浅谈大跨度空间结构之悬索结构1

浅谈大跨度空间结构之悬索结构

摘要：在世博会的发展历史上新材料新技术的应用总是与世博会的建筑结构设计创新紧密

相伴的，特别是1958年布鲁塞尔世博会,是第二次世界大战结束后的第一次世博会。在这届世博会的众多建筑中，有几座建筑一直是广大建筑师工程师至今称道的优秀建筑实例，即使在今天，我们仍可以感受到它们对现代建筑所起到的不可磨灭的推动作用，而其中一个很重要的创新便是对悬索结构应用和空间创造方面的探索。

关键字：空间结构；悬索结构；空间创造；技术创新

1. 引言

今年五月份在上海举行的世博会，可以说是全世界的盛宴，来自全世界150多个国家或地区参加这次盛会，带来人类的最新科技成果。世博园区里，各国展馆让人目不暇接，而建筑，作为社会生活的反映，在这里体现得淋漓尽致。在150多年的世博会的发展历史上，新材料新技术的应用总是与世博会的建筑结构设计创新紧密相伴，1851年的在伦敦举行的第一届万国博览会，可以说是现代新建筑的起始点，“水晶宫”的出现改变了之前的传统的砖石结构为基础的梁板结构体系，取而代之的是，以钢铁，玻璃等新材料组成的大跨度支撑结构体系。“水晶宫”虽然功能简单，但是其结构设计的创新却使人类在新材料新技术的应用上达到新的高度。为后来的世博会创造了好的开端。特别是1958年布鲁塞尔世博会,是第二次世界大战结束后的第一次世博会。在这届世博会的众多建筑中，有几座建筑一直是广大建筑师工程师迄今为止啧啧称道的优秀建筑实例，即使今天我们仍可以感受到它们对现代建筑所起的不可磨灭的推动作用，而其中一个很重要的创新便是对悬索结构应用和空间创造方面的探索。

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2. 空间结构--悬索结构

教建筑力学的老师说过，所有的力学计算都是在假想的平面

内完成的，并不能真实的反映出三维情况下的受力情况，具有很大的局限性。事实上在这实个实际的三维世界里，任何结构物本质上都是空间性质的，只不过出于简化设计和建造的目的，我们在许多场合把它们分解成一平面的结构来进行计算。但是，真正意义上的空间体系也始终没有停止其自身的发展，而且日益显示出一般平面结构无法比拟的优越性，体现出大自然的神奇。空间结构的卓越工作性能不仅仅表现在三维空间受力，而且还在于它们通过合理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用，而且达到轻质高强的理想预期。当跨度增大时，空间结构就愈能显示出它们优异的性能。因此大跨度建筑多数采用各种形式的空间结构体系。

一般空间结构分为网架结构，网壳结构，薄膜结构，悬索结构和组合结构。这里主要介绍介绍悬索结构。悬索结构是由悬挂在支撑结构上的一系列高强度钢索所组成的一种张拉结构。因为索主要承受轴向拉力，可以最大限度的利用钢材的强度，如果再配以高强轻质的材料，可以大大减轻结构自重，经济的跨越很大的跨度。

悬索结构主要是由三部分组成：悬索系统、覆盖系统和支撑系统。悬索系统是悬索屋盖中跨越水平距离，形成大空间的重要构件，通常由一系列按一定规律布置的高强度钢索及附件组成。悬索系统起着构建屋面形状。承担屋面荷载并将其传至支撑

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结构的作用。覆盖系统位于索系之上，覆盖系统的作用就是形成一个保温、隔热、防水的面层。完成屋盖本身的建筑功能。支撑系统是由圈梁或水平横梁、立柱或拱等构件组成，它承受悬索系统传来的荷载，并将它们传向基础。

在施工过程中需要在悬索结构中引进张拉力或者是预应力来形成稳定的屋面，因此在悬索结构中，可以充分发挥高强度钢索受拉的性能，用钢量较为经济，但是需要处理好水平反力问题，而且悬索屋盖造型活泼新颖，能激发挥建筑师、结构工程师的想象力，另外，悬索结构的运输及施工都很方便，不需要大型的起重装置，施工中可以用索作为脚手支撑结构，也不需要专门的脚手架。

土木工程中悬索结构的形式主要有：单层悬索结构，双层悬

索结构，索网结构。单曲面单层悬索结构形成下凹的单曲率曲面，一般用于矩形平面的单跨建筑，而双曲面单层悬索结构，常用于圆形平面的建筑，钢索由圆心向四周按辐射状布置，屋面形成一个下凹的旋转面，布鲁塞尔世博会的美国馆便是采用的上述悬索结构。但是单层悬索结构有着很大的缺点，就是稳定性很差,进而产生了双层悬索结构，双层悬索结构是在平行拉索体系的基础上增设一层反向曲率的钢索构成的，以此来增强拉索的稳定性。而索网结构是由两组相互正交、曲率相反的钢索直接交叉组成的，这种索网形成由正、负高斯曲率构成的双曲抛物面，所以也常被称之为鞍形索网，所以也常被称之为鞍形索网。这种结构常

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见于上世纪的大型体育馆，如北京工人体育馆，浙江省体育馆等。

3．悬索结构与空间创新

悬索结构在1958 年布鲁塞尔世博会上得到充分表现，展示了悬索结构与建筑空间创造的相互作用关系。悬索结构是我们创造大空间建筑经常采用的一种结构形式，作为承重结构来讲虽然具有悠久的历史但其取得较大发展却发生在上世纪50 年代，也就是在比利时的这届世博会上，悬索结构得到了淋漓尽致的发挥。

美国馆透视

具有代表性的例子为美国馆，建筑设计出自典雅主义代表人物美国建筑师斯东E.D.Stone 之手，它采用车辐式双层索系结构，车辐式双层索系是双层悬索体系的3 种形式之一，利用作为集中撑杆的中心环实现对索施加预应力，这种结构在悬索结构发展的早期应用较多。建筑采用与车辐式双层索系结构相吻合的圆形平面，直径为104 m ，建筑在空间与结构关系处理上极为巧妙，首先，利用底层设置一圈回廊，这样既有利于保持屋盖悬索结构的稳定，又丰富了室内空间，使空间形成一定的层次感。另外利

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