桁架肋专利
可以说大跨度空间结构是近三十年来发展最快的结构形式。国际杂志《空间结构》的主编Z.S.Makowski说:“在20世纪60年代，空间结构还被认为是一种有趣但陌生的非传统结构，但今天它已经被全世界广泛接受。”从今天来看，大跨度和超大跨度建筑及其核心空间结构技术的发展已经成为代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。
大跨度空间结构的类型和形式非常丰富多彩，习惯上分为以下几种:钢筋混凝土薄壳结构；扁平网格结构；网壳结构；悬索结构；膜结构和索膜结构；近年来在国外广泛应用的索穹顶实际上是索膜结构的一种特殊形式。混合结构通常是柔性构件和刚性构件的联合应用。
在上述空间结构类型中，我国于50年代末60年代初发展了钢筋混凝土薄壁结构。当时建造了一些中等跨度的球壳、圆柱壳、双曲扁壳和扭曲壳，在理论研究方面投入了大量的精力，并制定了相应的设计规程。然而，这种类型的结构最近很少使用，主要原因可能是施工费时费力。平面网格结构和网壳结构还包括一些不能单独分类的特殊形式，如折叠网格结构、多平面网格结构、多层多跨框架网格结构等。，一般可称为空间网格结构。这种结构在中国发展很快，而且还在继续增长。索结构、膜结构、索膜结构等柔性体系都是通过拉力来抵抗外荷载的作用，可称为张力结构。这种结构有着广阔的发展前景。下面根据这两类简要介绍一下中国空间结构的发展。
第二，空间网格结构
网壳结构的出现早于平面网格结构。在国外，传统肋环穹顶已有100多年的历史，1940年德国建成第一个平面网格(采用梅罗体系)。我国第一批具有现代意义的网壳建于五六十年代，但数量不多。当时的柱面网壳大多采用菱形“立方体”网格体系，1956年建成的天津体育馆钢网壳(跨度52m)和1961年建成的同济大学钢筋混凝土网壳(跨度40m)可以作为典型的例子。球面网壳主要采用环辅助体系。建于1954的重庆人民会堂半球穹顶(跨度46.32m)和建于1967的郑州体育馆圆形钢屋盖(跨度64m)是仅有的两个大型球面网壳。此后直到20世纪80年代初，网壳结构在中国没有得到进一步的发展。
相对而言，自1964年建成第一座平面网架结构(上海师范大学球室，31.5mx40.5m)以来，网架结构一直保持着良好的发展势头。首都体育馆，建于1967，采用斜交网格结构，矩形平面尺寸为99mx112m，厚6m。由钢构件和高强度螺栓连接，钢指数为每平方米65kg(每平方米1kg≈9.8 pa)。建于1973的上海万人体育馆采用110m的圆形平面三向网格网架，厚度6m。采用圆钢管构件和焊接空心球节点，用钢量指标为每平方米47kg。当时的平板网架在国内还是一种全新的结构形式，两种网架的规模都比较大，即使在今天也仍然具有代表性，从而在工程领域产生了很大的影响。在当时体育馆建设需求的鼓励下，国内高校、研究机构和设计部门对这种新型结构投入了大量的资金，专业的生产安装企业也逐渐成长起来，为这种结构的进一步发展奠定了坚实的基础。改革开放以来的十年是中国空间结构快速发展的黄金期，扁平网格结构自然处于领先他人的优先地位。即使在上世纪80年代末，北京为迎接1990亚运会而修建的体育建筑，大部分仍采用平面网格结构。在此期间，计算机被广泛应用于网格结构的设计，生产技术也取得了很大的进步。装配式螺栓球节点的广泛应用，大大加快了网架结构的安装速度。
