中国钢结构协会空间结构分会七届二次理事大会暨第十七届全国空间结构技术交流会于5月14-17日在广西桂林隆重召开。本次会议对网格结构、膜结构、索结构等各类空间结构设计、施工、制作、安装和技术研发方面的最新研究成果进行了广泛交流。空间结构分会是《钢结构（中英文）》第二主办单位中国钢结构协会的二级分会，成立于1993年，是我国空间结构行业的全国性专业社会团体。目前拥有550余家会员单位。分会秉持“规范行业、构建平台、技术引领、服务为先”的工作理念，经过近30年的发展，已成为我国空间结构行业最具影响力的社会团体，对促进我国空间结构的技术创新和工程建设发挥了积极作用。

分会理事长、《钢结构（中英文）》编委薛素铎教授于2020年在《钢结构（中英文）》第7期组织的专刊《空间结构创新发展》，及配合专刊出版，于工业建筑杂志社的“知播·云上星光”栏目推出的“中国空间结构的近期发展与工程实践”讲座，深受广大科研和技术人员关注和喜爱。

为促进空间结构领域科技成果及技术的交流和推广应用，本栏目拟对本次技术交流会中部分主旨报告进行系列报道，供同行学习，敬请关注。

薛素铎

北京工业大学 教授

《钢结构（中英文）》编委

北京工业大学空间结构研究中心主任，教授，博士生导师。享受国务院政府特殊津贴专家，北京高校拔尖创新人才，北京市教学名师，北京市高层次创新创业人才支持计划领军人才，国家级精品课程和国家级精品资源共享课主持人。兼任国际壳体与空间结构学会（IASS）执委，中国钢结构协会空间结构分会理事长，膜结构专业委员会主任委员，中国土木工程学会空间结构委员会副主任委员，《空间结构》杂志副主编，中国钢结构协会常务理事、专家委员会专家等。

多年从事大跨度空间结构、结构抗震与减振控制研究，主持完成40余项国家级和省部级科研项目，多项研究成果达到国际先进或领先水平。已出版著作、教材8部，获国家专利50余项，发表学术论文300余篇。主持和参与了多项国家标准、规程的编制工作，参与数十项大型空间结构工程的咨询、研究、设计与评审。先后获国家科技进步三等奖1项、北京市科技进步二等奖2项和北京市科学技术奖二等奖2项，获国家级教学成果奖二等奖2项、北京市教育教学成果奖一等奖5项。培养博、硕士研究生100余名。

刘人杰

烟台大学土木工程系 副教授、硕士生导师

男，1988年生，现任烟台大学土木工程系副主任、建筑结构教研室主任。兼任中国钢结构协会空间结构分会理事、国际壳体与空间结构协会会员、烟台市绿色节能集成建筑重点实验室副主任。博士阶段师从北京工业大学薛素铎教授和比利时荷语布鲁塞尔自由大学Marijke Mollaert教授，主要从事预应力空间结构的理论及应用研究、绿色节能集成建筑设计关键技术研究。

主持山东省自然科学基金青年项目1项、烟台大学博士启动项目1项、企事业委托项目4项，作为骨干成员参与国家自然科学基金4项、省部级纵向课题2项。发表学术论文30余篇，SCI、EI检索10余篇，取得国家发明专利授权8项，取得软件著作权授权10项。获2014年国际壳体与空间结构协会“半谷奖”1项、2020年中国钢结构协会科学技术特等奖1项（参与）、2020年“津西杯”全国高校钢结构创新竞赛特等奖（指导）。

近年来，随着国内体育场馆大量兴建，大跨空间结构的应用和发展显著加快。体育场馆大跨屋盖结构的主要类型有实体结构、网格结构、张力结构及其相互组合。随着技术经济要求的提高以及新理念、新材料、新工艺的发展，新型体育场馆大跨屋盖结构形式不断涌现，以索膜结构、弦支类结构等为代表的一批新型预应力空间结构类型应运而生。

预应力空间结构通过高强钢拉索或高强钢拉杆引入预应力，从而增大结构跨度、降低结构自重或提高结构力学性能，近年来备受工程师的青睐。

由于体育场馆的平面形状很多是圆形或椭圆形，此类建筑的预应力空间结构多采用环索将诸多构件连结在一起，简洁高效，称为有环索预应力空间结构。例如吉隆坡室外体育场、釜山体育场、深圳宝安体育场等。

