當(dāng)世界即將邁入21世紀(jì)之際,回顧人類發(fā)展的歷史,就可發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是其活動(dòng)空間的不斷改善與擴(kuò)充。遠(yuǎn)古伊始,人類或挖洞穴居、或構(gòu)木為巢,僅是為爭(zhēng)取勝一個(gè)生存的空間,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們懂得運(yùn)用各種材料建造出更牢固、更舒適的空間。從古羅馬的圣彼得大教堂到當(dāng)今英國正在興建的“千年穹頂”,其直徑由42m擴(kuò)大到320m,就是一個(gè)鮮明的例證。20世紀(jì)人類的活動(dòng)更加走向開放,人們已不再閉關(guān)自守,而是不斷擴(kuò)大國與國、洲與洲以至全世界范圍的交流。這種需求必然會(huì)影響人類建設(shè)的格局。在各種交流活動(dòng)中,體育比賽無異是一種更激動(dòng)人心的方式。因此,奧林匹克體育競(jìng)賽館、世界杯足球比賽場(chǎng)……就在世界各地堀起。學(xué)術(shù)、文化、藝術(shù)與商業(yè)上的交流促使一些大城市建成了規(guī)模龐大的會(huì)議展覽中心,此外,各種臨時(shí)性與永久性的博覽會(huì),也要求提供上萬平方米的面積。為了進(jìn)行交流,人們要更多地乖坐飛機(jī)旅行,20世紀(jì)是噴氣式客機(jī)的世紀(jì),因而大規(guī)模的候機(jī)大廳與飛機(jī)庫就在本世紀(jì)誕生。
這些建筑都有毫無例外地要求一個(gè)大的活動(dòng)空間,因而跨度大、自重輕、造型富于變化就成為這些建筑的共同特征,有時(shí)還要求所圍護(hù)的空間能夠隨時(shí)開啟與閉合。縱觀建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史,三維的空間結(jié)構(gòu)是更能滿足以上要求的,往往成為眾多結(jié)構(gòu)方案中的很好的選。在人類古老的建筑中早就已經(jīng)出現(xiàn)了空間結(jié)構(gòu)的痕跡,例如我國半坡遺址的居屋就是一個(gè)原始的空間骨架,而北美印第安人從他們始祖繼承下來的棚屋,其以枝條搭成的穹頂與現(xiàn)代網(wǎng)殼則有驚人的類似。其后,自歐洲文藝復(fù)興時(shí)代所出現(xiàn)的教堂建筑,以磚石構(gòu)成的穹頂雖然又厚又重,但在某種程度上仍體現(xiàn)了空間作用。然而現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的出現(xiàn),應(yīng)該從20世紀(jì)初期興建的鋼筋混凝土薄殼算起,這應(yīng)該道德歸功于先進(jìn)建筑材料—鋼鐵與混凝土的誕生。第次世界大戰(zhàn)之后,百廢待興,大量的建筑使空間結(jié)構(gòu)走向蓬勃發(fā)展的康莊大道.50年代后期以桿件組成的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)嶄露頭角,其中平板形的稱為網(wǎng)架,曲面形的稱為網(wǎng)殼。這種結(jié)構(gòu)的桿件以鋼、木或鋁合金制成,通過節(jié)點(diǎn)組合成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。以后又陸續(xù)出現(xiàn)了以受拉來主要受力特征的張拉結(jié)構(gòu),起初有以鋼索承重的懸索結(jié)構(gòu),其后則有以合成材料制成建筑織物來受力的膜結(jié)構(gòu)。就結(jié)構(gòu)自重而言,從磚石穹頂?shù)?400㎏/㎡減少到膜結(jié)構(gòu)的10㎏/㎡,說明了建筑結(jié)構(gòu)飛躍的進(jìn)步。因此,空間結(jié)構(gòu)已成為本世紀(jì)建筑結(jié)構(gòu)學(xué)科中更重要與更活躍的發(fā)展領(lǐng)域之一。
