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【摘要】简述了从穹顶结构到空间网壳结构的演变过程，又叙述了国内外空间网壳发展历程及应用情况。综合阐述了空间网壳钢结构的七种施工方法，提出了网壳结构的优势及发展趋势。
【关键词】空间壳结构 发展 应用
中图分类号：TV332.5 文献标识码：A 文章编号：
空间网壳钢结构从字面上可以分为空间网壳结构和钢结构两部分。而探究空间网壳钢结构的起源我们应从穹顶结构着手。
1穹顶结构与钢结构的发展
穹顶结构是欧洲古代建筑的重要标识之一，是一种最具代表性也最被欣赏的欧洲古代的建筑形式。由于至诞生起穹隆结构具有以最小的材料表面封闭最大的空间的优势，倍受宗教势力及其信徒的追捧。它的出现、发展、壮大反应了欧洲古代建筑发展史中波澜壮阔的一幕。
随着科技的发展，材料强度的不断增强。原有穹顶结构的壁厚越来越薄，跨度越来越大形成了薄壳体结构。这时由于钢材大量应用于建筑材料中，钢结构诞生了。
钢结构是指用钢材经过加工、连接、拼装而成，能够承受各种自然力及人为破坏，并具有足够可靠性、良好的经济效益和社会效应的构筑物或建筑物。
最早使用钢（金属）结构的建筑可以追溯到18 世纪末的英国。当时，由于使用木框架建造的产房经常发生火灾，再加上木材由于供應量减少价格上涨，所以人们开始考虑强度更高、却不燃烧的钢材，替代了木材作为厂房建筑结构的主要材料。一个世纪之后，诞生了大批的钢结构摩天大楼。其中1889 年，法国工程师埃菲尔在巴黎世博会上建造了著名的埃菲尔铁塔，成为了钢结构划时代的标志之一。从此之后钢结构建筑进入了一个光辉的时代。
2空间网壳钢结构的发展
早在20 世纪初，德国工程师威德勒就发明了一种肋环斜杆型的网壳，这种以他的名字命名的网状穹顶仍然是当今球面网壳的一种主要形式
建筑结构通常按维度可分为二维的平面结构和三维的空间结构两大类。其中由众多钢制杆件按照一定规律拼接而成的壳体，并具有三维受力特征的结构形式称为空间网壳钢结构。
随着人民科学文化水平的不断上升，网壳结构的形式早已摆脱早期单一的结构形式，向着多元化形式方向发展。一般可分为两类：
(1) 按高斯曲率划分, 有零高斯曲率的网壳、正高斯曲率的网壳和负高斯曲率的网壳三种。
(2) 按曲面外形分类, 有球面网壳、单块扭网壳、双曲扁网壳、柱面网壳、双曲抛物面网壳、圆锥面网壳、扭曲面网壳和切割或组合形成面网壳。
第二次世界大战（1939 — 1945年）之后，特别是近40年来，网壳钢结构得到空前的发展，也得到了最大的重视，主要原因是：
(1) 在网壳钢结构施工中，由于大量应用预制钢结构构件使结构更加轻盈，安装更加简易。
(2) 建筑构件的工业化提升了预制构件的质量精度，提高了生产效率，降低了成本。特别是工业数字化和多种节点体系的应用为网壳钢结构的发展注入了强大活力。
(3) 随着计算机的不断普及和发展，大量有限元软件应用于网壳钢结构的设计与施工，促进了网壳钢结构的应用和发展。
网壳钢结构在我国起步较晚, 较早的有建成于1931年的广州中山纪念堂钢穹顶;建成于1973年的天津市体育馆。但我国网壳钢结构近30年来发展迅速，并后来者居上成为世界网壳钢结构施工技术的领头羊和探索者。已建成的有代表性的建筑有：国家大剧院、沈阳奥林匹克体育中心、昆明长水国际机场、深圳大运中心体育场、江阴市民水上活动中心、中国民航博物馆等。这些大面积网壳钢结构的建成，集中体现了我国网壳钢结构高超的施工技术
3网壳结构的施工安装方法
