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圖2b所示，屋蓋空間結構是一種由于形狀而產(chǎn)生效益的結構，因此它又叫形效結構（Formative Structures）。屋蓋空間結構的三個鮮明特點是（圖3）：

1曲面空間狀（曲面按形態(tài)學、拓樸原理構成，有封閉邊緣構件）

2軸力結構

3用料很經(jīng)濟

圖3 屋蓋空間結構屋蓋空間結構的設計水平是衡量一個國家的力學基礎理論，應用技術和材料科學等建筑高科技的標志之一。由于，索結構的剛度是通過施加預應力獲取（剛化），因此，屋蓋柔性空間結構的科技含量最高。圖8a所示美國喬治亞索穹頂（Cable Dome），我在[15]文“大跨度空間鋼結構的概念設計與結構哲理”中，稱為準張拉整體（準Tensile Integrity，簡稱Tensegrity）到目前為止，仍然是世界上最先進的屋蓋結構。

表1所示的兩種空間結構的創(chuàng)新點如圖4所示。

為了加深對結構分類概念的理解，必須嚴格區(qū)分結構（Structure）與構件（Structural Member）。圖5所示：平板網(wǎng)架和埃菲爾鐵塔都是由軸力構件（Axial Force-Resisting Members）組成的彎矩結構，——荷載產(chǎn)生的外彎矩由結構的抵抗彎矩平衡；格柵是彎矩結構；二維張弦梁和美國漢考克中心是由壓彎構件（Beam-Column Members）和軸力構件組成的彎矩結構等。

圖6所示，當屋蓋跨度l ≥100時，屋蓋空間結構與屋蓋彎矩結構的用鋼量相差非常大，可見，大跨度屋蓋結構方案必須向屋蓋空間結構方案的方向靠近才經(jīng)濟。

圖6  屋蓋結構用鋼量與跨度之關系

二  中、外大型全鋼結構的結構效率對比

1 高層全鋼結構

圖7a所示，世界高層全鋼結構的前三名都在美國，隨著高層的高度H增加，抗側(cè)力體系的結構方案也在變化（框架→框筒→束筒），而用鋼量卻在減少（206→186.6→161kg/m²）,說明科技的巨大作用。其中，世界貿(mào)易中心具有幾個突出特點：① 箱形柱很小，僅450mm×450mm×(7.5mm~12.5mm)^[8]；② 3根柱子轉(zhuǎn)換為底層1根柱未設轉(zhuǎn)換層；③ 3層柱1個吊裝單元，用高強螺栓現(xiàn)場拼裝，工期短。

我國CCTV選擇了怪異的框架結構（懸臂75m，圖7b），嚴重違背抗震規(guī)范[1]結構體型的強制性條件，是一個不安全的低水平結構方案，且截面形狀怪異巨大，耗費14.2萬t鋼材，結構延性差，施工極為艱難。

根據(jù)文獻[9]：“設鋼結構建筑耗鋼為G，建筑物總重為P。結構體系的優(yōu)秀性與G/P成反比，一般是：優(yōu)秀設計G/P=0.2~0.3；平庸設計G/P=0.4~0.5；拙劣設計G/P=0.6~0.7”。美國世界貿(mào)易中心（圖7a）：總重P=40萬t，G=8.4萬t，從而G/P=0.21，屬于優(yōu)秀設計。

2 大跨度屋蓋結構

圖8可見，先進國家的大跨度屋蓋采用屋蓋空間結構，用鋼量少（圖8 a）。日本茗古屋穹頂，單層球網(wǎng)殼直徑已達D=187.2m^[10]（鼓型鑄鋼節(jié)點1450，高700mm），而我國規(guī)程[4]規(guī)定：D≤60m，差距太大。

我國幾個大型場館采用屋蓋彎矩結構，用鋼量大（圖8b），如國家體育場，即鳥巢（Brid’s Nest）,采用平面桁架系結構^[18]，總耗鋼：4.1875萬t^[6]~5.21萬t，即用鋼量710~881kg/m²，理念是“無序就是藝術”，從而，創(chuàng)造了“用鋼量最大的建筑奇跡”；國家體育館，即水立方（Water Cube），理念為“泡沫”理論，經(jīng)旋轉(zhuǎn)、切割等復雜計算后成為屋蓋和墻體，創(chuàng)造了“簡單問題復雜化的建筑奇跡”；深圳大運會體育中心體育場，采用單層折面格柵懸臂彎矩結構，橢圓平面：285m×270m，由20個形狀相近的結構單元組成，單元挑出長度51.9m~68.4m，鑄鋼結點多達7類，總數(shù)7×20個=140個，鑄鋼總重0.42萬t。肩谷結點最大，外形尺寸：5.4m×4.6m×3.4m（10管相交），壁厚400mm，與鍛打鋼管1400×200對接焊。肩谷單件重98.6 t ^[12]。屋蓋總重1.8萬t，創(chuàng)造了“荷載傳力路線最長、鑄鋼結點最大”的世界建筑奇跡。

工程實例①：國家大劇院（圖10a），橢圓平面：212m×143m，結構方案選擇網(wǎng)殼是正確的，但由于

截面尺寸選得太大，用鋼量高達292 kg/m²。根據(jù)1963年美國教授司密斯（Smith M.G）對166個已建大跨度屋蓋（11種）進行回歸分析^[24]，這種網(wǎng)殼結構用鋼量不超過80 kg/m²（圖10）；工程實例②：某房屋的一個結構跨度L=45.6m，選擇用預應力鋼桁架方案是正確的，但桁架高度H選8m就大錯特錯了，合理桁架高度3m即可。可見，設計是硬道理，“硬”設計就沒有道理!硬道理在哪里？就是結構工程師要利用力學功底和結構理論正確選擇結構方案，并在上計算機前，合理估計構件截面尺寸。否則，所謂的優(yōu)化是無大用的!

20多年來，我與我的團隊對大跨度屋蓋結構和高層建筑結構進行了比較系統(tǒng)的研究，并設計了不少工程項目，總結并提出了一些設計理念，如表3所示，希望從事建筑結構設計的同仁們批評指正。

參考文獻

[1]       中國建設部，建筑抗震設計規(guī)范（GB 500 11-2010），中國建筑工業(yè)出版社，2010年12月1日"歡迎大家轉(zhuǎn)摘！轉(zhuǎn)載須注明中國建筑金屬結構協(xié)會建筑鋼結構網(wǎng)(shenmingdayi.com)謝謝合作！"