

[5] 馮大斌，趙基達，王翠坤. 大跨空間結(jié)構(gòu)及高層建筑工程篇[A].工程建設(shè)技術(shù)發(fā)展研究報告[C].北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2006

[6] 錢基宏.鋁網(wǎng)架結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究與實踐[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2008，10（ 1）

[7] 藍天.中國空間結(jié)構(gòu) 60 年[J] 建筑結(jié)構(gòu)，2009，39（ 9） ： 25 ～27

[8] 沈世釗，武岳.大跨空間結(jié)構(gòu)抗風研究現(xiàn)狀與展望[A].中國結(jié)構(gòu)風工程研究 30 周年紀念大會論文集[C]. 2010

[9] 趙基達，錢基宏，宋濤，等。我國空間結(jié)構(gòu)技術(shù)進展與關(guān)鍵技術(shù)研究[J]。建筑結(jié)構(gòu)，2011，（ 11）01