索撑网壳的研究现状与发展前景分析

[摘要] 自富勒提出张拉整体概念后，张弦结构、索撑结构等如雨后春笋般蓬勃发展，形式和材料趋向于多样化，满足了

人们对不同空间的使用要求。本文介绍了索撑网壳的发展历程及其国内外研究现状，深入分析了其受力模式。同时，阐述了

索撑网壳的应用情况和发展前景。

[关键词] 索撑网壳；张弦结构

中图分类号：C35 文献标识码： A

1 索撑网壳的提出

张拉整体的概念是20 世纪美国著名建筑师富勒提出的，是一种由一组不连续的受压杆件与一套连续

的受拉单元组成的自应力、自平衡空间网格结构，它最大限度地利用了材料特征，世界各国建筑结构领域

的专家及研究所一直致力于将其应用于工程实践。日本大学斋藤公男教授于1990 年提出了张弦梁结构，

一种用撑杆连接抗弯压构件（梁、拱）和抗拉构件（索）而形成的一种自平衡体系，通过对下层索施加预

应力使得结构整体共同工作。

此后，为了解决单层网壳结构水平推力和稳定性问题，日本法政大学川口卫教授于1993 年提出了由

单层网壳和去掉上层索的索穹顶结构组成的索撑网壳，与单层网壳结构相比，它具有更高的稳定性，且有

效减小了支座的水平推力；与索穹顶结构相比，它不仅减小了周围环梁的压力，而且大幅度降低了结构的

施工难度。

索撑网壳结构是由单层网壳和下部撑杆、拉索组成，各环撑杆的上端与单层网壳对应的各环节点铰接；

撑杆下端由径向拉索与单层网壳的下一环节点连接；同一环的撑杆下端由环向箍索连接在一起，使整个结

构形成一个完整的结构体系。根据上层单层网壳形式，索撑网壳又可以分为肋环型、施威德勒型、联方型、

凯威特型、三向网格型及短程线型。

2 索撑网壳研究现状

2.1 国外研究现状

自1993年索撑网壳结构概念提出至今，其发展是比较迅速的。从建设历程来看，索撑网壳结构的规模

正变得越来越大，建筑形体也变得越来越复杂。其中代表性的工程实践有日本的光丘穹顶和聚会穹顶，跨

度分别为35m和46m。此外，日本还完成了三个跨度160m以上的索撑网壳方案设计：跨度160m的大馆穹顶、

Schlaich 及Gehry Partners 等国外学者对以四边形网格为主的索撑网壳结构的自由曲面网格划分方式进

行了大量的研究。Schlaich 提出了表面平移法，并于1996 年应用该方法对德国动物园河马馆进行了设计，

并对该网壳结构的屈曲问题进行了初步研究。Gehry Partners 在Schlaich 的研究基础上，将表面平移法分进

一步为滑动平移法和缩放平移法等不同形式，与此同时他们还对形式更加自由的三角形网格网壳的几何划

分进行了系统研究。

Th.Bulenda 等学者对椭圆抛物面和椭圆柱面索撑网壳进行了稳定性能的研究，但所考察的参数比较简

单，主要是在固定钢杆件截面、固定索截面和索预应力的情况下，对不同矢跨比的索撑网壳进行了静力稳

定性能分析，而且没有考虑材料的非线性对结构稳定性能的影响、也没有考察结构的屈曲后特性。C.Douthe

等人以玻璃纤维作为柔性构件、木材为刚性构件，对索撑网壳结构进行了形态分析，并比较了有、无柔性

材料时，结构的刚度变化情况，初步论证了柔性构件的加强作用。

2.2 国内研究现状

近年来，国内学者在预应力钢结构方面做了大量卓有成效的工作，哈尔滨工业大学的钟善桐和沈世钊

分别对预应力钢桁架结构和双向悬索结构进行了具有开创意义的研究工作；浙江大学的董石麟、罗尧治等

也对索穹顶等预应力钢结构进行了深入的研究；贵州大学马克俭提出了多种新型预应力桁架结构；北京工

