一、概 述

　　在這實(shí)際的三維世界里,，任何結(jié)構(gòu)物本質(zhì)上都是空間性質(zhì)的,，只不過(guò)出于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和建造的目的，人們?cè)谠S多場(chǎng)合把它們分解成一片片平面結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行構(gòu)造和計(jì)算,。與此同時(shí),，無(wú)法進(jìn)行簡(jiǎn)單分解的真正意義上的空間體系也始終沒(méi)有停止其自身的發(fā)展，而且日益顯示出一般平面結(jié)構(gòu)無(wú)法比擬的豐富多彩和創(chuàng)造潛力,，體現(xiàn)出大自然的美麗和神奇,?？臻g結(jié)構(gòu)的卓越工作性能不僅僅表現(xiàn)在三維受力，而且還由于它們通過(guò)合理的曲面形體來(lái)有效抵抗外荷載的作用,。當(dāng)跨度增大時(shí),，空間結(jié)構(gòu)就愈能顯示出它們優(yōu)異的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。事實(shí)上,，當(dāng)跨度達(dá)到一定程度后,，一般平面結(jié)構(gòu)往往已難于成為合理的選擇。從國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐來(lái)看,，大跨度建筑多數(shù)采用各種形式的空間結(jié)構(gòu)體系,。

　　近二十余年來(lái)，各種類(lèi)型的大跨空間結(jié)構(gòu)在美,、日,、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展很快。建筑物的跨度和規(guī)模越來(lái)越大,，目前,，尺度達(dá)150m以上的超大規(guī)模建筑已非個(gè)別；結(jié)構(gòu)形式豐富多彩,，采用了許多新材料和新技術(shù),，發(fā)展了許多新的空間結(jié)構(gòu)形式。例如 1975年建成的美國(guó)新奧爾良“超級(jí)穹頂”（superdome）,，直徑207m,，長(zhǎng)期被認(rèn)為是世界上最大的球面網(wǎng)殼；現(xiàn)在這一地位已被1993年建成夏徑為222m的日本福岡體育館所取代,，但后者更著名的特點(diǎn)是它的可開(kāi)合性：它的球形屋蓋由三塊可旋轉(zhuǎn)的扇形網(wǎng)殼組成，扇形沿圓周導(dǎo)軌移動(dòng),，體育館即可呈全封閉,、開(kāi)啟1／3或開(kāi)啟2／3等不同狀態(tài)。1983年建成的加拿大卡爾加里體育館采用雙曲拋物面索網(wǎng)屋蓋,，其圓形平面直徑135m,，它是為1988年冬季奧運(yùn)會(huì)修建的，外形極為美觀(guān),，迄今仍是世界上最大的索網(wǎng)結(jié)構(gòu),。70年代以來(lái)，由于結(jié)構(gòu)使用織物材料的改進(jìn),，膜結(jié)構(gòu)或索-膜結(jié)構(gòu)（用索加強(qiáng)的膜結(jié)構(gòu)）獲得了發(fā)展,，美國(guó)建造了許多規(guī)模很大的氣承式索-膜結(jié)構(gòu)；1988年?yáng)|京建成的“后樂(lè)園”棒球館,，也采用這種結(jié)構(gòu)技術(shù)尤為先進(jìn),，其近似圓形平面的直徑為204m,；美國(guó)亞特蘭大為1996年奧運(yùn)會(huì)修建的“佐治亞穹頂”（geogia dome，1992年建成）采用新穎的整體張拉式索一膜結(jié)構(gòu),，其準(zhǔn)橢圓形平面的輪廓尺寸達(dá)192mx241m.許多宏偉而富有特色的大跨度建筑已成為當(dāng)?shù)氐南笳餍詷?biāo)志和著名的人文景觀(guān),。

　　由于經(jīng)濟(jì)和文化發(fā)展的需要，人們還在不斷追求覆蓋更大的空間,，例如有人設(shè)想將整個(gè)街區(qū),、整個(gè)廣場(chǎng)、甚至整個(gè)山谷覆蓋起來(lái)形成一個(gè)可人工控制氣候的人聚環(huán)境或休閑環(huán)境,；為了發(fā)掘和保護(hù)古代陵墓和重要古跡,，也有人設(shè)想采用超大跨度結(jié)構(gòu)物將其覆蓋起來(lái)形成封閉的環(huán)境。目前某些發(fā)達(dá)國(guó)家正在進(jìn)行尺度為300m以上的超大跨度空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案探討,。