(1)高空散装法：小型拼装单元或散件（单一杆件或节点）直接在设计指定位置进行总拼的方法。高空散装法又分为全支架法(满堂脚手架)和悬挑法两种。全支架法多用于散件拼装，而悬挑法则多用于在高空下的小拼单元拼装，或者球面网壳三角形网格的拼装。
(2)单元安装法：将网架分成若干条状或块状单元，分别用吊装设备吊装至设计指点位置安装就位，然后再拼装连接杆件形成整体的安装方法。这里条状单元是指：网架沿长跨方向分割为若干区段，每个区段的宽度可以现场情况而定，其长度则为短跨的跨度。而块状单元是指：网架按照一定几何规律分割为若干规则图形的单元，如长方形单元和正方形单元。每个单元的重量不超过现有吊装设备的起重能力。
(3)高空滑移法：将网架单元依次安装在事先设置滑轨的支撑上，并利用滑轨滑移到设计指定位置拼接成整体的安装方法。这些单元可以在地面拼装成型后利用吊装设备吊至支撑上，也可用高空散装法在高空拼装平台上拼接成滑移单元。
(4)网壳整体吊装法：网架在地面总拼后，采用拔杆或吊装设备进行整体一次性吊装就位的施工方法。
(5)整体提升法:在结构柱上安装提升设备对网架实施提升，或伴随柱子滑模施工进行提升的施工方法。
(6)搬起法：首先，建立逐级增高的临时支撑体系，使其形成一个巨大的斜面，用以减少初始时刻的起搬应力值。第二，在结构底步设置旋转起扳柱脚，并架设柱脚与基础完全铰接的提升结构，如A 形支承架。第三，在临时支撑体系上拼装预搬起结构，并在关键节点上进行加固以满足搬起过程中的结构刚度需要。第四，用钢索穿过支撑塔架顶部并与预搬起结构连接，通过收缩钢索使预搬起结构旋转到竖直状态完成搬起过程。最后，加固旋转脚，拆除临时支撑体系和提升结构。
(7)综合安装法：将网壳划分为若干个区域。根据各区域的特点不同综合采用上述方法中两种或两种以上方法，将网壳各区域安装到设计指定位置，最后在高空将各部分连接成整体的施工方法。
4空间网壳钢结构的优点
(1)具有优美独特的建筑造型。无论是平面布局，还是外观形体都能给设计师无限想象的空间。在平面布局上可以选用多种形态。例如：三角形、圆形、矩形、多边形、扇形以及各种不规则的平面布局。在外观形体上可以选用各种形体的模式。例如：球体、椭圆体、圆锥体、规则图形组成的不规则形体等等。
(2)可以标准化构件拼装。这些标准化构件（如：杆件和节点）可以在工厂预制，从而实现工业化、数字化生产，提高了空间网壳钢结构的经济性。
(3)应用范围广。由于空间网壳结构是由众多构件拼接而成跨度不受施工手段的限制，所以它适合各种规格的建筑物。
(4)重量轻，施工简便、快捷。由于钢材强度大，空间钢结构的结构形式合理使单位面积上的结构自重较轻，再加上结构拼装特性使得现场安装灵活性大，极大的方便了现场拼装工程，甚至不需要大型的机具设备就可以完成拼装工程。
(5)分析计算成熟。随着计算机与有限元在空间网壳钢结构中的不断推广。通常可采用网壳钢结构计算软件，便能完成空间网壳结构的设计。极大简化了空间网壳钢结构的设计难度，降低了空间网壳钢结构在施工施工过程中的不确定性。我国目前已有众多空间网壳钢结构有限元及辅助设计软件，极大缩短了设计与施工时间。
5网壳结构发展趋势与建议:
(1) 坚持对网壳结构的非线性理论的创新, 通过理论和试验研究, 提出一些新的稳定计算公式。
(2) 开发网壳结构的专门计算程序和简化计算方法, 达到计算、设计和生产的计算机化与自动化。
(3) 改进和发展网壳结构的施工方法, 进一步有效的利用小型的提升和吊装设备来安装大型网壳结构。
(4) 提高制造技术的加工精度和自动化, 研制更适合网壳结构使用的节点。
【参考文献】
[1] 张宇. 网壳结构的发展[J] 北京：建筑知识 2009-9-34
[2] 马永艳，杨修茂. 我国网壳结构的发展和应用[J] 天津：天津建设科技 2001-NO.2-3
