摘要：本文講述的是關(guān)于若干空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史的探討與分析。

　　關(guān)鍵詞：空間結(jié)構(gòu)發(fā)展、穹頂、空間網(wǎng)格、整體張拉結(jié)構(gòu)、雜交結(jié)構(gòu)

　　1 引言

　　代表大空間的建筑稱為無柱空間或者大跨空間，水平方向尺度很大的空間稱為橫向空間，與高層建筑形成的豎向空間構(gòu)成一對主要的空間形式。

　　“更寬敞、跟高聳”兩者都是人們的追求，但其發(fā)展歷史則顯著不同。豎向空間是進入20世紀(jì)才顯著發(fā)展的，與之相比，作為橫向空間的代表形態(tài)的穹頂，就有2000年以上的歷史，隨著各個時代最先進的材料和技術(shù)的應(yīng)用，不斷擴大其跨度而得到發(fā)展。

　　在與重力和自然的競技中發(fā)展起來的大跨度結(jié)構(gòu)，其主要技術(shù)有以下類別：

　　1.構(gòu)件截面的改進——H鋼、鋼管、波形鋼、變截面梁

　　2.結(jié)構(gòu)方式的創(chuàng)新——拱、殼、索網(wǎng)

　　3.結(jié)構(gòu)方式的變化和組合——拱和懸掛屋蓋、梁和吊桿

　　4.高強度材料的開發(fā)——鋼材、纜索、近代膜材

　　5.結(jié)構(gòu)的輕量化——中空截面材料、桁架梁、鋁合金構(gòu)件

　　6.應(yīng)力、變形的控制——預(yù)應(yīng)力混凝土、張弦梁、支承拱

　　2 從穹頂了解空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展史

　　從古代羅馬的萬神廟、文藝復(fù)興時代的佛羅倫薩等的歷史性建筑可以看到，穹頂、拱廊、拱頂都是建筑技術(shù)史上，自古以來就加以使用的代表性的空間要素。自身穩(wěn)定性好的三維形態(tài)，代表了宇宙安定秩序的絕對空間，給人們以震撼和感動。

　　古典穹頂中，最古老的是萬神廟(占地120公頃，跨度43米)。無論從哪一方面看，都可以作為古代穹頂建筑的最高典范，令人驚訝的是直到進入19世紀(jì)為止，它一直是跨度最大的穹頂。到阿爾赫西拉斯的殼體(1933年、跨度47米)超過萬神廟是，已經(jīng)過了1800余年，記錄下人類為實現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)主題之一的“規(guī)模的擴大”而艱苦奮斗的歷程。巨大的砌體結(jié)構(gòu)穹頂，建造時使用磚塊、石頭、素混凝土等主要用來抗壓、但對抗拉幾乎沒什么抵抗力的材料，結(jié)構(gòu)構(gòu)成主要是有限的二維拱的集合體。為了保證形式和力學(xué)上的穩(wěn)定，拱的截面非常厚實，因此形成風(fēng)格粗重的穹頂。

　　進入近代，發(fā)明了能抵抗壓力和拉力的鋼筋混凝土，穹頂結(jié)構(gòu)推出近代混凝土薄殼而完成了革命性的變化。穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)概念，本來就是以旋轉(zhuǎn)面形成的三維殼體，可以延伸為一般的薄殼概念。因此，鋼筋混凝土穹頂可以超過50米的跨度，而殼的厚度不過10厘米左右，使得功能、結(jié)構(gòu)、形態(tài)的協(xié)調(diào)成為可能。從此以后，人們對空間結(jié)構(gòu)便追求起“形態(tài)構(gòu)成的自由度”和“施工的合理性”，直至悉尼歌劇院的誕生為止，有關(guān)空間機構(gòu)的這些課題綜合解決是非常困難的。

　　現(xiàn)代將把球面適當(dāng)?shù)赜枰苑指睿�利用鋼材、木材等單一�?gòu)件構(gòu)成球面狀，發(fā)展成重量輕、強度高、剛性大的所謂空間網(wǎng)格式的穹頂，使得更大的跨度成為可能。此外，將不同材料組合而成的雜交結(jié)構(gòu)，使穹頂結(jié)構(gòu)體系得以繼續(xù)發(fā)展。