但是事情总是有两面性的。在加快发展平面网格结构的同时，随着经济文化建设需求的扩大和人们对建筑欣赏水平的提高，设计人员在设计越来越多的大跨度建筑时，越来越感到结构形式的选择受到限制，不能满足日益增长的建筑功能和建筑造型多样化的要求。这种现实需求对网壳结构、悬索结构等各种空间结构形式的发展起到了很好的刺激作用。因为网壳结构和网架结构的生产条件是一样的，国内的基础已经做好了。因此，自20世纪80年代后半期，相应的理论储备和设计软件初步完备后，网壳结构开始在新的条件下迅速发展。建设数量逐年增加，各种形式的网壳，包括球面网壳、柱面网壳、鞍形网壳(或扭曲网壳)、双曲扁网壳和各种异形网壳及其组合得到应用；预应力网壳、斜拉网壳等新型结构体系也得到了发展。近年来，建造了一些大型的网壳结构。如建于1994的天津体育馆，采用了带肋环斜杆的双层球面网壳(Schwedler型)。其圆形平面净跨度为108米，外围延伸13.5米，网壳厚度为3米，由圆形钢管构件和焊接空心球节点组成，每平方米含钢指数为55公斤。黑龙江速滑馆，建于1995，用于覆盖400米速滑跑道。其巨大的双层网壳结构由中央圆柱壳和两端半球壳组成，外形尺寸为86.2mx191.2m，覆盖面积为15000平方米，网壳厚度为2.1m。它由圆钢管构件和螺栓球组成。1997新建的长春万人体育馆，呈桃核状，由带肋环形球面网壳的中心带切掉拼接而成。若含伸臂架，外形尺寸为146mx191.7m，网壳厚度为2.8m，该网壳结构设计方案由国外提出，施工图设计、制作、安装均在国内完成。
随着网壳结构的应用越来越多，平面网格结构并没有停止自身的发展。这种简单的结构目前有其广泛的用途，不管跨度的大小；近年来，它在一些重要领域扩大了应用范围。例如，在机场维修机库方面，广州白云机场80m机库(199)、成都机场140m机库(1995)、首都机场2Zmx150m机库(1996)均采用平面网格结构。这些三面支撑的平板网架结构规模庞大，需要承受较重的悬挂荷载，且往往采用重型焊接钢(或钢管)结构，有时需要采用三层网架结构；其单位面积用钢量指标可达到一般公共建筑用网架的两倍甚至更多。单层工业厂房也是近年来平板网架结构发展较快的一个重要领域。为了灵活安排生产过程，厂房的柱网尺寸趋于日益扩大，于是平面网格结构成为一种非常经济适用的理想结构方案。1991建设的第一汽车厂高尔夫车安装车间，占地面积近8万平方米(189.2mx421.6m)，柱网21mx12m，焊接球节点网架，每平方米钢号31kg。该厂房是目前世界上最大的平面网格结构。建于1992的天津无缝钢管厂车间面积为60000平方米(108m×564m)，柱网为36m×18m，钢材消耗指标为每平方米32kg。与传统平面钢桁架方案相比，节约47%。鉴于这类厂房巨大的圆形产品，它们确实为平板网架结构的发展提供了广阔的新领域。显然，空间网格结构，包括网格结构和网壳结构，是近十年来我国发展最快、应用最广的空间结构类型。这种结构体系整体刚度好，技术经济指标优越，能提供丰富的建筑造型，因此受到建设者和设计者的喜爱。我国电网企业的蓬勃发展也为这种结构提供了便利的生产条件。据估计，近年来我国每年建成的网架网壳结构建筑面积达800万平方米，相应的用钢量约为20万t，如此庞大的数字是其他任何国家都无法比拟的，无愧于“网格王国”的称号。难怪国外相关企业对这个巨大的市场垂涎三尺。
这么大的发展势头，自然会带来一些问题。与国际水平相比，我国电网生产的技术水平和质量管理水平还有一定的距离。尤其是在市场需求的驱动下，大量小电网企业如雨后春笋般涌现，难免良莠不齐，设计也不总是由有经验的人来服务。因此，加强行业管理，抓好设计、制造和安装质量，是促进我国空间结构进一步健康发展的重要任务。
第三，张力结构
中国现代索结构的发展始于20世纪50年代末和60年代。北京的工人体育馆和杭州的浙江人民体育馆是当时的两个代表作品。北京工人体育馆建于1961，其圆形屋面采用直径94m的轮辐式双层悬索体系。浙江人民体育馆建于1967。屋顶为椭圆形平面，长径80米，短径60米..采用双曲抛物面正交索网结构。
