膜结构超大跨度建筑
现代空间结构的新发展
一、 概述
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。而计算理论的日益完善以及计算机技术的飞速发展使得对任何极其复杂的三维结构的分析与设计成为可能。这些正是空间结构能够扩大应用范围得以蓬勃发展的主要因素。近几十年来，世界上建造了成千上万的大型体育馆、飞机库、展厅，采用了各类空间结构，展示着优美的造型，成为一道道风景。更有无数的厂房、仓库等采用空间结构，实现了经济、合理的完美统一。
目前空间结构向着轻量、大跨方向发展，这种发展趋势要求必须千方百计降低结构自重，降低结构自重的途径一方面是研制运用轻质高强的新型建筑材料，另一方面是研究开发合理的结构形式。结构受拉部位采用膜材或钢索，受压部分采用钢或铝合金构件，这样膜、索、杆结合使用，形成杂交结构，可望实现理想的轻量大跨结构。
张拉整体结构和膜结构是降低结构自重的较理想的结构体系，可跨越很大的跨度。目前跨度已做到200m左右。这两种结构我美国和日本发展最快，建造了很多大型工程。
另外适应全天候气候条件的开合结构、施工便捷的折叠结构，以及外观华丽扌度结构等也都有属于现代空间结构新发展的课题。国外已有很多的工程应用。下面对前面提到的几种空间结构分别予以论述。
二、张拉整体结构
“张拉整体”（Tensegrity）概念是美国著名建筑师富勒（R.B.Fuller）的发明，这旨“张拉”（tensile）和“整体”（integrity）的缩合。一社概念的产生受到了大自然的启发。富勒认为宇宙的运行是按照张拉一只析原理进行的，即万有引力是一个平衡的张力网，而各个星球是这个网中的一个个孤立点。按照这个思想张拉整体结构可定义为一组不连续的受压构件与一套连续的受拉单元组成的自支承、自应力的空间网格结构。这种结构的刚度由受拉和受压单元之间的平衡预应力提供，在施加预应力之前，结构几乎没有刚度，并且初始预应力的大小对结构的外形和结构的刚度起着决定性作用。由于张拉整体结构固有的符合自然规律的特点，最在限度地利用了材料和截面的特性，可以用尽量少的钢材建造超大跨度建筑。
对于张拉整体结构的研究开始于40多年前，从最初的设想到工程实践大约经历了以下几个阶段：想象和几何学、拓扑和图形分析、力学分析及试验研究。膜结构其中力学分析包括找形、自就历程准则、工作机理工科稳步力作用下的性能等。张拉整体结构的几何形状同时依赖于构件的初始几何形状、关联结构（拓扑）及形成一定刚度的自应力的存在。另外这种结构在外力作用下的变形（与自应力的效果不同）也提出了其它结构问题，首先它属于临界类体系，结构在外荷载过程中刚度不断发生变化，传力途径也就随之改变；膜结构其次这种结构只能在考虑了几何非线性甚至材料非线性时才能分析。
从50年代起，许多研究工作者都采用了靠想象的实用方法，如斯耐尔森（K.Snelson）的雕塑及莫瑞挪（Moreno）的设想等。最重要的几何学上的工作是由富勒和埃墨瑞赤（D.G.Emmerich）完成的。加拿大的结构拓扑研究小组在形态学方面做了最重要的工作，他们出版的杂志包括了许多张拉整体体系拓扑方面的文章，但这些研究都是数学上的，在三维空间上工程应用的研究也只为警告设计者们容易出现的不稳定方案。在大多数情况下，张拉整体多面体几何的构成特性使得图形理论可以用来模型化它们的拓扑。
张拉整体的找形分析为的是使体系的几何形式满足自应力准则。对于一个基本单元，可以用一种简单的静力方法来获得自应力几何，膜结构其原则包括寻找一个或一套元素的最大或最小和度，同时得到其它元素的尺寸条件。佩里哥瑞挪（S.Pellegrino）建议了用一种标准非线性程序解决这一问题的方法。而一个基于虚阻尼的动力松驰方法也得到了同样的结果。
张拉整体结构的力学分析类似于预应力铰节点索杆网格结构，除了一些特殊的图形外，都含有内部机构，呈现几何柔性。为了研究的目的，除了一般的找形和静动力分析过程外，有时还用到一个中间过程：稳定性、机构及预应力状态的研究。张拉整体体系的分析模型必须考虑非线性特性和平衡自就历程的存在。莫赫瑞（Mohri）说明了如何保证适当的自应力及单元的刚度，还给出了识别与索提供的刚度相一致的自应力状态的算法。张拉整体结构的静力性能的非线性分析已经完成，其模型基于松驰原理或牛顿-拉夫逊型过程的矩阵追赶法原理，有人也做了动力松驰的模型。
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