圖2b所示，屋蓋空間結(jié)構(gòu)是一種由于形狀而產(chǎn)生效益的結(jié)構(gòu)，因此它又叫形效結(jié)構(gòu)（Formative Structures）。屋蓋空間結(jié)構(gòu)的三個鮮明特點(diǎn)是（圖3）：

1曲面空間狀（曲面按形態(tài)學(xué)、拓樸原理構(gòu)成，有封閉邊緣構(gòu)件）

2軸力結(jié)構(gòu)

3用料很經(jīng)濟(jì)

圖3 屋蓋空間結(jié)構(gòu)屋蓋空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平是衡量一個國家的力學(xué)基礎(chǔ)理論，應(yīng)用技術(shù)和材料科學(xué)等建筑高科技的標(biāo)志之一。由于，索結(jié)構(gòu)的剛度是通過施加預(yù)應(yīng)力獲取（剛化），因此，屋蓋柔性空間結(jié)構(gòu)的科技含量最高。圖8a所示美國喬治亞索穹頂（Cable Dome），我在[15]文“大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)哲理”中，稱為準(zhǔn)張拉整體（準(zhǔn)Tensile Integrity，簡稱Tensegrity）到目前為止，仍然是世界上最先進(jìn)的屋蓋結(jié)構(gòu)。

表1所示的兩種空間結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新點(diǎn)如圖4所示。

為了加深對結(jié)構(gòu)分類概念的理解，必須嚴(yán)格區(qū)分結(jié)構(gòu)（Structure）與構(gòu)件（Structural Member）。圖5所示：平板網(wǎng)架和埃菲爾鐵塔都是由軸力構(gòu)件（Axial Force-Resisting Members）組成的彎矩結(jié)構(gòu)，——荷載產(chǎn)生的外彎矩由結(jié)構(gòu)的抵抗彎矩平衡；格柵是彎矩結(jié)構(gòu)；二維張弦梁和美國漢考克中心是由壓彎構(gòu)件（Beam-Column Members）和軸力構(gòu)件組成的彎矩結(jié)構(gòu)等。

圖6所示，當(dāng)屋蓋跨度l ≥100時，屋蓋空間結(jié)構(gòu)與屋蓋彎矩結(jié)構(gòu)的用鋼量相差非常大，可見，大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)方案必須向屋蓋空間結(jié)構(gòu)方案的方向靠近才經(jīng)濟(jì)。

圖6  屋蓋結(jié)構(gòu)用鋼量與跨度之關(guān)系

二  中、外大型全鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)效率對比

1 高層全鋼結(jié)構(gòu)

圖7a所示，世界高層全鋼結(jié)構(gòu)的前三名都在美國，隨著高層的高度H增加，抗側(cè)力體系的結(jié)構(gòu)方案也在變化（框架→框筒→束筒），而用鋼量卻在減少（206→186.6→161kg/m²）,說明科技的巨大作用。其中，世界貿(mào)易中心具有幾個突出特點(diǎn)：① 箱形柱很小，僅450mm×450mm×(7.5mm~12.5mm)^[8]；② 3根柱子轉(zhuǎn)換為底層1根柱未設(shè)轉(zhuǎn)換層；③ 3層柱1個吊裝單元，用高強(qiáng)螺栓現(xiàn)場拼裝，工期短。

我國CCTV選擇了怪異的框架結(jié)構(gòu)（懸臂75m，圖7b），嚴(yán)重違背抗震規(guī)范[1]結(jié)構(gòu)體型的強(qiáng)制性條件，是一個不安全的低水平結(jié)構(gòu)方案，且截面形狀怪異巨大，耗費(fèi)14.2萬t鋼材，結(jié)構(gòu)延性差，施工極為艱難。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]：“設(shè)鋼結(jié)構(gòu)建筑耗鋼為G，建筑物總重為P。結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)秀性與G/P成反比，一般是：優(yōu)秀設(shè)計G/P=0.2~0.3；平庸設(shè)計G/P=0.4~0.5；拙劣設(shè)計G/P=0.6~0.7”。美國世界貿(mào)易中心（圖7a）：總重P=40萬t，G=8.4萬t，從而G/P=0.21，屬于優(yōu)秀設(shè)計。

