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大跨度建筑，指的是其内部无柱且空间跨度超越一般建筑的一类建筑。我们通常所指的大跨度结构类型多指屋盖结构的类型，而屋盖本身又是大跨度建筑中所占比重最大的部分，并且由于其跨度的超常而成为设计中的焦点和难点。

自从世界上有了建筑物，人类就一直不停地在追求高大、壮丽的建筑。作为人类改造世界的符号，它的形象和规模成为展示一个国家或地区实力的重要窗口，其中的大跨度建筑更是成为衡量国家或地区建筑技术水平的重要标志。

对于大跨度建筑，其富含技术与魅力的核心在于这个庞然大物采用何种空间结构体系支撑，并且这种体系最终赋予了它怎样的外观形象。建筑形态，本就是三维建构的艺术。与高层建筑线性竖向设计模式对立互补的是，大跨度建筑的拓展模式是横向水平展开的，但当跨度达到一定程度后，一般的平面结构往往已难于成为适用、经济、美观的选择。而空间结构体系在这一领域，日益显示出一般平面结构无法比拟的丰富性与创造力，其卓越的工作性能不仅仅表现在三维受力，通过合理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用，而且体现在能够集尽丰富地表达大跨度建筑独有的造型魅力上。

在世界经济和科技高速发展的今天，大跨度建筑可谓是建筑领域发展最快的一类，建筑师和结构工程师不仅在结构技术、造型艺术等方面对大跨度建筑不断地进行深入研究、大胆创新，同时也结合材料科技、机械加工、施工工艺、电控信息智能化系统等其他诸多领域的科技进步成就，共同推进了大跨度建筑的发展。

大跨度建筑体系是由屋盖结构、支撑结构和基础这三部分组成的。前文已指出，大跨度结构类型多指屋盖结构的类型，而屋盖又是大跨度建筑中所占比重最大的部分，并且由于跨度的超常而成为设计中的难点和焦点，因此屋盖结构很大程度上决定了大跨度建筑的结构和形式。(如图2.1所示)

屋盖的形态大致可以分为平面和曲面两种。平面体系的屋盖包括水平桁架或刚架、网架搭接的平屋面，也包含单坡、双坡、四坡等由桁架或网架搭接的坡屋面;依循同类结构形成的锯齿形屋面和折板屋面等也属于平面体系。曲面体系的屋盖则包括各种穹顶、拱顶、双曲抛物线扭面和鞍形曲面等。(如图2.2(a)、(b)所示)

屋盖结构如果从构件的组成上分类，可以分为面系结构和线系结构两类。面结构体系可以理解为屋盖平面或曲面本身即是结构的主体，如通过屋面板、壳体或受张拉的膜材构成的屋盖结构;而线结构体系则是通过梁、桁架、刚架、空间网架、悬索等线状的结构构件构成屋盖结构的骨架。

目前，大跨度建筑的结构种类大致有桁架结构、刚架结构、网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构、薄壁结构和组合结构多种。但深入分析各结构种类之间的关联，可以看出桁架和刚架结构同属于排架结构，而网架结构和网壳结构可归纳为空间网格一类，悬索结构和膜结构则可划分为依托空间张力的一类，薄壳和折板结构同属薄壁结构。本章为了便于分析和理解，将基本的大跨度建筑结构类型划分为5类，分别是排架结构、网格结构、张力结构、薄壁结构和组合结构。有关各结构类型的概念及特点，详见本章第二节。各基本类型的主要技术指标见表2.1。

纵观建筑历史的发展，并通过横向比较研究之后，我们发现大跨度建筑之所以能够持续发展，关键在于以下3个方面。

(1)社会经济的发展促生性能优异的新材料，为大跨度建筑发展提供了契机。

(2)长期建筑发展的积累，促使人们的力学知识和建筑结构技术趋于成熟。

(3)源自生活和大自然的经验与感受，成为触发设计创意的源泉，成功地使大跨度建筑成为技术与艺术二者的结合体。

人们是在历史长河的不断探索中，领悟到顺应自然科学法则的真谛的。

古代的大跨度建筑由于材料和技术的局限，经历了由仅依靠材料天然的跨度和受力性能，逐渐向考虑材料之间相互作用来加大跨度的漫长进程。

古罗马时期的万神庙是古代大跨度建筑的杰作，神庙大穹顶的直径达到43.3米，古罗马人用厚重的墙体来平衡大穹顶产生的侧推力，以至于墙厚达到几米。虽然万神庙在内部空间上，取得了高敞开阔的空间效果，但在外部形象上，其屋顶的穹顶曲线却受到厚重的石墙和伸出的门廊的压抑和遮挡。可见，古代的材料和建造技术可能达到一定的高度，但在技术与艺术的结合上还存在局限。(如图2.3(a)、(b)所示)

