个人介绍
现代空间结构 沈世钊
提供学校: 中国工程院
专业大类: 土建大类
专业: 建筑工程技术

       张拉整体结构、膜结构、开合结构、折叠结构以及玻璃结构等新型空间结构代表了现代空间结构的发展方向。空间结构是指结构的形态呈三维状态,在荷载作用下具有三维受力特性并呈空间工作的结构。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。

教师团队

沈世钊 院士

部门:结构工程

职位:中国工程院院士

沈世钊院士

学术任职

中国建筑学会副理事长

国际桥梁与结构工程学会常务委员会委员

国家自然科学基金会监督委员会委员

第二、三届国务院学位委员会学科评议组成员

第四、五届全国博士后管理委员会专家组成员

国际《Space Structures》杂志编委

研究方向

以大跨空间结构为主,兼做风工程、木结构等方向

论著成果

长期从事结构工程领域的研究和教学,八十年代以来致力于大跨空间结构新兴学科的开拓,在“悬索结构体系及其解析理论”、“网壳结构非线性稳定”、“大跨柔性屋盖风致动力响应”、“膜结构形态分析及设计理论”、“网壳结构动力稳定性及其在强震下的失效机理”等前沿学科中取得重要成果,与此同时,结合吉林滑冰馆、亚运会石景山体育馆和朝阳体育馆、冬季亚运会黑龙江省速滑馆、威海体育场、哈尔滨国际体育会展中心等工程创造了多项具有典型意义的新型空间结构,为我国大跨度空间结构的发展作出了重要贡献。

其成果获国家科技进步二等奖、建设部科技进步一等奖、黑龙江省科技进步一等奖、詹天佑奖等20余项奖励。迄今发表论文200余篇,出版《网壳结构稳定性》《悬索结构设计》等著作,培养硕士、博士100余人。


现代空间结构

空间结构

 空间结构是指结构的形态呈三维状态,在荷载作用下具有三维受力特性并呈空间工作的结构。

网架结构

      网架结构是由许多连续的杆件按照一定规律组成的网状结构,在接触处加上球状以便加大链接。杆件主要承受轴力,能充分发挥材料的强度,节省钢材,结构自重小。网架结构空间刚度大,整体性强,稳定性好。是利用较小规格的杆件建造大跨度结构,而且杆件类型统一。

      网架结构是高次超静定结构体系。板型网架分析时,一般假定节点为铰接,将外荷载按静力等效原则作用在节点上,可按空间桁架位移法,即铰接杆系有限元法进行计算。

 网架结构可采用简化计算法,诸如交叉梁系差分分析法、拟板法等进行内力、位移计算。单层壳型网架的节点一般假定为刚接,应按刚接杆系有限元法进行计算;双层壳型网架可按铰接杆系有限元法进行计算。单层和双层壳型网架也都可采用拟壳法简化计算。

悬索结构

      悬索结构(两山之间架的一座桥,用铁锁链在两山之间这就是悬锁的结构;如:红军通过的泸定桥)是大跨度屋盖的一种理想结构形式。悬索结构一般由钢索、边缘构件和下部支承结构组成。如:奥林匹克运动中心就是通过悬索制成的。

      悬索结构在静荷载作用下的分析,首先要确定在初始荷载作用下整个结构的初始状态,然后计算在荷载增量、温度变化和索支点位移所引起的整个结构的内力和变形。悬索结构的初始状态是指在初始荷载(包括自重和预应力)作用下的平衡位置,可通过索的各点坐标和索内拉力的水平分量确定。初始状态一般需要经过多次试算选定。索网结构可按离散的计算模型进行分析;对于索间距较小的正交索网结构,也可按连续的计算模型,即假设为一个没有剪切刚度的各向异性薄膜进行分析。悬索结构具有几何非线性的性质,即在各阶段荷载作用下,无论是内力或变形均与荷载呈非线性关系。当采用离散方法分析悬索结构时会得出非线性代数方程组。采用连续方法分析时则得出非线性微分方程。对于双曲抛物面正交索网也可采用能量原理进行分析。悬索结构当跨度较大而又较柔时宜考虑风振效应,进行动态分析。

壳体结构

      壳体结构是两端有竖向的支撑,沿着曲面的切线把力分解到两侧,尺寸相比非常小,可以做很大的跨度。如:做拱型桥、大型教堂。

      位于人民大会堂西侧的“巨蛋”—国家大剧院采用壳体结构安装。一台600吨巨型履带吊车将第一块长35米、重38吨的钢组合梁缓缓吊起,安装到大剧院中心45米高的预定位置上。根据施工方案,巨型“蛋壳”将被分成数十块分批吊装


