日本熊本公园体育场，不像东京后乐园那样采用全封闭的气承式空气膜结构，而是在主屋盖部分采用了杂交索加强双层气承式空气膜结构，其基本设计思想是使屋盖像浮云一样覆盖在大地上。双层空气膜结构直径为107m，中心部分设置了高14m的圆锥形钢结构中心环。中心环与周围的环状桁架之间由上下各48根钢索连接并覆盖以膜材，完工后向双层膜中加压，以保持其设计开头结构体系和双层空气膜的构成如图5所示。熊本穹顶是由传统的气胀式空气膜结构和车轮型索结构复而成。钢索不仅是作为膜的加强材料，也是主要的承重结构，形成了融合两种特色的杂交结构。
70年代，美国盖格尔总结了气承式空气膜结构的经验教训，在已故著名结构专家富勒创始的“张拉整体”（Tensegrity）体系这一概念的基础上，首先提出了以索、膜与压杆组成的“索穹顶”设计，荷载从中心受拉环通过一系列幅射状脊索、受拉环索与斜拉索，传到周围的受压圈梁上。这种结构成功地被用在1986年韩国汉城奥运会的体操馆与击剑馆上，其直径分别为120m与93m。其后索穹顶得到了不断地创新与发展，用于美国伊利诺斯州立大学红鸟体育馆（椭圆形91m×77m）、台湾桃园体育馆（直径136m）以及佛罗里达的太阳海岸穹顶等工程其中跨度最大的是太阳海岸穹顶，由于直径达210m，设置了四道受拉环索，为了满足棒球比赛的要求，屋盖倾斜为6°，最高点离地面68m，使空间符合飞球的射线。玻璃纤维膜材敷设在主结构的脊索与幅射状的谷索之间，后者将膜材下压并张紧，同时也便于排水。
美国李维也继承了“张拉整体”的构想，并采用了富勒以三角形为基础的屋盖体系，开始称为“双曲抛物面一张拉整体穹顶”，以后注册“腾星”（Tenstar）穹顶，其处女代表作就是1996年在美国亚特兰大举行的奥运会主馆—佐治亚穹顶。这个尺寸为235m×186m的拟椭圆形索膜结构构成为世界上最大的室内体育馆。穹顶的上索网采用三角形网格，膜采用菱形单元以便形成具有足够刚度的双曲抛物面。以后这种穹顶又用于阿根廷的拉普拉达体育场，平面由两个重叠的圆（直径为85m，圆心相距48m）组成，具有双峰的外形。两个腾星穹顶支承在看台顶部周边三角形桁架和中间钢拱架上。屋面采用22%透光率的新型织物，加上周边开敞和良好的通风系统，使得草坪得以生长。
在所有的体育建筑中，体育场可说是变化最大的，也最富有特点。最初的体育场不过是一片没有遮蔽的露天场地，周围设置了一些看台，以后勤部部分看台上加了挑蓬，其悬挑的跨度不过十来米。随着需求的增长和技术的进步，不但悬挑跨度越来越大，覆盖的范围也发展到了全部看台，仅留下了中央的一部分露天比赛场。然而，体育场的发展并未到此为止，中间部分的顶盖还能做成晴天开敞、雨天遮蔽的开闭结构，以至体育场和体育馆之间已没有什么严格的界限了。
近代体育场的兴起首先要归功于世界杯足球赛，因为每次比赛都要在若干个城市的足球场上进行角逐，像1990年世界杯赛在意大利举行，就新建或改建（加盖）了11座体育场。其中罗马奥运会体育场原建于1960年，平面尺寸为308m×237m，改建时采用了以幅射状索桁架与受拉内环相结合的结构体系，悬挑跨主工业区50m。新建的巴里足球与田径场则以成对 的悬挑箱形钢拱作为承重结构，最大悬挑跨度为26m。两者都采用涂敷特氟隆的玻璃纤维布作为屋面。
此外，世界上一些主要城市也都需要一个达到国际标准、观众席在3万人以上的体育场。正因为这个原因，香港在1994年对原有的露天下政府大球场进行扩建，将观众席增加至4万。由于现存的钢筋混凝土看台已不堪重负，在结构布置上另辟蹊径，即沿球场长向设置两铰落地拱，来承担部分屋盖重量。拱与看台边梁之间架设曲线形立体桁架，其上铺以膜材，形成折线形屋面。钢拱跨度为240m，矢高50m，采用3.m5方形截面.立体桁架的跨度在4m0至55m之间,为三角形截面,高3.5m桁架之间设有谷索用来张紧膜材.
作为2000年奥运会主办城市的悉尼,理所当然地需要建设一座大型体育场,其设计规模为8万人,奥运会期间可扩充到11万人.结构布置类似香港体育场,也是沿长向设置两铰落地拱,跨度达290m,但看台屋盖则是采用了两片新月形的双曲抛物面网壳,这样的几何造型更美观,同时双曲面也能发挥其空间作用.钢拱为三角形截面的格构式桁架,最大高度12.m,每个网壳覆盖了大约220m×70m的面积,为双层铰接,最大厚度4.5m,网格尺寸为10m,网壳上覆盖以半透明的聚碳酸脂屋面板.