[3] 李 睿，周 巍. 网壳结构的发展和应用[J] 南昌：科技经济市场期刊2009年第10期-10
【关键词】空间壳结构 发展 应用
中图分类号：TV332.5 文献标识码：A 文章编号：
空间网壳钢结构从字面上可以分为空间网壳结构和钢结构两部分。而探究空间网壳钢结构的起源我们应从穹顶结构着手。
1穹顶结构与钢结构的发展
穹顶结构是欧洲古代建筑的重要标识之一，是一种最具代表性也最被欣赏的欧洲古代的建筑形式。由于至诞生起穹隆结构具有以最小的材料表面封闭最大的空间的优势，倍受宗教势力及其信徒的追捧。它的出现、发展、壮大反应了欧洲古代建筑发展史中波澜壮阔的一幕。
随着科技的发展，材料强度的不断增强。原有穹顶结构的壁厚越来越薄，跨度越来越大形成了薄壳体结构。这时由于钢材大量应用于建筑材料中，钢结构诞生了。
钢结构是指用钢材经过加工、连接、拼装而成，能够承受各种自然力及人为破坏，并具有足够可靠性、良好的经济效益和社会效应的构筑物或建筑物。
最早使用钢（金属）结构的建筑可以追溯到18 世纪末的英国。当时，由于使用木框架建造的产房经常发生火灾，再加上木材由于供應量减少价格上涨，所以人们开始考虑强度更高、却不燃烧的钢材，替代了木材作为厂房建筑结构的主要材料。一个世纪之后，诞生了大批的钢结构摩天大楼。其中1889 年，法国工程师埃菲尔在巴黎世博会上建造了著名的埃菲尔铁塔，成为了钢结构划时代的标志之一。从此之后钢结构建筑进入了一个光辉的时代。
2空间网壳钢结构的发展
早在20 世纪初，德国工程师威德勒就发明了一种肋环斜杆型的网壳，这种以他的名字命名的网状穹顶仍然是当今球面网壳的一种主要形式
建筑结构通常按维度可分为二维的平面结构和三维的空间结构两大类。其中由众多钢制杆件按照一定规律拼接而成的壳体，并具有三维受力特征的结构形式称为空间网壳钢结构。
随着人民科学文化水平的不断上升，网壳结构的形式早已摆脱早期单一的结构形式，向着多元化形式方向发展。一般可分为两类：
(1) 按高斯曲率划分, 有零高斯曲率的网壳、正高斯曲率的网壳和负高斯曲率的网壳三种。
(2) 按曲面外形分类, 有球面网壳、单块扭网壳、双曲扁网壳、柱面网壳、双曲抛物面网壳、圆锥面网壳、扭曲面网壳和切割或组合形成面网壳。
第二次世界大战（1939 — 1945年）之后，特别是近40年来，网壳钢结构得到空前的发展，也得到了最大的重视，主要原因是：
(1) 在网壳钢结构施工中，由于大量应用预制钢结构构件使结构更加轻盈，安装更加简易。
(2) 建筑构件的工业化提升了预制构件的质量精度，提高了生产效率，降低了成本。特别是工业数字化和多种节点体系的应用为网壳钢结构的发展注入了强大活力。
(3) 随着计算机的不断普及和发展，大量有限元软件应用于网壳钢结构的设计与施工，促进了网壳钢结构的应用和发展。
网壳钢结构在我国起步较晚, 较早的有建成于1931年的广州中山纪念堂钢穹顶;建成于1973年的天津市体育馆。但我国网壳钢结构近30年来发展迅速，并后来者居上成为世界网壳钢结构施工技术的领头羊和探索者。已建成的有代表性的建筑有：国家大剧院、沈阳奥林匹克体育中心、昆明长水国际机场、深圳大运中心体育场、江阴市民水上活动中心、中国民航博物馆等。这些大面积网壳钢结构的建成，集中体现了我国网壳钢结构高超的施工技术
3网壳结构的施工安装方法
(1)高空散装法：小型拼装单元或散件（单一杆件或节点）直接在设计指定位置进行总拼的方法。高空散装法又分为全支架法(满堂脚手架)和悬挑法两种。全支架法多用于散件拼装，而悬挑法则多用于在高空下的小拼单元拼装，或者球面网壳三角形网格的拼装。