世界上最早的现代斜拉屋盖是1953年在美国建成的罗利体育馆，采用两个斜抛物线拱作为边缘构件的鞍形正交索网。我国建造的上述两种索结构，无论是规模还是技术水平，都可以说达到了当时的国际先进水平。但此后，索结构在中国的发展长期停滞。直到20世纪80年代，由于大跨度建筑的发展，空间结构形式多样化的需求重新激起了人们的热情，工程实践的数量大大增加，应用形式多样化的理论研究也随之展开。
柔性悬索不仅在自然状态下没有刚度，而且形状不确定。必须采取铺设重屋面或施加预应力等措施，赋予其一定的形状，成为在外荷载作用下具有必要刚度和形状稳定性的结构。难能可贵的是，中国科技人员在学习和吸收国外先进经验的同时，结合具体工程情况，创造了更加符合中国国情的结构应用形式，并进行了许多尝试和创新。
为了提高单层悬索的形状稳定性，在单层平行索系上设置横向加劲梁(或桁架)也是非常有效的。横向加劲构件有两个作用:一个是转移可能的集中荷载和局部荷载，使其更均匀地分布到平行索上；其次，通过将横向加劲构件的两端压至预定位置或通过拉紧拉索来对整个系统施加预应力，以提高屋顶的刚度。从安徽体育馆等几个工程的实践来看，这种混合结构体系是一种施工方便、材料经济的成功创造。
由一系列曲率相反的承重索和稳定索组成的预应力双层索系是解决悬索结构形状稳定性的另一种有效形式。其工作机理类似于预应力索网。1966年，瑞典工程师Jawerth在斯德哥尔摩滑冰馆首次采用了由一对承重索和稳定索组成的名为“索桁架”的专利系统，随后这种平面双层索系统在各国得到了广泛应用。中国无锡体育馆也采用了该系统。作为这种体系的改进，吉林滑冰馆采用了新型的空间双层索体系，其承重索和稳定索在不同的平面内，但错开半个柱距，创造了新颖的建筑造型，解决了矩形平面悬索屋盖常见的屋面排水问题。这种新颖的结构参加了65438-0987年在美国举办的国际先进结构展览会。
索结构在中国发展的另一个特点是在许多工程中采用了各种组合手段。主要方式是将两个以上的预应力索网或其他悬索体系组合起来，设置强拱或刚架结构作为中间支撑，形成各种形式的组合屋盖结构。例如，四川体育馆和青岛体育馆的屋顶由两个索网和一对钢筋混凝土拱作为中间支撑组成。北京朝阳体育馆由两个索网和一个被称为“索拱系统”的中心支撑结构组成。中央索拱体系由两根悬索和两个钢拱组成，本身就是混合结构，其概念也是创新的。各种组合屋顶的使用不仅进一步丰富了建筑造型，还能更好地满足建筑的一些功能需求，比如为体育馆建筑提供“最优”的内部空间。从纯技术经济的角度来看，单索网或其他悬索体系可以经济地跨越大跨度，不必采用中间支撑结构。所以很多场合使用组合屋顶主要是出于建筑造型和功能上的考虑。从我国近几年的实际效果来看，在这方面起到了预期的作用。
将斜拉体系引入屋盖结构，可以形成一系列混合结构形式。该系统为跨度结构(主梁、桁架、平板网架等)提供一系列中间弹性支撑。)通过使用从塔柱顶部延伸的斜拉索，使得这些跨度结构可以跨越大跨度而不增加结构的高度和构件的横截面。上面提到的斜拉网壳也属于这种混合结构。
虽然悬索结构在过去的十几年里取得了可喜的进展，但与网格结构和网壳结构相比，其发展相对缓慢。原因可能有二:(1)悬索结构设计计算理论相对复杂，缺乏商业化程度高的实用计算程序，一般设计单位难以采用；(2)悬索结构施工虽然不复杂，但一般施工单位并不熟悉，也没有悬索结构的专业施工队伍，这也影响了施工单位和设计单位大胆采用这种结构形式。
