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1、-.z.从世界杯看现代空间结构的应用和发展 论文作者：刘炜（城市规划 0301 *03001420）摘要四年一度的世界杯足球赛在德国开幕了，万众瞩目。德国作为东道主其体育场馆都采用了空间结构。让我们在欣赏世界杯精彩赛事的同时也来了解下空间结构的形式和特点，并结合世界杯球场对现代空间结构的相关内容分别进行论述，从中了解现代空间结构的发展历程、技术特点、科研状况以及工程应用等。了解国内外应用和发展情况，看出我国与世界领先水平的差距，一方面让球迷们了解自己喜爱的球队所比赛的球场，另一方面也给我国工程技术人员提出新的挑战。关键词世界杯球场 现代空间结构 应用和发展 空间结构是指结构的形态呈三维状态，在
2、荷载作用下具有三维受力特性并呈空间工作的结构。结构形式主要包括网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构、薄壳结构等五大空间结构及各类组合空间结构。形态各异的空间结构在体育场馆、会展中心、影剧院、大型商场、工厂车间等建筑中得到了广泛的应用。平板网架、网壳以及悬索结构等空间结构在我国得到了广泛的应有，已为人们所熟悉。空间结构与平面结构相比具有很多独特的优点，国内外应用非常广泛。特别是近年来，人们生活水平不断提高，工业生产、文化、体育等事业不断进步，大大增强了社会对空间结构尤其是大跨度高性能空间结构的需求。而计算理论的日益完善以及计算机技术的飞速发展使得对任何极其复杂的三维结构的分析与设计成为可能。这些
3、正是空间结构能够扩大应用范围得以蓬勃发展的主要因素。现代空间结构的发展是日新月异，新型的空间结构形式也随之出现。目前空间结构向着轻量、大跨方向发展，这种发展趋势要求必须千方百计降低结构自重，降低结构自重的途径一方面是研制运用轻质高强的新型建筑材料，另一方面是研究开发合理的结构形式。结构受拉部位采用膜材或钢索，受压部分采用钢或铝合金构件，这样膜、索、杆结合使用，形成杂交结构，可望实现理想的轻量大跨结构。另外适应全天候气候条件的开合结构、施工便捷的折叠结构，以及外观华丽的玻璃结构等也都属于现代空间结构新发展的课题，国外已有很多的工程应用。世界杯赛场上的大部份球场就是采用了我上面提到的杂交结构。下面
4、让我们走进世界杯，走进世界杯赛场。1 网架结构 由多根杆件按照*种规律的几何图形通过节点连接起来的空间结构称之为网格结构，其中双层或多层平板形网格结构称为网架结构或网架。它通常是采用钢管或型钢材料制作而成。网架结构的形式：（1）平面桁架系组成的网架结构。主要有：两向正交正放网架、两向斜交斜放网架、两向正交斜放网架、三向网架等型式。（2）四角锥体组成的网架结构。主要有：正放四角锥网架、斜放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、棋盘形四角锥网架、星型四角锥网架、单向折线型网架等型式。（3）三角锥组成的网架结构。主要有：三角锥网架、抽空三角锥网架（分型和型）、蜂窝形三角锥网架等型式。（4）六角锥体组成的网
5、架结构。主要形式有：正六角锥网架。网架结构的主要特点：空间工作，传力途径简捷；重量轻、刚度大、抗震性能好；施工安装简便；网架杆件和节点便于定型化、商品化、可在工厂中成批生产，有利于提高生产效率；网架的平面布置灵活，屋盖平整，有利于吊顶、安装管道和设备；网架的建筑造型轻巧、美观、大方，便于建筑处理和装饰。德国的盖尔森基兴的傲赴沙尔克体育场是欧足联评出的唯一五星级球场建于 2002 年可-.z.容纳 6 万人，却没有一个视觉死角，移动草坪，可闭合屋顶。令人瞠舌的纯粹高科技:在浇水时球场草地可以移出球场，场顶可关闭，南看台可移动。（如图一、图二）图一：图二：位于纽伦堡的法兰克人世界杯球场，也有能开合