　　可以這樣說(shuō),，大跨空間結(jié)構(gòu)是最近三十多年來(lái)發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)形式。國(guó)際《空間結(jié)構(gòu)》雜志主編馬考夫斯基（z.s.makowski）說(shuō)：在60年代“空間結(jié)構(gòu)還被認(rèn)為是一種興趣但仍屬陌生的非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),，然而今天已被全世界廣泛接受,。”從今天來(lái)看，大跨度和超大跨度建筑物及作為其核心的空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的

　　世界各國(guó)為大跨度空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展投入了大量的研究經(jīng)費(fèi),。例如,，早在20年前美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)曾組織了為期 10年的空間結(jié)構(gòu)研究計(jì)劃，投入經(jīng)費(fèi) 1550萬(wàn)美元,。同一時(shí)期,，西德由斯圖加特大學(xué)主持組織了一個(gè)“大跨度空間結(jié)構(gòu)綜合研究計(jì)劃”，每年研究經(jīng)費(fèi)100萬(wàn)馬克以上,。這些研究工作為各國(guó)大跨度建筑的蓬勃發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)條件,。國(guó)際殼體和空間結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)（iass）每年定期舉行年會(huì)和各種學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，是目前最受歡迎的著名學(xué)術(shù)團(tuán)體之一,。

　　我國(guó)大跨度空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)原來(lái)比較薄弱,，但隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)和社會(huì)發(fā)展的需要，近十余年來(lái)也取得了比較迅猛的發(fā)展,。工程實(shí)踐的數(shù)量較多,，空間結(jié)構(gòu)的類(lèi)型和形式逐漸趨向多樣化，相應(yīng)的理論研究和設(shè)計(jì)技術(shù)也逐步完善,。以北京亞運(yùn)會(huì)（1990）,、哈爾濱冬季亞運(yùn)會(huì)（1996）、上海八運(yùn)會(huì)（1997）的許多體育建筑為代表的一系列大跨空間結(jié)構(gòu)——作為我國(guó)建筑科技進(jìn)步的某種象征在國(guó)內(nèi)外都取得了一定影響,。

　　種種跡象說(shuō)明,，我國(guó)雖然尚是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，但由于國(guó)大人多,，隨著國(guó)力的不斷增強(qiáng),，要建造更多更大的體育,、休閑、展覽,、航空港,、機(jī)庫(kù)等大空間和超大空間建筑物的需求十分旺盛，而且這種需求量在一定程度上可能超過(guò)許多發(fā)達(dá)國(guó)家,。這是我國(guó)空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域面臨的巨大機(jī)遇,。

　　但與國(guó)際先進(jìn)水平相比，我國(guó)大跨空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展仍存在一定差距,。主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)形式還比較拘謹(jǐn),，較少大膽創(chuàng)新之作，說(shuō)明新穎的建筑構(gòu)思與先進(jìn)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)造之間尚缺乏理想的有機(jī)結(jié)合,，尤其是150m以上的超大跨度空間結(jié)構(gòu)的工程實(shí)踐還比較少,；結(jié)構(gòu)類(lèi)型相對(duì)地集中于網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，懸索結(jié)構(gòu)用得比較少,，而一些有巨大前景的新穎結(jié)構(gòu)形式如膜結(jié)構(gòu)和索-膜結(jié)構(gòu),、整體張拉結(jié)構(gòu)、可開(kāi)合結(jié)構(gòu)等在國(guó)外已有不少成功的工程實(shí)踐,，在我國(guó)則還處于空白或艱難起步階段,。情況看來(lái)是，我國(guó)空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)過(guò)十余年來(lái)在較為平坦的草原上的馳騁之后,，似乎遇上了一個(gè)需要努力躍上的新臺(tái)階,。這一新臺(tái)階包含材料和生產(chǎn)條件等技術(shù)問(wèn)題，也包含尚未很好解決的一些理論問(wèn)題,。為促進(jìn)我國(guó)空間結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的更高層次的發(fā)展,，有待科技工作者和企業(yè)家努力創(chuàng)造條件，以求得這些技術(shù)問(wèn)題和理論問(wèn)題較快較好地解決,。

　　大跨空間結(jié)構(gòu)的類(lèi)型和形式十分豐富多彩,，習(xí)慣上分為如下這些類(lèi)型：鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)；平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu),；網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；懸索結(jié)構(gòu),；膜結(jié)構(gòu)和索－膜結(jié)構(gòu),；近年來(lái)國(guó)外用的較多的“索穹頂”（cable dome）實(shí)際上也是一種特殊形式的索－膜結(jié)構(gòu)；混合結(jié)構(gòu)（hybrid structure）,，通常是柔性構(gòu)件和剛性構(gòu)件的聯(lián)合應(yīng)用,。

