一、概 述
在這實際的三維世界里，任何結構物本質(zhì)上都是空間性質(zhì)的，只不過出于簡化設計和建造的目的，人們在許多場合把它們分解成一片片平面結構來進行構造和計算。與此同時，無法進行簡單分解的真正意義上的空間體系也始終沒有停止其自身的發(fā)展，而且日益顯示出一般平面結構無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結構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合理的曲面形體來有效抵抗外荷載的作用。當跨度增大時，空間結構就愈能顯示出它們優(yōu)異的技術經(jīng)濟性能。事實上，當跨度達到一定程度后，一般平面結構往往已難于成為合理的選擇。從國內(nèi)外工程實踐來看，大跨度建筑多數(shù)采用各種形式的空間結構體系。
近二十余年來，各種類型的大跨空間結構在美、日、歐等發(fā)達國家發(fā)展很快。建筑物的跨度和規(guī)模越來越大，目前，尺度達150m以上的超大規(guī)模建筑已非個別；結構形式豐富多彩，采用了許多新材料和新技術，發(fā)展了許多新的空間結構形式。例如 1975年建成的美國新奧爾良“超級穹頂”（superdome），直徑207m，長期被認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是它的可開合性：它的球形屋蓋由三塊可旋轉的扇形網(wǎng)殼組成，扇形沿圓周導軌移動，體育館即可呈全封閉、開啟1／3或開啟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年冬季奧運會修建的，外形極為美觀，迄今仍是世界上最大的索網(wǎng)結構。70年代以來，由于結構使用織物材料的改進，膜結構或索-膜結構（用索加強的膜結構）獲得了發(fā)展，美國建造了許多規(guī)模很大的氣承式索-膜結構；1988年東京建成的“后樂園”棒球館，也采用這種結構技術尤為先進，其近似圓形平面的直徑為204m；美國亞特蘭大為1996年奧運會修建的“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構，其準橢圓形平面的輪廓尺寸達192mx241m.許多宏偉而富有特色的大跨度建筑已成為當?shù)氐南笳餍詷酥竞椭娜宋木坝^。
由于經(jīng)濟和文化發(fā)展的需要，人們還在不斷追求覆蓋更大的空間，例如有人設想將整個街區(qū)、整個廣場、甚至整個山谷覆蓋起來形成一個可人工控制氣候的人聚環(huán)境或休閑環(huán)境；為了發(fā)掘和保護古代陵墓和重要古跡，也有人設想采用超大跨度結構物將其覆蓋起來形成封閉的環(huán)境。目前某些發(fā)達國家正在進行尺度為300m以上的超大跨度空間結構的設計方案探討。
可以這樣說，大跨空間結構是最近三十多年來發(fā)展最快的結構形式。國際《空間結構》雜志主編馬考夫斯基（z.s.makowski）說：在60年代“空間結構還被認為是一種興趣但仍屬陌生的非傳統(tǒng)結構，然而今天已被全世界廣泛接受。”從今天來看，大跨度和超大跨度建筑物及作為其核心的空間結構技術的
世界各國為大跨度空間結構的發(fā)展投入了大量的研究經(jīng)費。例如，早在20年前美國土木工程學會曾組織了為期 10年的空間結構研究計劃，投入經(jīng)費 1550萬美元。同一時期，西德由斯圖加特大學主持組織了一個“大跨度空間結構綜合研究計劃”，每年研究經(jīng)費100萬馬克以上。這些研究工作為各國大跨度建筑的蓬勃發(fā)展奠定了堅實的理論基礎和技術條件。國際殼體和空間結構學會（iass）每年定期舉行年會和各種學術交流活動，是目前最受歡迎的著名學術團體之一。
我國大跨度空間結構的基礎原來比較薄弱，但隨著國家經(jīng)濟實力的增強和社會發(fā)展的需要，近十余年來也取得了比較迅猛的發(fā)展。工程實踐的數(shù)量較多，空間結構的類型和形式逐漸趨向多樣化，相應的理論研究和設計技術也逐步完善。以北京亞運會（1990）、哈爾濱冬季亞運會（1996）、上海八運會（1997）的許多體育建筑為代表的一系列大跨空間結構——作為我國建筑科技進步的某種象征在國內(nèi)外都取得了一定影響。