6、的顶棚，和玻璃网架结构。主看台一侧的地面部分被改造为 300 平米的混合区，主看台为三层 VIP 包厢和提供给媒体报道的转播区。（如图三）图三：图四：玻璃结构的应用，是现代空间结构的发展方向之一。在一般人眼里玻璃是一种纤薄易碎的东西，很难与硕大的承重结构联系起来。事实上虽然玻璃在力学性能上有一定的局限性，但如果对其设计合理，扬长避短，用于建筑结构会取得意想不到的效果。透明或半透明是玻璃的最主要也是最显著的特征，因此玻璃结构一般明亮华丽，从采光这个角度上说，这也是一种节能结构。玻璃在力学性能上有点像混凝土，是一种脆性材料，抗压性能好、抗拉性能差，应力应变关系表现为线性，弹性模量在 70-73GP
7、a 之间，约为钢材弹性模量的三分之一。玻璃的强重比要优于普通钢材，玻璃结构能给人一种轻巧的感觉。玻璃的热膨胀系数为 910-6，与钢材的相近，这使得钢材和玻璃能够用于同一结构，发挥各自特长。玻璃的耐腐蚀性能很强，可抵抗强酸的侵蚀，因此玻璃结构的防腐费用较低。因此越来越多的建筑师和结构工程师在工程中利用玻璃来实现建筑物更亮、更轻、更美的高科技效果，增强城市的现代化气息。结构用玻璃主要类型有：退火玻璃、夹丝玻璃、钢化玻璃以及淬火玻璃等。通过对这几种玻璃的再次加工可得到一些特殊用途的玻璃，如夹层玻璃、隔热、隔声玻璃等。由于力学上的局限性，玻璃在结构中一般与钢、铝等抗拉材料共同工作，因此玻璃结构设计的
8、关键是通过一定的结构及构造形式来发挥不同材料各自的受力特长，以求得合理的设计。最简单也是最常用的方案是采用钢或铝合金框架来镶嵌玻璃幕。这样做可通过金属框架来分割整个玻璃幕，使得每块玻璃面积不致太大，从而保证玻璃板的面外刚度。显然整个幕墙因为被不透明的金属框分割而变得不连续，影响了建筑效果。玻璃结构发展的最新技术就是去掉这些金属框架，保持玻璃幕的连续性。这种结构用玻璃板代替了张拉整体体系中的压杆，为增强整个结构的刚度，减小结构的变形，用有一定刚度的杆件代替拉索。整个玻璃幕仍然是由若干块玻璃拼成，只是玻璃之间不再通过金属框架连接，而是由位于平面外的专用连接件直接对接，连接件与玻璃幕之间可以栓接也可
9、粘接。凯泽斯劳腾的弗里茨瓦尔特球场，则是玻璃结构和平板网架结构的混合（如图五）图五：莱比锡中央球场和柏林的奥林匹克球场都是才用的空间网架结构。莱比锡中央体育场在原先可容纳 10 万人的旧中央体育场围墙内新建一个专用足球场，并于 2004 年年初竣工，建成后的场馆总容量为 44199 人(其中坐席数 38898 个)。从远处看去，莱比锡中央体育场犹如一个火山口。（如图六、图七）图六：图七：柏林的奥林匹克球场，是本届世界杯足球赛决赛的比赛场地。其结构之美和艺术性自然不用多说。（如图八）图八：折板式网架结构、多平面型网架结构、多层多跨框架式网架结构等，总起来可称为空间网格结构。与国际水平相比，我国目
10、前网架生产的工艺水平和质量管理水平尚有一定距离。-.z.尤其是在市场需求带动下，大量小型网架企业雨后春笋般成立起来，难免良莠不齐，设计也非总由有经验人士担任。因而大力加强行业管理，切实把握住设计制作和安装质量，是促进我国空间结构进一步健康发展的重要课题。张力结构 悬索结构、膜结构和索-膜结构等柔性体系均以张力来抵抗外荷载的作用，可总称为张力结构。膜结构也称为织物结构，是 20 世纪中叶发展起来的一种新型大跨度空间结构形式。它以性能优良的柔软织物为材料，由膜内空气压力支承膜面，或利用柔性钢索或刚性支承结构使膜产生一定的预张力，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。膜结构所用膜材料由基布