业大学的张毅刚、张爱林对索承结构的研究也做出了重要贡献；北京交通大学的杨庆山和同济大学的张其

林对于预应力索膜结构进行了系统行的分析研究；天津大学的刘锡良和陈志华在20 世纪90 年代末期对索

撑网壳结构和张弦梁结构研究的基础上，相继提出了弦支筒壳结构、弦支拱壳结构、弦支混凝土楼板结构、

弦支钢丝网架混凝土夹芯板结构等多种弦支结构，丰富了弦支结构体系的内容。

国内主要研究内容偏重于静力作用下的结构性状和分析方法，以满足一般设计工作的要求为主要目

标。这些研究为我国空间结构的发展提供了基本的理论支持。早期的工作偏重于以连续化理论为基础的各

种解析方法的研究，例如平板网架的拟板解法、网壳的拟壳解法。然而，悬索结构在荷载作用下要产生较

大位移，因此计算中应考虑几何非线性，并发展了一系列适用于不同形式悬索结构的考虑大位移的解析方

法。在一段时期内，当计算机尚未广泛运用于结构计算以前，各种解析方法曾对空间结构的发展起过重要

作用，但解析方法终究有其局限性，它们具有不同程度的近似性，而且往往仅适用于某些特定的结构形式。

计算机的普及和有限元分析方法的广泛运用为空间结构的加速发展创造了真正的条件，许多大型的和特殊

形式的新颖空间结构只能用计算机程序进行分析。

目前，大多科研机构着重于索撑网壳的结构体系、结构形态、预应力设定、静动力性能及稳定性的理

论分析和试验研究，关于施工方法以及节点连接的形式和受力等有待继续深化。 3 索撑网壳的应用现状和发展前景

21 世纪初，天津大学完成国内第一座索撑网壳工程―天津保税区商务中心大堂屋盖，跨度35.4m；北

京工业大学在相关成果的支持下，设计完成了昆明柏联商厦采光顶索撑网壳结构，跨度15m；随后在北京

奥运会和全运会等大型社会体育文化活动的背景下，空间结构得到前所未有的发展，期间有代表性的索撑

网壳结构工程主要有：常州体育馆、鞍山市网球训练馆、武汉体育馆，以及北京工业大学体育馆、安徽大

学体育馆等，其中武汉体育馆屋盖是国内首例建造的大型索撑网壳结构。

索撑网壳作为新兴的空间结构，具有强大的生命力。刚柔结合的新型复合空间结构，与传统双层网壳、

单层网壳及索穹顶结构相比，除了造型美观、节省材料。质量轻、刚度大、抗震性能好和造价低等空间结

构的综合优势外，在设计、施工和屋面选材上也具有独特的优势。

通过目前的发展现状看，索撑网壳向着跨度更大，质量更轻发展同时，网壳形式也需要更加合理，更

加优美的，更加多样化的发展。此外，对于网壳的材料也在不断的增加，铝合金材料不仅强度高，而且具

有耐腐蚀性。此外，越来越倡导绿色的时代，木材脱颖而出，轻质高强，节能环保，具有优良的保温性能

和吸声性能。

木网壳在国外已经得到广泛应用，多分布于英国、美国、日本、加拿大等发达国家，其中英国苏塞克

斯的星古顿森林及丘陵博物馆内，建有一栋三跨丘陵状网格壳体建筑；意大利里米尼的诺瓦・费拉展览中

心有一个30m 跨度的圆形穹顶，采用的是联方型球面网壳。目前，木结构的网壳在国内的发展处于初级阶

段，索撑木网壳基本上处于空白状态，有待大量研究。作为木网壳的难点和重点，节点连接的形式以及受

力状态亟待解决，且前景广阔。

4 结语

索撑网壳自诞生以来表现了强大的生命力，国内外工程实例不胜枚举。国内为满足一般设计工作的

要求，研究内容偏重于静力作用下的结构性状和分析方法，施工模拟以及节点连接等有待继续深化，尤

其在网壳材料上，木结构网壳的研究仅仅停留在初级阶段，但潜力巨大。