管桁架结构

      管桁架结构是指由钢管制成的桁架结构体系,因此又称为管桁架或管结构。只要是利用钢管的优越受力性能和美观的外部造型构成独特的结构体系,满足钢结构的最新设计观念,集中使用材料、承重与稳定作用的构件组合以发挥空间作用。 

      近年来,随着我国钢铁产量的不断增长,管桁架在被越来越广泛的使用,上海君正钢结构工程公司是一家集设计、制作加工为一体的大型钢结构工程,以高品质钢结构产品制造,在建筑中所占的比例越来越大,工业厂房、汽车等行业设备平台生产线、物流仓储、公共建筑体育馆、商务会所、高铁站台、地铁站台、高层商务楼等得到广泛应用。钢管结构也取得较大的突破。钢管结构的最大优点是能将人们对建筑物的功能要求、感观要求以及经济效益要求完美地结合在一起。 

膜结构

      膜结构(Membrane)是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式,是由多种高强薄膜材料(PVC或Teflon)及加强构件(钢架、钢柱或钢索)通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状,作为覆盖结构,并能承受一定的外荷。

      膜结构所用膜材料由基布和涂层两部分组成.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)。


跨越世纪的辉煌

2008年,北京奥运会以其恢宏的规模、精彩的竞技、绚烂的文化以及海纳百川的胸怀在人类奥运百年史册上书写下浓重的一笔。“鸟巢”“水立方”等奥运场馆,也因而成为了聚焦世界目光的标志性建筑。身为2008年奥运场馆建设工程指挥部顾问的沈世钊院士,更是亲历了从方案评审、设计修改到施工建设的全部过程。   

2004年7月,原本正在施工的北京奥运会主会场——“鸟巢”工地变得异常寂静,这项浩大的工程停止了施工。国家体育场的最初设计方案具有一个可开合滑动式屋顶,当它合上时,体育场将成为一个室内的赛场。国家体育场所采用的大跨度结构需要大量用钢,结构自重占得比例很大,也就是说,这个结构体系建成以后将成年累月处在重压下面。“可开启式屋顶”的采用进一步加大这一重量,而且使得施工工期十分紧张。因此,需要一套可行的“瘦身”方案来减负。一时间,国内媒体纷纷报道“鸟巢”停工这一爆炸新闻,各种猜测接踵而至。沈教授认为,对于奥运会这样的盛会而言,其场馆在设计和建设过程中,各种不同声音和建议的存在都是很正常的事情。

04年12月,经过专家的多次讨论论证后,“鸟巢”的“瘦身”方案终于出台。据沈教授介绍,主要有两点改动,一是去掉可开启的滑动式屋顶,二是扩大“鸟巢”中央开口,但“鸟巢”的外观及设计理念都不改变。

关于2008年北京奥运会的体育场馆,沈教授总是有说不完的话,道不尽的情。他介绍说,鸟巢建筑与结构的浑然一体,通过貌似无序的自由编织的结构体系,构成了新颖的、富于冲击力的独特建筑形式。

“水立方”借鉴“气泡理论”构成一种多面体网架结构,其不规则复杂形体是由相对简单的元素经多次重复形成的,是一种创新的结构体系,其外部结构采用空气薄膜,状似水泡,也十分新颖。北京奥运会为空间结构大跨建筑的发展提供了难得的机遇,北京奥运场馆建设坚持了“适用、经济、美观”的设计原则,很好地体现了人文奥运、科技奥运、绿色奥运的理念,反映了我国大跨空间结构发展的最高水平。

世界著名空间结构建筑

悉尼歌剧院

悉尼歌剧院位于澳大利亚悉尼,是20世纪最具特色的建筑之一,也是世界著名的表演艺术中心,已成为悉尼市的标志性建筑。该歌剧院1973年正式落成,2007年6月28日被联合国教科文组织评为世界文化遗产,该剧院设计者为丹麦设计师约恩·乌松。悉尼歌剧院坐落在悉尼港的便利朗角(Bennelong Point),其特有的帆造型,加上悉尼港湾大桥,与周围景物相映成趣。原本位于便利朗角(Bennelong Point)的麦格理堡垒电车厂于1958年拆除,歌剧院的前期准备工作于1959年3月份开始。

歌剧院的建造计划一共有三个阶段。阶段一(1959年–1963年)包括建造矮墙。阶段二(1963年–1967年)建造外部的“壳”结构。阶段三(1967年–1973年)内部的设计和装潢。