11、和涂层两部分组成。（如图）图：基布主要采用聚酯纤维和玻璃纤维材料；涂层材料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。常用膜材为聚酯纤维覆聚氯乙烯（PVC）和玻璃纤维覆聚聚四氟乙烯（Teflon）。PVC 材料的主要特点是强度低、弹性大、易老化、徐变大、自洁性差，但价格便宜，容易加工制作，色彩丰富，抗折叠性能好。为改善其性能，可在其表面涂一层聚四氟乙烯涂层，提高其抗老化和自洁能力，其寿命可达到 15 年左右。Teflon 材料强度高、弹性模量大、自洁、耐久耐火等性能好，但它价格较贵，不易折叠，对裁剪制作精度要求较高，寿命一般在 30 年以上，适用于永久建筑。膜结构的主要形式：主要有空气支承膜结构；张拉式膜结构；
12、骨架支承膜结构等形式。膜结构主要特点：自重轻、跨度大；建筑造型自由丰富；施工方便；具有良好的经济性和较高的安全性；透光性和自结性好；耐久性较差。悬索结构是以能受拉的索作为基本承重构件，并将索按照一定规律布置所构成的一类结构体系，悬索屋盖结构通常由悬索系统，屋面系统和支撑系统三部分构成。用于悬索结构的钢索大多采用由高强钢丝组成的平行钢丝束，钢绞线或钢缆绳等，也可采用圆钢、型钢、带钢或钢板等材料。悬索结构形式：悬索结构按索的布置方向和层数分为：单向单层悬索结构；辐射式单层悬索结构；双向单层悬索结构；单向双层预应力悬索结构；辐射式预应力悬索结构；双向双层预应力悬索结构；预应力索网结构等。悬索结构的特
13、点：悬索结构的受力特点是仅通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用，结构中不出现弯距和剪力效应，可充分利用钢材的强度；悬索结构形式多样，布置灵活，并能适应多种建筑平面；由于钢索的自重很小，屋盖结构较轻，安装不需要大型起重设备，但悬索结构的分析设计理论与常规结构相比，比较复杂，限制了它的广泛应用。索-膜结构自 80 年代以来在发达国家获得极大发展。这种体系与索网结构类似，张紧在刚性或柔性边缘构件上，或通过特殊构造支承在若干独立支点上，通过张拉建立预应力，并获得确定形状。1993 年建成的美国丹佛国际机场候机大厅采用完全封闭的张拉式膜结构平面尺寸 305m*67m，由 17 个连成一排的双支柱帐篷式单元
14、组成，每个长条形的单元由相距45.7m 的两根支柱撑起。这两个工程是比较典型的大型张拉式膜结构的例子。另外还有一类骨架支承式膜结构。在德国的世界杯球场很多采用了上面提到的张力结构，如斯图加特的高特里普.戴姆勒球场，由聚酯织物构成的波浪起伏的顶棚，配之以精美的结构与花纹，达到了古典美与现代美的巧妙融合。（如图九）图九：法兰克福的法兰克福森林球场，该球场拥有 43324 个座位，为了本届世界杯该球场进行了重行修整，并建成了很有特色的半透明顶棚。（如图十）它们都是采用的膜结构。-.z.图十：还有汉堡的汉堡 AOL 球场，投资总额：.亿欧元，总容量：人，座位数：人，同样采用了轻盈的膜结构。（如图十一）
15、图十一：而多特蒙德采用的是我国涉及很少的的索-膜结构。其看台挑蓬由 8 个连在一起的形状相同的单支柱帐篷式膜结构单元组成。每个单元围绕于中央，外缘通过边缘索张紧在若干独立的锚固装置上，内缘则蹦紧在直径为 133m 的中央环索上。（如图十二）图十二：张拉整体结构 不知道是把幕尼黑安联竞技球场算到张拉整体结构范畴里好，还是应该是张拉整体膜结构更加准确吧。它由 2874 个菱形特制塑膜构成的球状外观不仅具有超强的防火和防水功效，而且还能在夜间折射出白、蓝、红三色，分别代表着德国国家队、1860、拜仁三个深受慕尼黑球迷喜爱的球队标志色，为晚间前来观看比赛的各地球迷指引方向。每片塑膜边长各约 4 米左右
16、，在各种天气条件下都能起到很好的防护作用，这种塑膜结构质地看似柔软实则坚韧耐用，为了更好的维护球场外观，工作人员都有定期的修护（如图十三、十四、十五、十六）图十三：安联球场剖面设计图 图十四：图十五：内景图 图片十六：外观图“张拉整体”概念是美国著名建筑师富勒（RBFuller）的发明，它是“张拉”（tensile）和“整体”（integrity）的缩合。这概念的产生受到了大自然的启发。富勒认为宇宙的运行是按照张拉整体的原理进行的，即万有引力是一个平衡的张力网，而各个星球是这个网中的一个个孤立点。按照这个思想，张拉整体结构可定义为一组不连续的受压构件与一套连续的受拉单元组成的自支承、自应力的空