　　整體設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)體系的選擇,，柱網(wǎng)的布置，梁的布置,，剪力墻的分布,，基礎(chǔ)的選型等。

　　整體設(shè)計(jì)一般分主體和基礎(chǔ)兩部分進(jìn)行,。設(shè)計(jì)人員根據(jù)建筑物的性質(zhì),、高度、重要程度,、當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防列度,、風(fēng)力情況等條件來(lái)選擇合適的結(jié)構(gòu)體系。是采用磚混結(jié)構(gòu),、框架結(jié)構(gòu),、框剪結(jié)構(gòu)、框支結(jié)構(gòu),、筒體,，還是巨型框架……選定結(jié)構(gòu)體系后，就要具體決定柱,、梁,、墻（剪力墻）的分布和尺寸等,。

　　在進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算后，主體結(jié)構(gòu)底截面的內(nèi)力成了基礎(chǔ)選型和計(jì)算的重要依據(jù),。內(nèi)力計(jì)算一般盡量簡(jiǎn)化為平面體系來(lái)計(jì)算,，但有時(shí)必須采用空間受力體系來(lái)計(jì)算。無(wú)論怎樣,，內(nèi)力計(jì)算最終是對(duì)柱,、梁、板,、墻（剪力墻）和塊體這五種部件的計(jì)算,。也就是說(shuō)，進(jìn)行整體設(shè)計(jì)后,，就要進(jìn)行部件設(shè)計(jì),。梁和柱一般可看作細(xì)長(zhǎng)桿件，內(nèi)力情況與計(jì)算體系相符合,。單向板可簡(jiǎn)化為單位寬度的梁來(lái)計(jì)算,，雙向板的計(jì)算理論也較成熟，異型板的計(jì)算就較為復(fù)雜,，應(yīng)盡量避免,。對(duì)于單片的剪力墻，一般把它視作薄壁柱來(lái)近似計(jì)算,，有時(shí)要考慮翼緣的作用,；對(duì)于筒體結(jié)構(gòu)中的剪力墻則要用空間力學(xué)的方法來(lái)計(jì)算。塊體不同于梁,、柱,、板、墻,，它在空間三個(gè)方向的尺寸都比較大,，難以視作細(xì)長(zhǎng)桿件或簡(jiǎn)化為平面體系來(lái)計(jì)算。如單獨(dú)基礎(chǔ),，樁的承臺(tái),，深梁都是塊體，受力情況很復(fù)雜,，難以精確分析,，所以在計(jì)算中往往加大安全系數(shù)，以策安全,。

　　目前國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所用的設(shè)計(jì)方法是概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，作用效應(yīng)S必須小于等于結(jié)構(gòu)抗力R,，結(jié)構(gòu)要滿(mǎn)足強(qiáng)度條件和位移條件,。內(nèi)力計(jì)算采用的力學(xué)模型一般是彈性模型,，要考慮塑性變形內(nèi)力重分布時(shí)，往往是把利用彈性模型計(jì)算所得的內(nèi)力乘以一個(gè)調(diào)整系數(shù),。

　　手算和計(jì)算機(jī)算所采用的計(jì)算方法,、理論、計(jì)算模型是有差別的,。結(jié)構(gòu)計(jì)算的工作量是很大的,，采用手算時(shí)要在工作量和計(jì)算精度之間折衷。手算為降低工作量,，受力體系盡量簡(jiǎn)化為平面力系,，計(jì)算中作一些假設(shè)，利用經(jīng)驗(yàn)值和查用圖表,。但隨著高層,、超高層建筑的日益增多，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,，抗震要求越來(lái)越高,，手算的工作量和計(jì)算精度難以滿(mǎn)足要求，計(jì)算機(jī)已被大量利用到結(jié)構(gòu)計(jì)算中來(lái),。計(jì)算機(jī)的工作量和速度非人所及,，機(jī)算采用更科學(xué)、精度更高的計(jì)算方法,，機(jī)算的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了手算,。要充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算,，需要優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)計(jì)算程序,。這些程序一般以空間力系作計(jì)算模型，以有限元的方法計(jì)算,。例如著名的TBSA的計(jì)算模型是空間桿件體系,。要編寫(xiě)優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)計(jì)算程序，開(kāi)發(fā)人員除了必須具備編程技巧外,，還要掌握科學(xué)的先進(jìn)的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法,。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員也應(yīng)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)所用的計(jì)算理論，不應(yīng)只停留在會(huì)用結(jié)構(gòu)計(jì)算程序,，而不知所以然,。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序的出現(xiàn)并沒(méi)有降低對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求，相反,，它要求設(shè)計(jì)人員學(xué)習(xí)更先進(jìn)的計(jì)算理論,。目前結(jié)構(gòu)計(jì)算程序有一個(gè)弊端：就是計(jì)算過(guò)程的屏蔽。使用者只管輸入數(shù)據(jù)和會(huì)看結(jié)果，對(duì)計(jì)算過(guò)程一無(wú)所知,，不知道計(jì)算是建立在什么基礎(chǔ)上,，不知道適用范圍，這是潛在的危險(xiǎn),。一個(gè)優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)計(jì)算程序還應(yīng)該提供程序采用的計(jì)算理論的詳細(xì)說(shuō)明,，說(shuō)明其采用的計(jì)算模型、計(jì)算假設(shè),、適用范圍等,，另外應(yīng)允許使用者干預(yù)計(jì)算過(guò)程，充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的主觀(guān)能動(dòng)性和創(chuàng)造力,。

