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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(gè)鮮明特點(diǎn)是（圖3）：

1曲面空間狀（曲面按形態(tài)學(xué)、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(gè)國家的力學(xué)基礎理論，應用技術(shù)和材料科學(xué)等建筑高科技的標志之一。由于，索結構的剛度是通過(guò)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(chēng)為準張拉整體（準Tensile Integrity，簡(jiǎn)稱(chēng)Tensegrity）到目前為止，仍然是世界上最先進(jìn)的屋蓋結構。

表1所示的兩種空間結構的創(chuàng )新點(diǎn)如圖4所示。

為了加深對結構分類(lèi)概念的理解，必須嚴格區分結構（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(shí)，屋蓋空間結構與屋蓋彎矩結構的用鋼量相差非常大，可見(jiàn)，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(guān)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(zhù)高層的高度H增加，抗側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(shuō)明科技的巨大作用。其中，世界貿易中心具有幾個(gè)突出特點(diǎn)：① 箱形柱很小，僅450mm×450mm×(7.5mm~12.5mm)^[8]；② 3根柱子轉換為底層1根柱未設轉換層；③ 3層柱1個(gè)吊裝單元，用高強螺栓現場(chǎng)拼裝，工期短。

我國CCTV選擇了怪異的框架結構（懸臂75m，圖7b），嚴重違背抗震規范[1]結構體型的強制性條件，是一個(gè)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(wàn)t鋼材，結構延性差，施工極為艱難。

根據文獻[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”。美國世界貿易中心（圖7a）：總重P=40萬(wàn)t，G=8.4萬(wàn)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(jiàn)，先進(jìn)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]（鼓型鑄鋼節點(diǎn)1450，高700mm），而我國規程[4]規定：D≤60m，差距太大。

我國幾個(gè)大型場(chǎng)館采用屋蓋彎矩結構，用鋼量大（圖8b），如國家體育場(chǎng)，即鳥(niǎo)巢（Brid’s Nest）,采用平面桁架系結構^[18]，總耗鋼：4.1875萬(wàn)t^[6]~5.21萬(wàn)t，即用鋼量710~881kg/m²，理念是“無(wú)序就是藝術(shù)”，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、切割等復雜計算后成為屋蓋和墻體，創(chuàng )造了“簡(jiǎn)單問(wèn)題復雜化的建筑奇跡”；深圳大運會(huì )體育中心體育場(chǎng)，采用單層折面格柵懸臂彎矩結構，橢圓平面：285m×270m，由20個(gè)形狀相近的結構單元組成，單元挑出長(cháng)度51.9m~68.4m，鑄鋼結點(diǎn)多達7類(lèi)，總數7×20個(gè)=140個(gè)，鑄鋼總重0.42萬(wàn)t。肩谷結點(diǎn)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(wàn)t，創(chuàng )造了“荷載傳力路線(xiàn)最長(cháng)、鑄鋼結點(diǎn)最大”的世界建筑奇跡。

工程實(shí)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1963年美國教授司密斯（Smith M.G）對166個(gè)已建大跨度屋蓋（11種）進(jìn)行回歸分析^[24]，這種網(wǎng)殼結構用鋼量不超過(guò)80 kg/m²（圖10）；工程實(shí)例②：某房屋的一個(gè)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(jiàn)，設計是硬道理，“硬”設計就沒(méi)有道理!硬道理在哪里？就是結構工程師要利用力學(xué)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(wú)大用的!

20多年來(lái)，我與我的團隊對大跨度屋蓋結構和高層建筑結構進(jìn)行了比較系統的研究，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"歡迎大家轉摘！轉載須注明中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )建筑鋼結構網(wǎng)(www.canada-viagra.com)謝謝合作！"