17、间网格结构。这种结构的刚度由受拉和受压单元之间的平衡预应力提供，在施加预应力之前，结构几乎没有刚度，并且初始预应力的大小对结构的外形和结构的刚度起着决定性作用。由于张拉整体结构固有的符合自然规律的特点，最大限度地利用了材料和截面的特性，可以用尽量少的钢材建造超大跨度建筑。张拉整体结构的几何形状同时依赖于构件的初始几何形状、关联结构（拓扑）及形成一定刚度的自应力的存在。另外这种结构在外力作用下的变形（与自应力的效果不同）也提出了其它结构问题，首先它属于临界类体系，结构在外荷载过程中刚度不断发生变化，传力途径也就随之改变；其次这种结构只能在考虑了几何非线性甚至材料非线性时才能分析。斯耐尔森的极具艺
18、术性的雕塑是体现富勒张拉整体思想的最早尝试。在这之后富勒、埃墨瑞赤、瓦尔耐(O.Vilnay)、莫特罗(R.Motro)、汉纳(A.Hanaor)等创造了多种张拉整体结构体系。目前在世界很多地方都建造了艺术品性质的张拉整体结构，如法国的公园雕塑、华沙国际建筑联合会前的自张拉空间填充体、荷兰国家博物馆前覆盖的四棱柱张拉整体单体以及 1958 年富勒为布鲁塞尔博览会设计的一个有表现力的张拉整体桅杆等。除此之外，汉诺威的球场也采用了张拉整体结构。汉诺威球场于 2004 年 12 月改造完成，球场在举行的德甲比赛时，可以容纳 50，000 名观众，球场最大的特色是它那个重达 2，500 吨的顶棚，位于
19、草皮上方的顶棚含有防紫外线的铝箔，它可以保证草皮随时处于一种理想的状态。（如图十七）图十七：因为还没有完全实现结构自支承、自应力的原则，离开下部受压环梁则不能成应。彻底意义上的大跨度张拉整体结构还没有建成，因此对于张拉整体结构无论在理论分析方面还是-.z.施工技术及建筑材料方面都还有很多工作要做。至此，世界杯个足球赛场的空间结构应用情况大概介绍完了，很多问题谈得不具体。对于空间结构来说远远不止我上面提到的那些，有些场馆也不能算是纯粹的我说的那种空间结构，多是混合方式。比如说还有开合结构，混合结构，和折叠结构等等，其都已经应用在现在为大家所熟知的建筑上了，在这里我就不一一的敖述了。空间结构还有一
20、个发展趋势是从较重的屋盖向轻型屋盖体系发展，从刚性结构体系向柔性体系发展。由早期的薄壳结构、网架结构、网壳结构和悬索结构发展到各种组合结构（如组合网格结构）、杂交结构（如斜拉网格结构、预应力网格结构等）和以索膜等柔性材料为特征的新型预张力结构；由单一的结构形式发展到各种结构形式的合理组合。总结：从看世界杯激烈精彩的比赛，到看德国世界杯宏大雄伟的球场，我们究竟看到了什么.看到球员的拼搏精神，看到了精彩的建筑理念和设计手法，高超的工程技术成果，我们也看出了我国在空间结构的前沿领域与世界发达国家差距还很大。我国的科研人员应该认清形势，刻苦钻研，愤起直追，为人类做贡献。我们做为学生，也同样要好好学习，
21、剔除糟粕，取其精华，为国争光。本文很多理论性的资料多来自于别人的成果和自己平时对结构的一些看法和理解。由于水平有限，所以说辞，多有偏颇。请老师多指正！谢谢老师的教导。参考资料：1 刘锡良 现代空间结构的新发展 来于网络 2 刘锡良，陈志华一种新型空间结构张拉整体结构体系土木工程学报 3 严慧 我国大跨度空间钢结构应用发展的主要特点 来于网络 4 蓝天空间钢结构的应用与发展 建筑结构学报 5 钱若军 杨联萍 张力结构的分析。设计。施工 6 何文波 简述大跨度空间结构的主要形式及特点 7 沈世钊 大跨空间结构的发展回顾与展望.土木工程学报 8 蓝天 空间结构的十年从中国看世界.第六届空间结构学术会议论文集 9 刘德明 梅季魁 姚亚雄 大跨建筑结构构思与结构选型 10 沈祖炎 陈扬骥 网架与网壳 11 太原晚报 世界杯观战手册 12 新浪网体育频道 世界杯专题报道 13 网易 世界杯比赛场馆探秘