(2)单元安装法：将网架分成若干条状或块状单元，分别用吊装设备吊装至设计指点位置安装就位，然后再拼装连接杆件形成整体的安装方法。这里条状单元是指：网架沿长跨方向分割为若干区段，每个区段的宽度可以现场情况而定，其长度则为短跨的跨度。而块状单元是指：网架按照一定几何规律分割为若干规则图形的单元，如长方形单元和正方形单元。每个单元的重量不超过现有吊装设备的起重能力。
(3)高空滑移法：将网架单元依次安装在事先设置滑轨的支撑上，并利用滑轨滑移到设计指定位置拼接成整体的安装方法。这些单元可以在地面拼装成型后利用吊装设备吊至支撑上，也可用高空散装法在高空拼装平台上拼接成滑移单元。
(4)网壳整体吊装法：网架在地面总拼后，采用拔杆或吊装设备进行整体一次性吊装就位的施工方法。
(5)整体提升法:在结构柱上安装提升设备对网架实施提升，或伴随柱子滑模施工进行提升的施工方法。
(6)搬起法：首先，建立逐级增高的临时支撑体系，使其形成一个巨大的斜面，用以减少初始时刻的起搬应力值。第二，在结构底步设置旋转起扳柱脚，并架设柱脚与基础完全铰接的提升结构，如A 形支承架。第三，在临时支撑体系上拼装预搬起结构，并在关键节点上进行加固以满足搬起过程中的结构刚度需要。第四，用钢索穿过支撑塔架顶部并与预搬起结构连接，通过收缩钢索使预搬起结构旋转到竖直状态完成搬起过程。最后，加固旋转脚，拆除临时支撑体系和提升结构。
(7)综合安装法：将网壳划分为若干个区域。根据各区域的特点不同综合采用上述方法中两种或两种以上方法，将网壳各区域安装到设计指定位置，最后在高空将各部分连接成整体的施工方法。
4空间网壳钢结构的优点
(1)具有优美独特的建筑造型。无论是平面布局，还是外观形体都能给设计师无限想象的空间。在平面布局上可以选用多种形态。例如：三角形、圆形、矩形、多边形、扇形以及各种不规则的平面布局。在外观形体上可以选用各种形体的模式。例如：球体、椭圆体、圆锥体、规则图形组成的不规则形体等等。
(2)可以标准化构件拼装。这些标准化构件（如：杆件和节点）可以在工厂预制，从而实现工业化、数字化生产，提高了空间网壳钢结构的经济性。
(3)应用范围广。由于空间网壳结构是由众多构件拼接而成跨度不受施工手段的限制，所以它适合各种规格的建筑物。
(4)重量轻，施工简便、快捷。由于钢材强度大，空间钢结构的结构形式合理使单位面积上的结构自重较轻，再加上结构拼装特性使得现场安装灵活性大，极大的方便了现场拼装工程，甚至不需要大型的机具设备就可以完成拼装工程。
(5)分析计算成熟。随着计算机与有限元在空间网壳钢结构中的不断推广。通常可采用网壳钢结构计算软件，便能完成空间网壳结构的设计。极大简化了空间网壳钢结构的设计难度，降低了空间网壳钢结构在施工施工过程中的不确定性。我国目前已有众多空间网壳钢结构有限元及辅助设计软件，极大缩短了设计与施工时间。
5网壳结构发展趋势与建议:
(1) 坚持对网壳结构的非线性理论的创新, 通过理论和试验研究, 提出一些新的稳定计算公式。
(2) 开发网壳结构的专门计算程序和简化计算方法, 达到计算、设计和生产的计算机化与自动化。
(3) 改进和发展网壳结构的施工方法, 进一步有效的利用小型的提升和吊装设备来安装大型网壳结构。
(4) 提高制造技术的加工精度和自动化, 研制更适合网壳结构使用的节点。
【参考文献】
[1] 张宇. 网壳结构的发展[J] 北京：建筑知识 2009-9-34
[2] 马永艳，杨修茂. 我国网壳结构的发展和应用[J] 天津：天津建设科技 2001-NO.2-3
[3] 李 睿，周 巍. 网壳结构的发展和应用[J] 南昌：科技经济市场期刊2009年第10期-10