　　3 空間網(wǎng)格的發(fā)展史

　　根據(jù)J.PUXSTON對水晶宮(1851)所做的力學(xué)分析，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有兩大特色，其一是從傳統(tǒng)的拱式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛闪菏借旒芎椭�撐的組合空間結(jié)構(gòu)，另一點是有插銷式錨固變?yōu)椴捎描T鐵連接件，使得變通性很大的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)得以實現(xiàn)。19世紀(jì)末的大跨度建筑，雖然多數(shù)為并列的拱結(jié)構(gòu)，但是開拓了鋼結(jié)構(gòu)三維鋼架向網(wǎng)殼發(fā)展的道路，其代表作是Xchwedler設(shè)計的煤氣罐(直徑40米)、天文館(直徑16米)等。20世紀(jì)初，G.Belle提出了空間桁架后，Wachsmann、Fuller等指出了工業(yè)化發(fā)展的前景，隨著多種節(jié)點方案的提出，空間網(wǎng)格作為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)得到了普及。

　　今后用于空間結(jié)構(gòu)的空間網(wǎng)格，因為是以網(wǎng)格為基本構(gòu)成，不僅可以作為大空間的結(jié)構(gòu)體系，在其他結(jié)構(gòu)形式(拱、穹頂、膜、雜交結(jié)構(gòu)等)中也可以作為結(jié)構(gòu)構(gòu)成，成為具有開放感和力度感的建筑設(shè)計要素。

　　4 張拉結(jié)構(gòu)的發(fā)展史

　　一般的張拉結(jié)構(gòu)，主要是指僅抵抗拉力的材料，也就是定義為使用“張拉構(gòu)件”的結(jié)構(gòu)。張拉結(jié)構(gòu)的類型，大致可以分為懸掛結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)。前者又具有懸吊屋蓋和斜拉式、后者有張力膜和空氣膜的分類。

　　巧妙地利用張力的懸掛結(jié)構(gòu)，從橋梁和建筑的互相比較看，其發(fā)展有相當(dāng)大的差別。例如有名的Clifton橋(1864年，跨度260米，Brunel)、Brooklin橋(1883年，跨度486米，Roebling)等懸索橋，建造后至今歷經(jīng)100年以上，仍然能夠?qū)嶋H使用，非常結(jié)實，其達到的技術(shù)高度令人驚異。于此相比，建筑中的懸掛結(jié)構(gòu)起步很晚，其開端是Raleigh Arena博覽館(1953年，跨度98米，Nowcki)。之前，在1896年的全俄博覽會上屋蓋的記錄，1958年的布魯塞爾博覽會，也有多個關(guān)于懸掛結(jié)構(gòu)用于建筑可能性的嘗試方案，但盡管如此，此后的進步與普及，與橋梁相比相差較遠。

　　在日本，代代木奧林匹克體育館于1964年完成后，利用索網(wǎng)的懸掛結(jié)構(gòu)實例非常少，若論理論分析和施工技術(shù)的成熟程度，仍然留有一種奇妙的感覺。其原因是建筑的多樣性，設(shè)計者對索結(jié)構(gòu)材料缺乏理解和經(jīng)驗，社會的要求，行政方面也有種種顧慮。

　　關(guān)于膜結(jié)構(gòu)的近代史，可以認為從演雜技的帳篷開始的。利用近代技術(shù)建造大空間的膜結(jié)構(gòu)，以第二次世界大戰(zhàn)后Votta Byrd創(chuàng)造的空氣膜結(jié)構(gòu)為最初嘗試。其后采用高強度纖維制成的織物上覆以合成樹脂的膜材料，可以在永久性建筑中使用膜結(jié)構(gòu)。1970年大阪世界博覽會上的美國館，D.Geiger 提出了建立低拱度空氣膜結(jié)構(gòu)的可行性方案，之后主結(jié)構(gòu)采用索、梁結(jié)構(gòu)、與膜結(jié)構(gòu)組合形成新的結(jié)構(gòu)體系。1990年美國Thunder穹頂就是其中一例。