　　結(jié)構(gòu)計(jì)算理論經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)估算,，容許應(yīng)力法，破損階段計(jì)算,，極限狀態(tài)計(jì)算,，到目前普遍采用的概率極限狀態(tài)理論等階段。

　　概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法更科學(xué),、更合理,。作用效應(yīng)S小于等于結(jié)構(gòu)抗力R是結(jié)構(gòu)計(jì)算的普遍適用公式。目前結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)似乎只關(guān)注如何提高結(jié)構(gòu)抗力R,，以至混凝土的等級(jí)越用越高,，配筋量越來(lái)越大，造價(jià)越來(lái)越高,。我把提高抗力R的設(shè)計(jì)方法稱(chēng)之為被動(dòng)設(shè)計(jì)法,。以抗震設(shè)計(jì)為例，一般是根據(jù)初定的尺寸,、砼等級(jí)算出結(jié)構(gòu)的剛度,，再由結(jié)構(gòu)剛度算出地震力，然后算配筋,。但是大家知道,，結(jié)構(gòu)剛度越大，地震作用效應(yīng)越大,，配筋越多,，剛度越大，地震力就越強(qiáng),。這樣便會(huì)出現(xiàn)為抵御地震而配的鋼筋,，因?yàn)樵黾恿私Y(jié)構(gòu)的剛度反而使地震作用效應(yīng)增強(qiáng)的情況。其實(shí),，為什么不考慮降低作用效應(yīng)S呢,？我把降低作用效應(yīng)S的設(shè)計(jì)方法稱(chēng)之為主動(dòng)設(shè)計(jì)法,。國(guó)外在抗震設(shè)計(jì)中，已有在基礎(chǔ)與主體之間設(shè)一彈性層,，以降低地震作用效應(yīng)的設(shè)計(jì),；有的在建筑物頂部裝一個(gè)“反擺”，地震時(shí)它的位移方向與建筑物頂部的位移相反,，從而對(duì)建筑物的振動(dòng)產(chǎn)生阻尼作用，減少建筑物的位移,，降低地震作用效應(yīng),。國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)以被動(dòng)設(shè)計(jì)為主，當(dāng)然也有主動(dòng)設(shè)計(jì),，如設(shè)置“塑性鉸” .我認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該被動(dòng)設(shè)計(jì)與主動(dòng)設(shè)計(jì)相結(jié)合,，但要實(shí)現(xiàn)主動(dòng)設(shè)計(jì)需要先進(jìn)理論和高科技的支持。隨著社會(huì)的需求,，計(jì)算理論的發(fā)展,，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，新型建材的研究與應(yīng)用,，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將面臨前所未有的機(jī)遇,。

　　最后，我想大膽的預(yù)測(cè)今后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方向——概念設(shè)計(jì)將發(fā)揮越來(lái)越大的作用,。

　　概念設(shè)計(jì)是指正確的解決總體方案,、材料使用和細(xì)部構(gòu)造，以達(dá)到合理抗震設(shè)計(jì)的目的,。概念設(shè)計(jì)是根據(jù)抗震設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,，難以精確計(jì)算而提出來(lái)的一種從宏觀(guān)上實(shí)現(xiàn)合理抗震，避免無(wú)必要的繁瑣計(jì)算,，同時(shí)為抗震計(jì)算創(chuàng)造有利條件,，使計(jì)算分析結(jié)果更能反映地震時(shí)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的實(shí)際情況的設(shè)計(jì)方法。采用先進(jìn)的計(jì)算理論,?？臻g受力分析，非彈性變形分析,，塑性?xún)?nèi)力分析,，由加載到破壞的全過(guò)程受力分析，時(shí)程分析,，最優(yōu)化設(shè)計(jì),，方案優(yōu)化等先進(jìn)科學(xué)的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)理論將得到越來(lái)越多的應(yīng)用,。