首都体育馆

首都体育馆位于中国北京市海淀区白石桥路,修建于1968年,面积约为54,600平方米,毗邻奥林匹克饭店。这座体育馆占地七公顷,总建筑面积四万平方米,东西长一百二十二米,南北宽一百零七米。馆内有一万八千个观众席,是北京市最大的现代化体育馆。 这座体育馆设有比赛大厅一个,练习馆三个,观众休息厅六个。比赛大厅的比赛场长八十八米,宽四十米。可进行乒乓球、羽毛球、排球、篮球、体操等多样比赛,比赛场内的地板可以移动撤走,放水结冰后,可进行滑冰、冰球、花式溜冰等冰上体育比赛。

比赛场地长88米,宽40米,它是由21块活动地板组成的;每块活动地板长30米,宽3.5米。地板的下面是滑冰场,开动机器,地板就能往东、西两边撤走,并且一层层地下降,进到地板仓里。撤走地板后,露出的是水磨石地面,在水磨石地面泼上水,水磨石内的低温氨液排管制冷,一年四季都能结冰,并能使冰面保持一定的温度,即使在炎热的"三伏天",人们仍可观看冰球比赛和各种滑冰表演。 比赛场地四周是看台,场内有18个观众出入口,观众可在5分钟内疏散完毕。

黑龙江速滑馆

黑龙江速滑馆于1995年11月18日竣工。该馆占地面积33000平方米,建筑面积22000平方米,跨度86.3米,长190米,大厅净高24米,照度1500LUX。设有座席2000个,其中主席台150个座席。比赛大厅面积16123平方米,其中,冰道面积5124平方米。冰场中央为旱冰场,面积3800平方米。旱冰场外圈为塑胶跑道,面积1200平方米。速滑馆设有大小会议室、贵宾室、运动员休息室16套,以及裁判员、记者休息室、兴奋剂检测中心、浇冰车库、广播室、电视转播室、灯光控制室、通讯服务室、磨刀室等辅助房间。比赛大厅设有裁判房及80平方米的电子计时记分彩色大屏幕一块。

中国国家大剧院

中国国家大剧院位于北京市中心天安门广场西,人民大会堂西侧,西长安街以南,由国家大剧院主体建筑及南北两侧的水下长廊、地下停车场、人工湖、绿地组成,总占地面积11.89万平方米,总建筑面积约16.5万平方米,其中主体建筑10.5万平方米,地下附属设施6万平方米,总投资额26.88亿人民币(大剧院最新公布的造价数字是31亿元人民币)。

国家大剧院外部为钢结构壳体呈半椭球形,平面投影东西方向长轴长度为212米,南北方向短轴长度为143.64米,建筑物高度为46.285米,比人民大会堂略低3.32米,基础最深部分达到-32.5米,有10层楼那么高。国家大剧院壳体由18000多块钛金属板拼接而成,面积超过30000平方米,18000多块钛金属板中,只有4块形状完全一样。钛金属板经过特殊氧化处理,其表面金属光泽极具质感,且15年不变颜色。中部为渐开式玻璃幕墙,由1200多块超白玻璃巧妙拼接而成。椭球壳体外环绕人工湖,湖面面积达3.55万平方米,各种通道和入口都设在水面下。行人需从一条80米长的水下通道进入演出大厅。

参考教材





课程评价

教学资源
课程章节 | 文件类型   | 修改时间 | 大小 | 备注
1.1 空间结构与平面结构
视频
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2013-10-23 8.69MB
1.2 空间结构受力
视频
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2013-10-23 5.85MB
2 空间结构类型
视频
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2013-10-23 7.02MB
2.1 薄壳结构
视频
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2013-10-23 30.32MB
2.2.1 网架结构
视频
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2013-10-23 22.82MB
2.2.2 网壳结构
视频
.mp4
2013-10-23 34.13MB
2.2.3 其他形式网络结构
视频
.mp4
2013-10-23 88.52MB
2.3.1 悬索结构
视频
.mp4
2013-10-23 42.80MB
2.3.2 膜结构
视频
.mp4
2013-10-23 43.80MB
2.3.3 索穹顶
视频
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2013-10-23 16.38MB
2.4 混合体系
视频
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2013-10-23 22.19MB
3 网壳结构的静力稳定性
视频
.mp4
2013-10-23 24.77MB
4 网壳结构动力稳定性及强震失效原理
视频
.mp4
2013-10-23 48.33MB
5 空间结构与风荷载
视频
.mp4
2013-10-23 61.74MB
6 空间结构生态学
视频
.mp4
2013-10-23 46.27MB
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