欧洲中世纪的哥特式教堂建筑，将大跨度建筑结构技术有力地向前推动了一步。哥特式教堂的重大发明是拱扶垛(又称为“飞扶壁”)，其主要受力线沿十字拱的对角线一直延伸到基础，以优良的材料建成细肋，其推力和反推力的相互作用达到力的平衡，从而取代了厚重的墙体作用。教堂建筑的拱扶垛和斜边廊设计经历了一系列的技术改进，终于在早期的大跨度建筑中取代了古罗马大浴场式的厚重砖石结构。(如图2.4(a)、(b)所示)

1824年英国人亚斯普丁取得了“波特兰水泥”的专利权;1840年，随着钢铁产量的大增，钢铁逐渐代替砖石作为建筑材料;1854年，法国人拉姆波特用水泥砂浆加金属丝网用于造船;1861年，法国花匠莫尼尔用钢丝网水泥做花盆，并在1867年取得了钢筋混凝土的发明专利，随后这项技术被成功地应用于建筑。新材料钢和混凝土的产生，成为建筑结构技术大发展的催化剂。

1851年，英国伦敦著名的“水晶宫”建成，其建筑跨度达到115米;1889年，巴黎轨迹博览会的机械馆是第一批严格按照力学和结构逻辑建造的大跨度建筑之一(如图2.5所示)。它的结构形式是典型的三铰桁架，这种结构方案在建筑上是史无前例的。钢结构的实现基于理论和结构上的分析和计算，桁架截面的变化和拱脚的界面被缩为一点触地，完全是技术决定的形式。

总之，是新观念、新材料、新技术共同造就了现代大跨度建筑的不断取得成就与辉煌。

设计思维和理念的进步源于生活、源于自然。

自然界的事物一直给予智慧的人类以深深的启迪，人们从很早就开始观察自然，并且能够从自然界吸收设计的灵感。哥特式教堂的拱扶垛在结构和形式上都与脊椎动物的骨架有着明显的相似性，比如鱼骨就是最常见并易于被人们关注的实例。同样还有很多事物成为人们关注的对象，海滩上的贝类、鸟类的蛋壳、乌龟的龟甲等都让人们产生了与建筑相关的联想，并随之触发了薄壳建筑的产生与发展。水滴和肥皂泡是小型的充气式薄膜结构，蜜蜂的蜂房形象展示出了空间的网格结构及其构筑物，而蜘蛛网通过具有张力的蛛丝拉接起的整个网状结构，则是现代索网结构建筑的生动模型(如图2.6(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)所示)。随着结构技术和材料的革新，这些灵感的火花有了大放异彩的可能。应该说，从单一到多元，大跨度建筑从基本的梁架结构发展到现代建筑桁架、刚架、网架、薄壳、悬索、膜结构等多种结构形式，并由此产生多元化的外部形象，成为现代建筑家族中具有千面风情的一员。

薄壳结构大跨度建筑可以说与乌龟的龟甲有着异曲同工之妙:龟甲呈拱形，跨度大而甲壁仅厚几毫米，人们甚至用铁锤也很难砸坏它;薄壳建筑采用了相同的原理，薄壳用料少但跨度大，坚固耐用。最早的钢筋混凝土薄壳结构用于建筑的屋顶应始于1910年，随后的薄壳建筑不断地取得技术性的突破，壳体越来越薄，重量越来越轻，各种形态的薄壳建筑应运而生。壳体也不再是圆拱形，出现了奇异的形态和组合。

膜结构建筑是现代大跨度建筑类型中的一朵奇葩，它的出现与发展不仅源自人们对自然事物的理解与想象，更是与新的材料钢材和薄膜的出现和完善分不开的，因此成为大跨度建筑的多元化的一个方向。(注:本书专列章节解析膜结构建筑，这里不再详述。)

悬索结构和膜结构一样，与自然界的启发有关，并且都是由于现代材料技术的进步才得以大放异彩。悬索结构是一种古老的结构形式，古人们很早就会在山崖之间利用天然的植物毛竹、藤条建造吊桥。中国汉代时就有关于铁链桥的记载。但由于材料的性能有限，悬索结构的建筑并没有得到足够的发展。

