大跨度空间结构的发展与创新

作者：胡明娜

来源：《科学与技术》 2018年第5期

摘要：本文阐述了大跨度空间结构的发展历史,根据各个时期空间结构发展特点、形式类型和科技水平可区分为古代空间结构、近代空间结构和现代空间结构,并说明了促进空间结构发展创新的因素；着重指出仿生学对大跨度空间结构形态创新的推动作用是无法估量的，并对结构仿生在大跨度空间结构的应用做了侧重阐述。

关键词：大跨度空间结构；发展；结构创新；仿生学

正文：大跨度空间结构具有受力合理、自重轻、造价低、结构形体和品种多样,是建筑科学技术水平的集中表现,因此各国科技工作者都十分关注和重视大跨度空间结构的发展历程、科技进步、结构创新、形式分类与实践应用.

1 大跨空间结构的发展历程与特点

空间结构发展历史分为:二十世纪初叶(1925 年前后)以前为古代空间结构,其主要标志性结构为拱券式穹顶;二十世纪初叶以后为近代空间结构,其主要标志性结构为薄壳结构、网格结构和一般悬索结构;二十世纪末叶（1975 年前后)以后为现代空间结构,其主要标志性结构为索膜结构、索杆张力结构、索穹顶结构等.这里需要说明的是:(1)1975 年不是近代空间结构终止的年份,近代空间结构的那些主要标志结构在1975 年后还在应用、发展和创新,特别是在引入新技术、新概念后,还可以与现代空间结构比美;或者说,可转入现代空间结构的行列.(2)从1925 年到1975 年的五十年间,是近代空间结构独占鳌头的黄金年代.

2 大跨度空间结构的创新

2.1 促进大跨度空间结构发展创新的因素

人类社会的生产,物质和精神生活水平的提高与发展,就需要开阔的空间和场所,如体育场馆、影剧院、会展中心、航站楼、工业厂房车间、仓库等等,三维受力、材料节省、造价低廉的大跨度空间结构正是人们所期望的最佳选择.但真正意义上空间结构的发展尚不足百年的历史,促使空间结构发展的因素可认为有下列几方面:

建筑材料的革命和创新促进了空间结构的向前发展.施工新技术特别是预应力技术的引入推动了空间结构的创新.空间结构的高空悬挑逐步安装法,地面组装、整体提升或顶升法,折叠展开施工法等都可以省去满堂红脚手架,仅利用小型机具设备拼装施工大跨度空间结构,降低工程成本和造价.日臻完善的分析理论和计算机的应用解决了大跨、复杂空间结构设计计算题.

2.2 建筑结构仿生——建筑结构创新的手法

在建筑发展的历史长河中，随着社会的进步，人们对建筑品质的要求越来越高。尤其是近百年来新技术与新材料的不断涌现，更是大大增加了人们对建筑作品的关注。结构仿生建筑适时发展，犹如一阵清风给建筑师与工程师带来了创作的灵感，在两个不同的领域内发挥着积极的影响，并建立起相互沟通的桥梁，为建筑设计带来了全新的设计理念与工作方式。

2.2.1 与仿生息息相关的自然现象

在自然界中如果我们稍加观察的话，会发现很多自然形态本身就是力学形态的体现。轻巧的蜘蛛网、坠落的水滴、强韧的树干、紧密有序的蜂巢、坚硬的果壳等等都在不断地启发着人们，引导人们关于形态与力的思考。“自然就是美，美即实用，实用即是自然的存在，自然即是实用的展现。”是对这些形态的高度赞赏。正如果实压弯枝头、疾风吹倒麦草一样，自然界中的物质无时不刻的存在于“力场”中，不断调整自身的形态以适应环境。因此，它们所具有的良好的力学性能不仅与材料有关，而且和它们的形态有着密切的关联。很多工程结构就是受到自然结构独特形态的启发得来的，具有高效低耗的优良品质，对于建设节约型社会的当今时代显得尤为重要。

2.2.2 薄壳形态——网壳结构

在自然界中有很多天然的薄壳状的物质，如贝壳、蜗牛、禽蛋、果壳等等，它们不仅具有优美的曲线形态，并且表现出令人叹服的结构合理性。就拿最常见的蛋壳来说，一个普通鸡蛋短轴约为 4.5 厘米，蛋壳厚度约为 0.38 毫米，厚度与长度之比约为 1：120。根据国外资料介绍，当鸡蛋均匀受力时竟然可以承受 34 千克的力研究发现蛋壳之所以具有如此大的承受力是与它特有的外部曲线形态相关的。当鸡蛋和外力充分接触后，各向对称的拱形曲线把应力沿壳体表面均匀分散到鸡蛋的各个点上，各种荷载转化为均等的曲面内轴向压力。这一奇妙的现象为我们展现了以最少的材料获得坚硬的外壳，并具有良好受力性能的大自然杰作。除此以外，自然界中还有许多生物形态具有类似的结构，它们都是一种曲度均匀、质地轻巧的薄壳结构。这些薄结构的表面虽然很薄，但却都具有很好的力学性能。

2.2.3 晶体形态——网架结构

人类对自然界的探索从来就不只限于有机的生态物质系统，对于无机物的研究也在科学发展过程中起着越来越重要的作用。作为广义的仿生学来讲，对无机物形态与内部结构的研究也同样适用于创作手法。显微镜的发明使人们能够看到平常肉眼所观察不到的微观世界，那里的物质结构有序而多彩，如分子结构、晶体结构以及雪花的形状等等，都呈现出与宏观世界截然不同的姿态。时至今日，网架结构无论是在外部形态还是内部杆件的排列方式都已经研究出了众多的形式，并且应用到了越来越多的需要大跨度的公共建筑中。

3 结语

在科学技术发展正处于各种自然学科高度综合和互相渗透的新时代，大跨度空间结构正朝着机能仿生的方向发展。相信在未来的建设活动中，结构仿生学将不断在大跨度空间结构方向带来新的惊喜！