摘要：本文講述的是關于若干空間結構的發展歷史的探討與分析。

　　關鍵詞：空間結構發展、穹頂、空間網格、整體張拉結構、雜交結構

　　1 引言

　　代表大空間的建筑稱為無柱空間或者大跨空間，水平方向尺度很大的空間稱為橫向空間，與高層建筑形成的豎向空間構成一對主要的空間形式。

　　“更寬敞、跟高聳”兩者都是人們的追求，但其發展歷史則顯著不同。豎向空間是進入20世紀才顯著發展的，與之相比，作為橫向空間的代表形態的穹頂，就有2000年以上的歷史，隨著各個時代最先進的材料和技術的應用，不斷擴大其跨度而得到發展。

　　在與重力和自然的競技中發展起來的大跨度結構，其主要技術有以下類別：

　　1.構件截面的改進——H鋼、鋼管、波形鋼、變截面梁

　　2.結構方式的創新——拱、殼、索網

　　3.結構方式的變化和組合——拱和懸掛屋蓋、梁和吊桿

　　4.高強度材料的開發——鋼材、纜索、近代膜材

　　5.結構的輕量化——中空截面材料、桁架梁、鋁合金構件

　　6.應力、變形的控制——預應力混凝土、張弦梁、支承拱

　　2 從穹頂了解空間結構的發展史

　　從古代羅馬的萬神廟、文藝復興時代的佛羅倫薩等的歷史性建筑可以看到，穹頂、拱廊、拱頂都是建筑技術史上，自古以來就加以使用的代表性的空間要素。自身穩定性好的三維形態，代表了宇宙安定秩序的絕對空間，給人們以震撼和感動。

　　古典穹頂中，最古老的是萬神廟(占地120公頃，跨度43米)。無論從哪一方面看，都可以作為古代穹頂建筑的最高典范，令人驚訝的是直到進入19世紀為止，它一直是跨度最大的穹頂。到阿爾赫西拉斯的殼體(1933年、跨度47米)超過萬神廟是，已經過了1800余年，記錄下人類為實現空間結構主題之一的“規模的擴大”而艱苦奮斗的歷程。巨大的砌體結構穹頂，建造時使用磚塊、石頭、素混凝土等主要用來抗壓、但對抗拉幾乎沒什么抵抗力的材料，結構構成主要是有限的二維拱的集合體。為了保證形式和力學上的穩定，拱的截面非常厚實，因此形成風格粗重的穹頂。

　　進入近代，發明了能抵抗壓力和拉力的鋼筋混凝土，穹頂結構推出近代混凝土薄殼而完成了革命性的變化。穹頂的結構概念，本來就是以旋轉面形成的三維殼體，可以延伸為一般的薄殼概念。因此，鋼筋混凝土穹頂可以超過50米的跨度，而殼的厚度不過10厘米左右，使得功能、結構、形態的協調成為可能。從此以后，人們對空間結構便追求起“形態構成的自由度”和“施工的合理性”，直至悉尼歌劇院的誕生為止，有關空間機構的這些課題綜合解決是非常困難的。

　　現代將把球面適當地予以分割，利用鋼材、木材等單一構件構成球面狀，發展成重量輕、強度高、剛性大的所謂空間網格式的穹頂，使得更大的跨度成為可能。此外，將不同材料組合而成的雜交結構，使穹頂結構體系得以繼續發展。

　　3 空間網格的發展史

　　根據J.PUXSTON對水晶宮(1851)所做的力學分析，空間網格結構有兩大特色，其一是從傳統的拱式結構轉變為由梁式桁架和支撐的組合空間結構，另一點是有插銷式錨固變為采用鑄鐵連接件，使得變通性很大的空間網格結構得以實現。19世紀末的大跨度建筑，雖然多數為并列的拱結構，但是開拓了鋼結構三維鋼架向網殼發展的道路，其代表作是Xchwedler設計的煤氣罐(直徑40米)、天文館(直徑16米)等。20世紀初，G.Belle提出了空間桁架后，Wachsmann、Fuller等指出了工業化發展的前景，隨著多種節點方案的提出，空間網格作為現代結構得到了普及。

　　今后用于空間結構的空間網格，因為是以網格為基本構成，不僅可以作為大空間的結構體系，在其他結構形式(拱、穹頂、膜、雜交結構等)中也可以作為結構構成，成為具有開放感和力度感的建筑設計要素。

　　4 張拉結構的發展史

　　一般的張拉結構，主要是指僅抵抗拉力的材料，也就是定義為使用“張拉構件”的結構。張拉結構的類型，大致可以分為懸掛結構和膜結構。前者又具有懸吊屋蓋和斜拉式、后者有張力膜和空氣膜的分類。