空間結(jié)構(gòu)建造及其所采用的技術(shù)往往反映了一個(gè)更好的建筑技術(shù)的水平,一些規(guī)模宏大、形式新穎、技術(shù)先進(jìn)的大型空間結(jié)構(gòu)也成為一個(gè)更好的經(jīng)濟(jì)實(shí)力與建筑技術(shù)水平的重要標(biāo)志。近年來,世界各國在體育場(chǎng)館、會(huì)議展覽中心與機(jī)場(chǎng)的大規(guī)模建筑中采用了不少引人注目功能的要求。集中反映了當(dāng)今的世界潮流,下面擬就體育建筑中采用空間結(jié)構(gòu)后些典型工程加以評(píng)述,并對(duì)中國今后空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展提出一些看法。
體育建筑一直是空間結(jié)構(gòu)應(yīng)用的廣泛領(lǐng)域,其中網(wǎng)架又是在早期建造得更多的一種結(jié)構(gòu)類型,60年代在美國洛杉磯加利福尼亞大學(xué)體育館采用的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)啟發(fā)下,中國用自己的力量設(shè)計(jì)與建造了很好的都體育館。當(dāng)時(shí)加州大學(xué)體育館的尺寸是91m×122m,采用正放四角錐網(wǎng)架,而很好的都體育館的尺寸則是99m×112m,采用兩向正交斜放網(wǎng)架。這個(gè)大跨度網(wǎng)架的成功興建大大推動(dòng)了網(wǎng)架在體育建筑中的應(yīng)用,此后一些省市的主體育館幾乎無一例外地都有采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu).1990年北京為亞運(yùn)會(huì)所建設(shè)的13項(xiàng)大中型體育館中,就有半數(shù)以上采用了網(wǎng)架結(jié)構(gòu),可見其影響之深遠(yuǎn)。近年來,可能由于平板型網(wǎng)架的外形過于單調(diào),失去了建筑師們的偏愛。另外,由于計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)民展使曲面形網(wǎng)殼的設(shè)計(jì)與制作大為方便,因而在體育建筑中網(wǎng)殼的應(yīng)用有逐步上升的趨勢(shì),特別是穹頂幾乎風(fēng)靡了日本全國。穹頂(dome)就其原意來說是一個(gè)半圓形的頂蓋,而用網(wǎng)殼建造穹頂并非新事,早在本世紀(jì)初,德國工程師施威德勒(Schwedler)就發(fā)明了一 種肋環(huán)斜桿型的網(wǎng)殼,這種以他名字命名的網(wǎng)殼一直在圓形屋頂?shù)慕ㄔO(shè)流傳。70年代美國休斯頓的宇宙穹頂(Astrodome)和新奧爾良的超級(jí)穹頂(Superdome)也分別以196m和207m的直徑保持了多年的網(wǎng)殼大跨度記錄。90年代這種穹頂在日本得到了振興,其名稱為被音譯為“多姆”(卜-),其外形也不限制為圓形了。一些城市的體育館都有被稱為“多姆”,象大阪、名古屋、大館、熊本以及札幌、仙臺(tái)等地已建成或準(zhǔn)備興建的“多姆”就不下二來個(gè)。這種穹頂?shù)奶攸c(diǎn)是,不僅可以用作體育比賽,還可以用作多種文化活動(dòng)與展覽的場(chǎng)所,這正符合了人們要求交流的需要,同時(shí)在建筑與結(jié)構(gòu)上也有所創(chuàng)新。
日本名古屋穹頂是當(dāng)前世界上跨度更大的單層網(wǎng)殼。該體育館整個(gè)圓形建筑的直徑為229.6m,支承在看臺(tái)框架柱頂?shù)奈萆w直徑則有187.2m,采用以鋼管構(gòu)成的三向網(wǎng)格。每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都有六根桿件相交,采用直徑為1.45m的加肋圓環(huán),鋼管桿件與圓環(huán)焊接,成為能承受軸向力與彎矩的剛性節(jié)點(diǎn)。由于羅馬尼亞布加勒斯特穹頂?shù)膯螌泳W(wǎng)殼(直徑93.5m)在1961年的一次暴風(fēng)雪后出現(xiàn)過倒塌事故,大跨度的單層網(wǎng)殼一直被視為禁區(qū)。名古屋穹頂之所以獲得突破性的進(jìn)展是與科研工作分不開的。在設(shè)計(jì)中曾對(duì)各種荷載情況以及抗震、穩(wěn)定與施工過程中的缺陷進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。