　　最近張拉結(jié)構(gòu)正在迅速發(fā)展的一個方向是所謂雜交結(jié)構(gòu)(Hybrid Tension Structure)。定義為由柔性的索、膜和剛性的梁、拱、撐桿、鋼架等的組合結(jié)構(gòu)體系。雜交結(jié)構(gòu)除了結(jié)構(gòu)上的合理性外，還具有制作、施工、運輸?shù)痊F(xiàn)實意義上的合理性。

　　5 張拉整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展史

　　張拉整體“Tensegrity”最初是由美國建筑師富勒提出的, “Tensegrity”一詞是由“Tensional”(張拉)和“Integrity”(整體)兩個詞縮并而成。他把張拉整體結(jié)構(gòu)體系描述為“受壓的孤島位于拉力的海洋中”。張拉整體結(jié)構(gòu)的專利定義應(yīng)包括以下幾個方面：(1)張拉整體結(jié)構(gòu)是空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，也就是受拉構(gòu)件在壓力下沒有剛度，而且也必須只能處于受拉狀態(tài);(2)結(jié)構(gòu)處于自應(yīng)力狀態(tài)，即剛度是通過自應(yīng)力作用產(chǎn)生的，與其他外界作用及連接作用無關(guān)，這一點同預(yù)應(yīng)力是有所區(qū)別的，因為預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生與相關(guān)節(jié)點的約束狀態(tài);(3)所有桿件都是直桿且截面尺寸大小相同;(4)受拉桿件在壓力作用下沒有剛度，并形成一個連續(xù)的整體;(5)受壓構(gòu)件分散布置;(6)每個節(jié)點保證有一根壓桿且只能和一根壓桿相連。皮尤(Pugh)提出以下建議：“張拉整體結(jié)構(gòu)是由多個離散的受壓構(gòu)件和一組連續(xù)的受拉構(gòu)件相互作用形成的空間穩(wěn)定的形體”，勒內(nèi).莫特羅提出“張拉整體結(jié)構(gòu)是一些離散的受壓構(gòu)件包含于一組連續(xù)的受拉構(gòu)件形成的穩(wěn)定自平衡結(jié)構(gòu)”

　　6 雜交結(jié)構(gòu)的發(fā)展史

　　最近張拉結(jié)構(gòu)正在迅速發(fā)展的一個方向是所謂雜交結(jié)構(gòu)(Hybrid Tension Structure)。雜交結(jié)構(gòu)是與殼體、索桁等純粹追求力學(xué)合理性的結(jié)構(gòu)，以及由同一材料形成的結(jié)構(gòu)(Thorough-bred)等概念相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)。

　　雜交結(jié)構(gòu)大體可以分為兩類，一類是將單純結(jié)構(gòu)構(gòu)成材料的特性予以變更形成的結(jié)構(gòu)。例如，將具有抗彎剛度的H型鋼制成抗拉構(gòu)件代替索形成的半剛性懸掛結(jié)構(gòu)，就是其中的代表性結(jié)構(gòu)。

　　另一類是將不同的承載體系組合而成的結(jié)構(gòu)。其中，柔性的抗拉材料和剛性的梁、拱等組合而成的雜交張拉結(jié)構(gòu)就是代表性的結(jié)構(gòu)。這里就張拉構(gòu)件使用索等線狀材料的結(jié)構(gòu)予以敘述。而索單元的材質(zhì)、形狀也可以任意，具有非常多的擴展可能性。

　　目前影響較大的是由日本法政大學(xué)川口衛(wèi)教授提出的弦支穹頂結(jié)構(gòu)。弦支穹頂結(jié)構(gòu)是將索穹頂?shù)葟埨�整體結(jié)構(gòu)的思路應(yīng)用于單層球面網(wǎng)殼而形成的一種新型雜交空間結(jié)構(gòu)體系。弦支穹頂結(jié)構(gòu)最根本的結(jié)構(gòu)特點是在單層球面網(wǎng)殼下部設(shè)置索桿體系，一方面改變了結(jié)構(gòu)體系，另一方面通過張拉拉索在結(jié)構(gòu)中建立預(yù)應(yīng)力以改善結(jié)構(gòu)的受力性能和減小對周邊構(gòu)件的依賴程度，使結(jié)構(gòu)體系的自平衡程度得到極大的提高。