種種跡象說明，我國雖然尚是一個發(fā)展中國家，但由于國大人多，隨著國力的不斷增強，要建造更多更大的體育、休閑、展覽、航空港、機庫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許多發(fā)達國家。這是我國空間結構領域面臨的巨大機遇。
但與國際先進水平相比，我國大跨空間結構的發(fā)展仍存在一定差距。主要表現(xiàn)在結構形式還比較拘謹，較少大膽創(chuàng)新之作，說明新穎的建筑構思與先進的結構創(chuàng)造之間尚缺乏理想的有機結合，尤其是150m以上的超大跨度空間結構的工程實踐還比較少；結構類型相對地集中于網(wǎng)架和網(wǎng)殼結構，懸索結構用得比較少，而一些有巨大前景的新穎結構形式如膜結構和索-膜結構、整體張拉結構、可開合結構等在國外已有不少成功的工程實踐，在我國則還處于空白或艱難起步階段。情況看來是，我國空間結構的發(fā)展經(jīng)過十余年來在較為平坦的草原上的馳騁之后，似乎遇上了一個需要努力躍上的新臺階。這一新臺階包含材料和生產(chǎn)條件等技術問題，也包含尚未很好解決的一些理論問題。為促進我國空間結構進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，以求得這些技術問題和理論問題較快較好地解決。
大跨空間結構的類型和形式十分豐富多彩，習慣上分為如下這些類型：鋼筋混凝土薄殼結構；平板網(wǎng)架結構；網(wǎng)殼結構；懸索結構；膜結構和索－膜結構；近年來國外用的較多的“索穹頂”（cable dome）實際上也是一種特殊形式的索－膜結構；混合結構（hybrid structure），通常是柔性構件和剛性構件的聯(lián)合應用。
整體設計包括結構體系的選擇，柱網(wǎng)的布置，梁的布置，剪力墻的分布，基礎的選型等。
整體設計一般分主體和基礎兩部分進行。設計人員根據(jù)建筑物的性質(zhì)、高度、重要程度、當?shù)氐目拐鹪O防列度、風力情況等條件來選擇合適的結構體系。是采用磚混結構、框架結構、框剪結構、框支結構、筒體，還是巨型框架……選定結構體系后，就要具體決定柱、梁、墻（剪力墻）的分布和尺寸等。
在進行主體結構內(nèi)力計算后，主體結構底截面的內(nèi)力成了基礎選型和計算的重要依據(jù)。內(nèi)力計算一般盡量簡化為平面體系來計算，但有時必須采用空間受力體系來計算。無論怎樣，內(nèi)力計算最終是對柱、梁、板、墻（剪力墻）和塊體這五種部件的計算。也就是說，進行整體設計后，就要進行部件設計。梁和柱一般可看作細長桿件，內(nèi)力情況與計算體系相符合。單向板可簡化為單位寬度的梁來計算，雙向板的計算理論也較成熟，異型板的計算就較為復雜，應盡量避免。對于單片的剪力墻，一般把它視作薄壁柱來近似計算，有時要考慮翼緣的作用；對于筒體結構中的剪力墻則要用空間力學的方法來計算。塊體不同于梁、柱、板、墻，它在空間三個方向的尺寸都比較大，難以視作細長桿件或簡化為平面體系來計算。如單獨基礎，樁的承臺，深梁都是塊體，受力情況很復雜，難以精確分析，所以在計算中往往加大安全系數(shù)，以策安全。
目前國內(nèi)結構設計所用的設計方法是概率極限狀態(tài)設計法，作用效應S必須小于等于結構抗力R，結構要滿足強度條件和位移條件。內(nèi)力計算采用的力學模型一般是彈性模型，要考慮塑性變形內(nèi)力重分布時，往往是把利用彈性模型計算所得的內(nèi)力乘以一個調(diào)整系數(shù)。
