巨顶悬空

人们建造房屋的目的是为了得到内部的空间，要想以最少的建筑材料获得最大的内部空间，其中的关键是加大房屋结构的跨度，建造大屋顶建筑。单个的石梁或木梁受材料性质限制，跨度不能太大，如果用砖石砌成拱券，能够得到比较大的跨度，这是古代建造大跨度建筑的主要方式。

大跨度建筑

古罗马万神庙的圆形拱顶直径为43米，形成一个巨大的圆形空间，是古代大跨度建筑的极限。

到近代，人口密集的大城市需要有能容纳成千上万人集中活动的公共建筑，这就要建造大跨度的巨顶房屋。而工业革命后建筑材料和结构技术的进步又为实现这种需要提供了可能。

当时首先需要建造的大跨度建筑是火车站。它要有个大站棚，把站台和火车全部覆盖在下面。最早的站棚是用木头建造的，既容易失火，又不耐水蒸汽侵蚀，很快就改用了铁结构，后来又用钢结构。随着车站轨线和站台数量增加，站棚的跨度也在不断加大。

19世纪后期，车站设计者把注意力集中在加大站棚的跨度上，结果各种类型的钢铁大屋顶应运而生。

l849年，英国利物浦一个车站的顶棚跨度达到46米；l868年，伦敦一个车站的跨度增加到74米；l893年，美国费城车站的跨度增加到91米。站棚造得越大越长，造价就越昂贵，另外机车排出的烟气也不容易排出去。后来人们发现对火车没有必要遮盖，只要在每个站台上分散建造小规模的顶棚遮住旅客就行了。到这时，火车站棚的跨度竞赛才宣告结束，不过这一竞赛对大跨度巨顶建筑的发展起了推动作用。

需要大跨度的另一类建筑是为展示工业成就而建的博览会。1855年，巴黎万国工业博览会采用半圆形拱式铁制横梁，跨度达到了48米。19世纪跨度最大的建筑是1889年巴黎博览会的机器陈列馆。它运用当时最先进的建筑结构，造成了长420米、跨度115米的展览馆，内部没有任何阻隔。

到20世纪，社会生活需要更大的室内活动空间。公共集会的规模越来越大，会堂要随之扩建；体育馆要能容得下上万人，甚至更多；还要建造庞大的候机大厅……这都需要建造更大跨度的建筑。由于大跨度建筑多为公共建筑，人员活动多，占地面积大，一般多建在城市的边缘地带。近几十年来，随着新材料、新技术的发展，出现了一些新型的屋顶结构，主要有薄壳结构、悬索结构、空间网架结构等类型。

薄壳结构建筑

薄壳结构是用钢筋混凝土制成薄壳来覆盖建筑空间。

1922年，德国一家光学工厂为试验光学设备需要一个精确的半球形屋顶。工程师包尔斯斐尔德用一些钢杆拼接出一个半球形网络，然后在上面铺一层三厘米厚的混凝土。这个薄薄的混凝土层本来是作为不受力的覆盖物加上去的，但实践证明，它本身有着很高的强度。这就产生了建筑中最早的钢筋混凝土壳体结构。

第二次世界大战以后，壳体结构发展很快，各种各样的壳体屋顶纷纷出现。

1958年建成的巴黎国立工业技术中心展览馆，屋顶是庞大的三角形壳体结构。它支撑在三个支点上，每边长206米，壳的厚度为6厘米，其跨度超过了以前的所有建筑物。

1994年法国里昂TGV火车站竣工，它的巨顶如同展开的翅膀，因而被人称为“大鸟”，建筑师称自己这样设计是受到了法国抽象画作的启发。

1998年建成的香港新机场外形像架大飞机，以其壳体结构屋顶组成图案。

悬索结构建筑

悬索结构是一种古老的结构形式。最简单的悬索是挂在两根柱子间的一条绳子，绳子在弯曲状态下能够承受重量。17世纪在中国四川泸定的大渡河上建造了著名的铁索桥，跨度达104米，是建筑中成功的悬索结构。19世纪末，俄国工程师苏霍夫建造过悬索屋顶的展览馆。

20世纪后期，采用悬索结构的建筑物逐渐增多。1950年建成的美国雷里竞技馆是个富有创造性的悬索结构建筑。它有两个互相斜交的钢筋混凝土大拱，承重钢索张挂在两拱之间，另有横向的稳定索把承重索向下拉住，以防止屋面在风力作用下波动，素网上铺盖了轻型的屋面材料。另一个著名的悬素结构建筑是日本东京1964年举办奥运会的体育馆，设计者是日本建筑师丹下健三。这个体育馆由两个相邻建筑组成，建造时都是在两根巨柱上张挂钢缆，然后以这根钢缆为脊向两旁伸出许多悬索，构成庞大的坡形屋面。

空间网架结构建筑

最近几十年，许多大跨度建筑还采用钢制的空间网架做屋顶。空间网架是由复杂的杆件系统组成的空间结构。预制杆件相互连接形成网架，在网架上铺轻型的屋面材料。空间网架屋顶常是圆形的。

1959年，工程师福勒为美国一家铁路机车修理厂设计的圆顶厂房建成。它的屋顶用预制锻钢杆构成，是当时世界上最大的圆顶建筑。

1965年，美国休斯顿市哈利斯体育馆采用圆形网架屋顶，直径达到200米，可容纳66000人观看比赛。1976年，美国新奥尔良市建造了世界上最大的体育馆，可容纳9万多观众，屋顶用的也是网架结构。

充气结构建筑

此外还有充气结构的大跨度屋顶，一种方法是用塑料等薄膜材料做屋面，使室内气压略高于室外，这样屋面就鼓了起来；另一种方法是向薄膜制成的管形构件中充气，由多个充气管连接成屋顶。这种结构多用于临时建筑。1970年，日本大阪举办的世界博览会成了对充气建筑的一次大检阅。博览会的美国馆用玻璃纤维材料制成充气屋面，安装32根钢索张拉。这样一个覆盖面积超过两个足球场的建筑造价只有290万美元，要算是最俭省的建筑了。