　　巧妙地利用張力的懸掛結構，從橋梁和建筑的互相比較看，其發展有相當大的差別。例如有名的Clifton橋(1864年，跨度260米，Brunel)、Brooklin橋(1883年，跨度486米，Roebling)等懸索橋，建造后至今歷經100年以上，仍然能夠實際使用，非常結實，其達到的技術高度令人驚異。于此相比，建筑中的懸掛結構起步很晚，其開端是Raleigh Arena博覽館(1953年，跨度98米，Nowcki)。之前，在1896年的全俄博覽會上屋蓋的記錄，1958年的布魯塞爾博覽會，也有多個關于懸掛結構用于建筑可能性的嘗試方案，但盡管如此，此后的進步與普及，與橋梁相比相差較遠。

　　在日本，代代木奧林匹克體育館于1964年完成后，利用索網的懸掛結構實例非常少，若論理論分析和施工技術的成熟程度，仍然留有一種奇妙的感覺。其原因是建筑的多樣性，設計者對索結構材料缺乏理解和經驗，社會的要求，行政方面也有種種顧慮。

　　關于膜結構的近代史，可以認為從演雜技的帳篷開始的。利用近代技術建造大空間的膜結構，以第二次世界大戰后Votta Byrd創造的空氣膜結構為最初嘗試。其后采用高強度纖維制成的織物上覆以合成樹脂的膜材料，可以在永久性建筑中使用膜結構。1970年大阪世界博覽會上的美國館，D.Geiger 提出了建立低拱度空氣膜結構的可行性方案，之后主結構采用索、梁結構、與膜結構組合形成新的結構體系。1990年美國Thunder穹頂就是其中一例。

　　最近張拉結構正在迅速發展的一個方向是所謂雜交結構(Hybrid Tension Structure)。定義為由柔性的索、膜和剛性的梁、拱、撐桿、鋼架等的組合結構體系。雜交結構除了結構上的合理性外，還具有制作、施工、運輸等現實意義上的合理性。

　　5 張拉整體結構的發展史

　　張拉整體“Tensegrity”最初是由美國建筑師富勒提出的, “Tensegrity”一詞是由“Tensional”(張拉)和“Integrity”(整體)兩個詞縮并而成。他把張拉整體結構體系描述為“受壓的孤島位于拉力的海洋中”。張拉整體結構的專利定義應包括以下幾個方面：(1)張拉整體結構是空間網格結構，也就是受拉構件在壓力下沒有剛度，而且也必須只能處于受拉狀態;(2)結構處于自應力狀態，即剛度是通過自應力作用產生的，與其他外界作用及連接作用無關，這一點同預應力是有所區別的，因為預應力產生與相關節點的約束狀態;(3)所有桿件都是直桿且截面尺寸大小相同;(4)受拉桿件在壓力作用下沒有剛度，并形成一個連續的整體;(5)受壓構件分散布置;(6)每個節點保證有一根壓桿且只能和一根壓桿相連。皮尤(Pugh)提出以下建議：“張拉整體結構是由多個離散的受壓構件和一組連續的受拉構件相互作用形成的空間穩定的形體”，勒內.莫特羅提出“張拉整體結構是一些離散的受壓構件包含于一組連續的受拉構件形成的穩定自平衡結構”

　　6 雜交結構的發展史

　　最近張拉結構正在迅速發展的一個方向是所謂雜交結構(Hybrid Tension Structure)。雜交結構是與殼體、索桁等純粹追求力學合理性的結構，以及由同一材料形成的結構(Thorough-bred)等概念相對應的結構。

　　雜交結構大體可以分為兩類，一類是將單純結構構成材料的特性予以變更形成的結構。例如，將具有抗彎剛度的H型鋼制成抗拉構件代替索形成的半剛性懸掛結構，就是其中的代表性結構。

　　另一類是將不同的承載體系組合而成的結構。其中，柔性的抗拉材料和剛性的梁、拱等組合而成的雜交張拉結構就是代表性的結構。這里就張拉構件使用索等線狀材料的結構予以敘述。而索單元的材質、形狀也可以任意，具有非常多的擴展可能性。

　　目前影響較大的是由日本法政大學川口衛教授提出的弦支穹頂結構。弦支穹頂結構是將索穹頂等張拉整體結構的思路應用于單層球面網殼而形成的一種新型雜交空間結構體系。弦支穹頂結構最根本的結構特點是在單層球面網殼下部設置索桿體系，一方面改變了結構體系，另一方面通過張拉拉索在結構中建立預應力以改善結構的受力性能和減小對周邊構件的依賴程度，使結構體系的自平衡程度得到極大的提高。