手算和計算機算所采用的計算方法、理論、計算模型是有差別的。結構計算的工作量是很大的，采用手算時要在工作量和計算精度之間折衷。手算為降低工作量，受力體系盡量簡化為平面力系，計算中作一些假設，利用經(jīng)驗值和查用圖表。但隨著高層、超高層建筑的日益增多，結構越來越復雜，抗震要求越來越高，手算的工作量和計算精度難以滿足要求，計算機已被大量利用到結構計算中來。計算機的工作量和速度非人所及，機算采用更科學、精度更高的計算方法，機算的能力遠遠超出了手算。要充分發(fā)揮計算機的優(yōu)勢，進行合理的結構內(nèi)力計算，需要優(yōu)秀的結構計算程序。這些程序一般以空間力系作計算模型，以有限元的方法計算。例如著名的TBSA的計算模型是空間桿件體系。要編寫優(yōu)秀的結構計算程序，開發(fā)人員除了必須具備編程技巧外，還要掌握科學的先進的結構計算方法。作為結構設計人員也應學習計算機所用的計算理論，不應只停留在會用結構計算程序，而不知所以然。結構設計程序的出現(xiàn)并沒有降低對設計人員的要求，相反，它要求設計人員學習更先進的計算理論。目前結構計算程序有一個弊端：就是計算過程的屏蔽。使用者只管輸入數(shù)據(jù)和會看結果，對計算過程一無所知，不知道計算是建立在什么基礎上，不知道適用范圍，這是潛在的危險。一個優(yōu)秀的結構計算程序還應該提供程序采用的計算理論的詳細說明，說明其采用的計算模型、計算假設、適用范圍等，另外應允許使用者干預計算過程，充分發(fā)揮設計者的主觀能動性和創(chuàng)造力。
結構計算理論經(jīng)歷了經(jīng)驗估算，容許應力法，破損階段計算，極限狀態(tài)計算，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)設計法更科學、更合理。作用效應S小于等于結構抗力R是結構計算的普遍適用公式。目前結構計算理論的研究和結構設計似乎只關注如何提高結構抗力R，以至混凝土的等級越用越高，配筋量越來越大，造價越來越高。我把提高抗力R的設計方法稱之為被動設計法。以抗震設計為例，一般是根據(jù)初定的尺寸、砼等級算出結構的剛度，再由結構剛度算出地震力，然后算配筋。但是大家知道，結構剛度越大，地震作用效應越大，配筋越多，剛度越大，地震力就越強。這樣便會出現(xiàn)為抵御地震而配的鋼筋，因為增加了結構的剛度反而使地震作用效應增強的情況。其實，為什么不考慮降低作用效應S呢？我把降低作用效應S的設計方法稱之為主動設計法。國外在抗震設計中，已有在基礎與主體之間設一彈性層，以降低地震作用效應的設計；有的在建筑物頂部裝一個“反擺”，地震時它的位移方向與建筑物頂部的位移相反，從而對建筑物的振動產(chǎn)生阻尼作用，減少建筑物的位移，降低地震作用效應。國內(nèi)的設計以被動設計為主，當然也有主動設計，如設置“塑性鉸” .我認為結構設計應該被動設計與主動設計相結合，但要實現(xiàn)主動設計需要先進理論和高科技的支持。隨著社會的需求，計算理論的發(fā)展，計算機的應用，新型建材的研究與應用，建筑結構設計將面臨前所未有的機遇。
最后，我想大膽的預測今后結構設計的方向——概念設計將發(fā)揮越來越大的作用。
概念設計是指正確的解決總體方案、材料使用和細部構造，以達到合理抗震設計的目的。概念設計是根據(jù)抗震設計的復雜性，難以精確計算而提出來的一種從宏觀上實現(xiàn)合理抗震，避免無必要的繁瑣計算，同時為抗震計算創(chuàng)造有利條件，使計算分析結果更能反映地震時結構反應的實際情況的設計方法。采用先進的計算理論?？臻g受力分析，非彈性變形分析，塑性內(nèi)力分析，由加載到破壞的全過程受力分析，時程分析，最優(yōu)化設計，方案優(yōu)化等先進科學的設計方法、設計理論將得到越來越多的應用。
結構設計一般在建筑設計之后，“受制”于建筑設計，但又“反制” 建筑設計。結構設計不能破壞建筑設計，建筑設計不能超出結構設計的能力范圍。結構設計決定建筑設計能否實現(xiàn)，在這個意義上，結構設計顯得更為重要。但一棟標志性建筑建成后，往往建筑師便成為了人們心目中的建造者，為了實現(xiàn)該建筑設計而付出辛勤勞動一絲不茍的結構師并不為人們所知。但無論如何，設計一個適用、安全、經(jīng)濟、美觀、便于施工的結構設計方案是結構設計人員的責任。
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