2 大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)

圖8可見，先進(jìn)國家的大跨度屋蓋采用屋蓋空間結(jié)構(gòu)，用鋼量少（圖8 a）。日本茗古屋穹頂，單層球網(wǎng)殼直徑已達(dá)D=187.2m^[10]（鼓型鑄鋼節(jié)點(diǎn)1450，高700mm），而我國規(guī)程[4]規(guī)定：D≤60m，差距太大。

我國幾個大型場館采用屋蓋彎矩結(jié)構(gòu)，用鋼量大（圖8b），如國家體育場，即鳥巢（Brid’s Nest）,采用平面桁架系結(jié)構(gòu)^[18]，總耗鋼：4.1875萬t^[6]~5.21萬t，即用鋼量710~881kg/m²，理念是“無序就是藝術(shù)”，從而，創(chuàng)造了“用鋼量最大的建筑奇跡”；國家體育館，即水立方（Water Cube），理念為“泡沫”理論，經(jīng)旋轉(zhuǎn)、切割等復(fù)雜計算后成為屋蓋和墻體，創(chuàng)造了“簡單問題復(fù)雜化的建筑奇跡”；深圳大運(yùn)會體育中心體育場，采用單層折面格柵懸臂彎矩結(jié)構(gòu)，橢圓平面：285m×270m，由20個形狀相近的結(jié)構(gòu)單元組成，單元挑出長度51.9m~68.4m，鑄鋼結(jié)點(diǎn)多達(dá)7類，總數(shù)7×20個=140個，鑄鋼總重0.42萬t。肩谷結(jié)點(diǎn)最大，外形尺寸：5.4m×4.6m×3.4m（10管相交），壁厚400mm，與鍛打鋼管1400×200對接焊。肩谷單件重98.6 t ^[12]。屋蓋總重1.8萬t，創(chuàng)造了“荷載傳力路線最長、鑄鋼結(jié)點(diǎn)最大”的世界建筑奇跡。

工程實(shí)例①：國家大劇院（圖10a），橢圓平面：212m×143m，結(jié)構(gòu)方案選擇網(wǎng)殼是正確的，但由于

截面尺寸選得太大，用鋼量高達(dá)292 kg/m²。根據(jù)1963年美國教授司密斯（Smith M.G）對166個已建大跨度屋蓋（11種）進(jìn)行回歸分析^[24]，這種網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)用鋼量不超過80 kg/m²（圖10）；工程實(shí)例②：某房屋的一個結(jié)構(gòu)跨度L=45.6m，選擇用預(yù)應(yīng)力鋼桁架方案是正確的，但桁架高度H選8m就大錯特錯了，合理桁架高度3m即可。可見，設(shè)計是硬道理，“硬”設(shè)計就沒有道理!硬道理在哪里？就是結(jié)構(gòu)工程師要利用力學(xué)功底和結(jié)構(gòu)理論正確選擇結(jié)構(gòu)方案，并在上計算機(jī)前，合理估計構(gòu)件截面尺寸。否則，所謂的優(yōu)化是無大用的!

20多年來，我與我的團(tuán)隊對大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)和高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，并設(shè)計了不少工程項目，總結(jié)并提出了一些設(shè)計理念，如表3所示，希望從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的同仁們批評指正。

參考文獻(xiàn)

[1]       中國建設(shè)部，建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 500 11-2010），中國建筑工業(yè)出版社，2010年12月1日"歡迎大家轉(zhuǎn)摘！轉(zhuǎn)載須注明中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)(www.iluxenio.com)謝謝合作！"