悬索结构的发展开始于20世纪初，现代悬索结构建筑的开山之作是1953年建成的美国北卡罗来纳州罗利体育馆，随后的悬索结构大跨度建筑，不断呈现多元的形态和结构。

总的说来，现代大跨度建筑的发展呈现两种趋势。

(1)各种结构类型不断丰富，并呈现组合与优化的态势。

(2)各种材料和技术的不断更新，出现综合各种材料优点的复合型新材料。

建筑设计追求创新与独特，大跨度建筑尤为突出。屋面的形式作为标新立异的重要部分，成为设计师们刻画的重点。单一的平面或是曲面的屋盖在广泛的应用日趋成熟后，相应发展出平面屋盖和曲面屋盖相结合的组合型屋盖结构，极大地丰富了大跨度建筑的外形。同样地，从结构构件角度而言，面结构体系与线结构体系也自然组合并发展。复杂的线结构骨架与多样的面结构屋盖相结合，从内向外地丰富了建筑的空间。

1.南昌江西省体育馆(如图2.7(a)、(b)所示)

南昌江西省体育馆的结构即是由面结构的网架和线结构的悬索组合而成的。这种组合不仅改变了网架结构屋面的传统形象，同时使屋面结构的整体性和安全度都进一步提升。这种组合方式在体育场馆类的建筑中得到了相当广泛的应用。

此外，同种类型结构在大跨度建筑中的多样化组合，也成为大跨度建筑设计创新的重要方法。无论是相同形式的屋面单元串联式组合形成富有韵律感的外观，还是屋面单元几部分围绕一个核心并联展开，形成意想不到的层次感，同类型的屋面结构经由简单的组合，就成就了大跨度建筑锦上添花的效果。

2.荷兰席阿夫速滑馆(如图2.8所示)

荷兰席阿夫速滑馆采用的是串联式的组合屋盖，即整座建筑的屋盖结构分为三个组成部分，每部分都采用悬索结构，由两个辐射形悬索屋盖和一个单向双层矩形悬索屋盖串联起来组合而成。这种组合，不仅满足了速滑馆平面形态的需求，同时相似的结构构件达成了建筑外观整体的协调和统一。

3.北京石景山体育馆(如图2.9(a)、(b)、(c)、(d)所示)

北京石景山体育馆采用的是并联式的组合屋盖，即这个屋盖结构由相同的三个部分围绕一个中心并联式地组合而成。由于屋盖的每部分都呈现相同的空间形态，围绕一个中心组合，使得建筑全方位多角度的丰富性都极大提高。同时，在三部分屋顶的结合部，精妙的设计使庞大的建筑内部获得了可贵的自然采光，使建筑外观获得了具有装饰效果的部件符号，从而使建筑的结构、功能和形式的统一都通过屋盖结构的组合与优化得以实现。

由此看来，大跨度结构建筑超越单一的结构和形式，通过将相同或不同的屋面组合为一个完整合理的结构整体，从设计的实用性和可靠性上全面提升建筑空间的质量，并在建筑内外空间赋予更多创新型的建筑语汇，成为大跨度建筑不断发展、日臻完美的方向之一。

结构和材料是建筑发展道路上相伴而行的一对兄弟，结构技术的产生和发展往往基于新材料的涌现和材料性能的提升。人们从自然界获得广泛启示，使得许多建筑的理想结构模型早已酝酿或产生，只是当相应完成这些模型所必备的材料出现或达到理想的效果时，结构技术才得到实质性的发展。同时，当结构技术应用取得了一定效果，限于材料的性能不能得到广泛和深入的应用时，呼唤材料的更新或性能的提升就成为必然。因此，对于大跨度建筑而言，材料技术的发展与提升将是一个伴随其发展过程的永恒话题。

应用最为广泛的大跨度建筑材料钢和混凝土，始终是材料技术研究和发展的重点。预应力钢筋混凝土的出现，提高了混凝土的刚度和抗裂性能，人们可以从相同材料损耗中得到更大的空间，这成为材料技术进步的重要方向之一。

同时大规模的材料需求，势必加快全球能源的损耗，这与全球能源的合理开发是相悖的。是不是在不远的将来，钢材和混凝土能够更加经济和环保，或者出现新的替代者来担当重任，这也是现代材料技术研究的方向之一。

近年来，生态和环保是人们尤为关注的话题，以天然材料为主要建材的建筑越来越多。竹材、木材让人们感受到大自然的亲切，在世界博览会上人们甚至尝试了用纸材来建造建筑。但是，大量天然材料的使用极不现实，回收的天然材料经过再加工以保留特色、减少用量、提升性能也成为一种研究方向。胶合木就是应这种需求产生的建材，它有效地提高了木材的使用率，材料的强度、耐久、耐潮和耐火性能比起木材大为提升，同时由于胶合木较好的强度重量比和可免去定期维护的优良特性，使得胶合木在许多类型的大跨度建筑中有了替代金属作为结构用材的可能。(如图2.10所示)

可见，大跨度建筑赋予材料的要求与日俱增，时代的发展又呈现出许多尴尬和矛盾，在维护和发展之间取得平衡，是人们在任何时候都不可回避的责任。