与此同时，属于张力结构体系且在国外广泛应用的膜结构或索膜结构在国内处于艰难的起步阶段。除了设计理论储备和生产条件，国内缺乏满足建筑要求的膜材料是一大制约因素。从国外情况来看，1970大阪世博会美国馆采用了气承式膜结构(俗称充气式结构)，首次使用了涂有聚氯乙烯(PVC)的玻璃纤维织物，引起了广泛关注。其准椭圆平面轴线尺寸达到14Om x 835m，一般认为是第一个现代意义上的大跨度膜结构。20世纪70年代初，杜邦公司开发出一种涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维织物，具有强度高、阻燃性好、自洁性好、经久耐用等特点，对膜结构的应用起到了积极的推动作用。从那时到1984年，美国建成了一批规模为138m-235m的体育馆，全部采用了气承式索膜结构，取得了良好的技术经济效果。然而，这种结构体系也出现了一些问题，主要是由于意外漏风或气压控制系统不稳定，或由于暴风雪天气屋顶形成局部雪包，热风融雪系统效率低下，导致屋顶收缩，甚至引发事故。这些问题让人们对空气承力膜结构的未来产生了怀疑，自1985以来，美国的大型体育场馆建设中就没有使用过空气承力膜结构。人们更关注张拉膜结构或索膜结构。但如前所述，建于1988的日本东京侯元棒球馆，依然采用气承式索膜结构，但采用了极其先进的自动控制技术，采用双层膜结构，其中可以引入热风融雪；中央计算机自动监测风速、雪压、室内气压、膜索变形和内力，自动选择最佳方法控制室内气压和消除积雪。
20世纪80年代以来，张拉膜(索膜结构)在发达国家得到了极大的发展。这种体系类似于索网结构，张紧在刚性或柔性的边缘构件上，或者通过特殊的结构支撑在几个独立的支点上。通过张拉建立预应力，获得一定的形状。沙特阿拉伯利雅得体育场，建于1985，外径288m，主看台屋面由24个形状相同的单柱帐篷状膜结构单元组成。每个单元悬挂在中心柱上，外缘通过边缘索张紧在几个独立的锚固装置上，内缘张紧在直径为133m的中心环索上。美国丹佛国际机场航站楼建于1993年，采用全封闭张拉膜结构，平面尺寸为305mx67m，由17个帐篷状单元组成，两个支柱连成一排，每个细长单元由两个支柱45支撑这两个项目是大型张拉膜结构的典型例子。还有一种是骨架支撑的膜结构。比如日本秋田县的“天空巨蛋”就是一个两边被切掉的球形巨蛋(D=130m)。它的主要承重结构是一系列平行的格子钢拱。盖上膜后，由两拱间的钢索拉下，屋顶上形成V型排水(雪)槽。有许多例子表明这种框架是一种支撑膜结构。然而，美国工程师盖革根据富勒的张拉整体概念开发的所谓“索穹顶”可能是近10年来最受欢迎的新颖张拉体系。张拉整体最初是指由连续拉杆和分散压杆组成的自平衡体系，其指导思想是充分发挥构件的受拉功能。然而，严格意义上的张拉整体体系在工程上还没有实现。Geiger做了适当的变换，提出了支承在圆形刚性构件外围构件上的预应力索杆体系。电缆沿辐射方向布置，屋顶采用膜材料。他称之为“索穹顶”，最早用于1988年首尔奥运会的两个体育馆项目。美国的Levy进一步发展了这一体系，用方形索网使屋顶膜单元呈菱形双曲抛物面形状，1996在亚特兰大奥林匹克体育场使用。其平面为准椭圆形，尺寸为24l MX 192米。这种张力索杆膜结构体系重量极轻，安装方便，在大跨度和超大跨度建筑中有很大的应用前景。
与世界先进水平相比，我国膜结构的差距十分明显。近年来在理论研究方面做了大量工作，应该说建立了一定的理论储备。近年来，膜结构的应用也开始呈现出相对活跃的势头。1997为迎接第八届全运会而建的上海体育场，采用钢骨架支撑的膜结构，总面积36100平方米，这是膜结构首次在国内大型建筑中采用。但是使用的膜材料是进口的，施工安装也是国外公司进行，价格昂贵。值得指出的是，国内已经出现了专门从事膜结构制造和安装的企业，他们已经建成了几个较小的膜结构。国产膜材质量也在提升。种种迹象表明，膜结构这一大跨度空间结构中极具潜力的新成员在我国的发展已经初露端倪。