建筑索结构的概念、类型与发展

近年来,索结构在建筑结构中越来越多地得到应用，其建造技术也得到迅速发展。北京工业大学空间结构研究中心主任、中国钢结构协会空间结构分会理事长张毅刚教授在《建筑索结构的概念、类型与发展》一文中详细地介绍了悬索结构、管内预应力结构、张弦结构、拉索结构、斜拉结构、索拱结构、吊挂结构等七种类型的结构及其在我国最新的工程实践，并就各种类型建筑索结构的组成与受力特点及其在建筑钢结构与幕墙（采光顶）中的应用与发展进行了论述。——编者

⒈引言。

我国在建筑结构中应用预应力索始于20世纪 50年代，1991年中国土木工程学会桥梁与结构分会在无锡召开了全国索结构学术交流会，尽管预应力索在桥梁结构中应用更多，会上还是展示了在建筑结构中应用的良好势头。2002年，中国工程院院士、浙江大学教授董石麟和北京工业大学教授陆赐麟整理了我国主要预应力钢结构工程（不包括膜结构工程），截至到 2001年有28项。光阴荏苒。目前，我国建筑结构中预应力索的应用已经遍地开花，无论是设计理论还是制作建造技术均有了长足的进步。据不完全统计，仅新发展起来的空间张弦结构已经有18项工程；近几年新建的火车站已有12个应用了索结构；综合起来估计有数百项工程。1997年，中国工程院院士、哈尔滨工业大学教授沈世钊等所著《悬索结构设计》中所列的索结构形式，均有了新的工程实践，且不断创新。随着114米×144米跨度的双向张弦桁架、122米跨度的张弦网壳、148米跨度的张弦桁架、310米跨度的辐射布置索桁架等世界上最大的工程落户我国，相关的内容很值得总结、梳理，以推动行业更好地发展。

索结构通常由索与其它材料的结构组成，可包括：索与钢结构、索与膜结构、索与钢筋混凝土结构、索与玻璃结构组成的各种结构体系，应用于建筑结构、桥梁结构、围护结构（幕墙、采光顶）中。

建筑索结构是指在建筑结构中应用索作为承重结构或通过张拉索对刚性结构体系施加预应力，提高或改善结构的受力性能而形成的结构体系，这里主要讨论的是其在钢结构与幕墙（采光顶）的应用中形成的各种类型体系。根据建筑索结构近年来的发展，按其组成和受力特点可归纳为：悬索结构、管内预应力结构、张弦结构、拉索结构、斜拉结构、索拱结构、吊挂结构。

⒉悬索结构

悬索结构主要承力构件是索，悬挂于支承结构上，采用双层索时在上下弦索之间使用撑杆或拉杆联系。根据布索的不同方式形成了索桁架、索网、劲性索和索穹顶。

平行布置索桁架是由上下弦索加联系杆构成，形如桁架，故称索桁架。1986年建成的吉林冰上运动中心滑冰馆屋盖最早采用索桁架，59米跨度，平行布置，需要支撑系统以保证多榀索桁架能够共同工作。近年来，索桁架被大量用作玻璃幕墙的支承体系，在采光顶中也有应用。

辐射布置索桁架是将索桁架辐射布置，与受压外环梁和受拉内环梁（索）组成圆形或椭圆形屋盖结构，可以采用一层外环两层内环或两层外环一层内环的形式。1961年建成的北京工人体育馆屋盖是我国最早的此类结构，跨度94米。近年来，辐射布置索桁架也用于采光顶。2006年建成的佛山世纪莲体育场屋盖，外环达到310米，内环125米，是世界上跨度最大的此类结构。正在建设的深圳宝安体育场屋盖，外环为237米×230米的近似圆，内环129米×122米，呈马鞍面，建筑更加美观，但结构建造难度增大。

索网是两方向的索交叉布置，就形成了索网。通常承重方向的索下凹，稳定方向的索上凸，构成双曲抛物面。1969年建成的浙江人民体育馆屋盖（80米×60米）是我国早期的此类工程。1988年建成的四川体育馆，用跨度102.45米、矢高39.27米大拱作为中间支承，两边是双曲抛物面索网，类似工程后来建成了好几座。

近年来索网更多地应用于幕墙和采光顶，如采用单层索网支承玻璃幕墙。深圳市民中心博物馆采光顶，采用斜向布置的双层索网，覆盖30米×54米。2004年建成的天津一汽丰田停车场，柱网是26米 ×24米~35米×24米，采用双向多跨连续索桁架作为每块双曲抛物面索网的支承体系，这里应用了两种形式的索桁架，共覆盖5万多平方米。

索穹顶是上弦索径向布置，下弦索环向布置，其间径向布置斜索和竖直压杆，最终与周边受压环梁一起构成了索穹顶（CableDome）。由于整个结构以拉索为主，辅以少量压杆，结构效率极高。国外已有多个工程，我国的学者一直在研究，难点在于预应力的施加过程。2009年，无锡科技交流中心工程采用了24米跨度的索穹顶，采用地面组装，整体提升，分次逐级张拉的施工方法成功地建成了我国首个刚性屋面索穹顶。

劲性索结构是将刚性构件做成下垂形式如同柔性索一样地使用，就称为劲性索。向下荷载作用时，刚性构件受拉；向上风荷载作用时，利用其抗弯刚度，以拱的形态来承担荷载。显然劲性索结构的建造要比柔性索容易，结构效率也较好。2008年建成的北京南站雨篷结构首次采用了劲性索结构。工字钢梁跨度为9.772米~67.500米，最大下垂高度为6.464 米，端部设了斜拉索，主要用来稳固钢梁。（消息来源：中国建设报）

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