作为采用膜结构的挑蓬来说,以受拉内环、索桁架与受压圈梁相组合的结构体系是一种适宜的选型.1990年罗马奥运会体育场扩建,1993年德国斯图加特为举办世界田径锦标赛将原有体育场改建都采用了这种形式.1998年马来西亚吉隆坡为英联邦运动会新建了一个10万人体育场,其平面尺寸为286m×255.6m,看台的挑蓬跨度达66.5m.和前两个体育场不同的是它的受拉内环做成双层,上下索之间以高18～20m的钢柱相连系,周围的受压圈梁则为Ф1400㎜×35㎜的钢管.在受拉内环与圈梁之间有36榀幅射状的索桁架,其上设置了带拉杆的钢管拱,拱与拱之间可形成马鞍形膜屋面,膜材采用了聚氯乙烯树脂，外加一层含氟高分子的保护层。
三、中国的发展水平与前景
自从50年代以来，中国在空间结构领域获得了长足的进步，不论是工程应用或理论研究方面均在国际上占有一席之地，网架结构的应用范围与面积已位居世界各国前列，像首都体育馆上上海体育馆这样万人级的体育馆仍是大跨度网架结构中的佼佼者，近年来网壳结构逐渐兴起，在体育馆建设中颇有取代网架之势。天津市体育馆的双层球形网壳，直径有135m，黑龙江速滑馆的主体结构采用由中央圆柱面与两端半圆球面组成的双层网壳，其轮廓尺寸为86.2m×191.2m.中国的悬索结构早在60年代即已起步[4],当时曾建造了直径94m的圆形双层悬索,用于北京工人体育馆.其后在安徽体育馆等工程上采用的横向加劲悬索体系,以及在吉林滑冰馆采用的空间双层索系,都体现了中国在这方面的创新.相形之下,同属于张拉体系的膜结构,在中国的发展还比较落后.但最近建成的上海体育场马鞍形看台挑蓬,采用悬挑钢桁架覆以伞形膜材,是中国的第一个大跨度膜结构,虽然其技术与材料主要还依靠国外,但对中国膜结构的发展必然将起推动作用.值得提出的是,中国在制定空间结构技术规范的工作上在世界上是独树一帜的,有关薄壳、网架、网壳、悬索等的规程与标准,有的已经颁发,有的正在编制,这些技术文件是中国在空间领域内工程实践和科研成果的结晶.
展望未来,中国正沿着改革开放道路阔步前进,随着交流的进一步扩大,必将建设更多的体育、展览、会议和机场建筑.这将为空间结构的发展提供一个好的机会.经验证明,为了推动应用,相应的理论研究是必不可少的,过去,这些工作也有必要继续进行下去,以冀空间结构不断获得理论储备.根据国外的经验,还有两个薄弱环节严重地影响着中国空间结构的向前发展,即结构形式和结构防护,必需及早扭转目前的被动局面.
空间结构最大的优点在于它形式的多样化.然而,在设计过程中结构工程师往往是被动地去满足建筑师所提出的建筑造型,而不是在设计一开始就主动地参与确定形式,这对于初始形状不确定的张拉结构就更不合理了,决定结构形式不仅要依靠设计者的直觉和灵感,也要更多地采用理性的科学方法.近年来在国外已出现了好几种“工具”可用来研究结构形式.
首先是结构形态学（Structural Morphology）,它专门研究结构承重构件与形式之间的关系,包含了形状、材料、荷载与结构体系四大要素,这就需要建筑与结构的设计研究人员共同参与.位于美国亚利桑那州沙漠中的“生物圈”2（Biosphere 2）,采用了全封闭的空间网格结构,这个建筑就是根据结构形态学的原理而设计的.其欠,结构优化已经被成功地运用在大量生产的汽车和飞机设计中,而采用复杂程度更高的形状与拓朴优化对于空间结构也具有巨大的潜力.为此,结合特定的材料、考虑多工况与多目标函数、以造价为推动力,都是使结构优化进入实用的必要条件.德国拉姆（Ramm）等对壳体开头与厚度的优化具有启发意义,中国对网架高度与网格的优化成果已被列入设计规程中.此外,|考试大|日本半谷裕彦提出“形态分析”则从另一个角度来研究,结构形式,所谓“形”（form）是指结构的曲面形状与厚度,所谓“态”（system）则指网格的划分、层数以及构件的拓朴等.形态分析是在设计过程中采用广义逆矩阵的解析与系统方法.
空间结构除了静荷载之外,还要承受像地震或风之类的动力作用.一般结构设计都是有多大的力就配以多大的截面,处于被动地位,而更积极的办法是采用阻尼器等措施减少作用力,对地震或风进行主动的防护.早在1964年,日本东京代代木体育馆的悬索结构就曾在主索上采用了油阻尼器以防止未能预计的强风对结构的危害,但以后在空间结构中未得到推广.近年来,国外在高层与高耸结构中常采用主动或被动的阻尼装置来减轻动力作用的影响,这种经验也被引用到大跨度结构中.旧金山国际机场候机大厅中,用以支承大跨度钢桁架的柱脚步与基础间就设置了基底隔震器,可以抵御8级以上的地震,是世界上最大的采用基底隔震的结构.另外,台湾一座火车站的大跨度壳体屋盖,以26对吊杆悬吊在一对跨长174m的钢索上,为了减少对悬挂屋盖的风振,设置了8对粘弹性阻尼器.目前还有人研究在网壳上设置调频质量阻尼器(TMD)作为被动减震的手段.因此,不断探索对结构形式与结构防护的有效方法,必将使空间结构更加合理、经济与安全。
责任编辑：xiaohan
您现在的位置： 