有环索预应力空间结构具有以下4方面特征：

1）环索提高了结构工作效率，造就了轻盈的大跨度屋盖；

2）环索的作用极为重要，是结构的关键构件；

3）环索和其它索的索力悬殊，环索承受着巨大拉力；

4）由于环索较粗或由多根索组成索束，索夹节点重量偏大、构造复杂。

国内外学者在推广有环索预应力空间结构的同时，也在持续探索各种改良对策。

针对有环索预应力空间结构力学性能的提升和经济指标的改善，北京工业大学薛素铎教授等发展了无环索预应力索支结构新体系。该类体系下部为无环索预应力体系，上部可以布置柔性构件也可以布置刚性构件。

无环索预应力索支结构通过索弦向布置且相互交叉等方式避免了环索的出现。

具有以下4方面特征：

1）索与索彼此独立，局部断索不直接导致其他拉索的松弛失效；

2）荷载传递明确直接，索力显著降低；

3）索的转折较小，索力分布均匀；

4）索径较小，索夹不大。

前人的研究成果是发展无环索预应力索支结构的宝贵参考和灵感来源。

1999年，刘锡良教授给出一种“弦辐结构”的几何概念。2005年，方江生和刘锡良教授给出一种“弦辐穹顶结构”。

2005年，董石麟院士给出一种“鸟巢型索穹顶结构”。

2010年，刚芹果教授给出一种“鸟巢型单层索网结构”。

以上预应力空间结构体系均有构件弦切布置的特征元素，但其目的并非是为了提高有环索体系的受力性能和改善经济指标，与北京工业大学薛素铎教授团队发展的无环索预应力索支结构的具体形式显著不同、受力机理有着本质的区别。

无环索预应力索支结构（北京工业大学薛素铎教授团队）

北京工业大学与中南建筑设计院股份有限公司联合探索了无环索弦支穹顶关键应用技术并在浙江某体育馆实现工程应用。

北京工业大学与西南设计院在山东某体育场索膜屋盖设计中探索了无内环马鞍面单层索网结构方案。

浙江某体育馆，位于浙江省温州市，建筑面积约2.26万m²，平面投影为两个主轴方向最外轮廓尺寸为116m×109m的椭圆。体育馆屋盖形状为矢高为9.5m的圆柱面，屋盖平面投影为直径100.6m的圆形。

瓯海奥体中心鸟瞰图

瓯海奥体体育馆屋盖结构：a.俯视，b.前视，c.左视

该体育馆上部屋盖结构采用圆柱面弦支穹顶结构。弦支穹顶结构主要由上部单层网壳和下部索系组成，最早由日本学者川口卫教授等人提出，至今已经应用于国内20余座体育馆屋盖。组成弦支穹顶结构的上部网壳多为球面或椭球面网壳，该体育馆屋盖是首次在实际工程中采用圆柱面网壳的弦支穹顶结构。

已建成的弦支穹顶结构的下部索系主要形式包括Geiger型和Levy型。Geiger型索系的布置呈轮辐状布置，由环索和径向索组成，形式简单，施工难度低。Levy型索系的布置方法是对Geiger型的改进，改由环索和斜索组成，索系稳定性显著提高且施工难度变化不大，因此，近年来设计建造的弦支穹顶结构大多采用Levy型。

业内学者不断探索弦支穹顶结构的新型索系。不久前，北京工业大学薛素铎教授团队基于无环索型索系提出了一种无环索弦支穹顶结构。无环索型索系中索的平面投影呈直线而传力直接，索直接与外部支承点相连而彼此独立，索与索相互交叉而形成整体，当跨度较大时可采用多层无环索型索系组合。

研究表明无环索弦支穹顶具有良好的静力稳定性和抗连续倒塌性能。因此，无环索型索系在弦支穹顶结构中有一定的应用价值。

无环索型索系方案（左：轴测图；右：俯视图）

针对该体育馆屋盖结构的特点，建立了无环索型和Levy型索系方案。鉴于二者的显著区别在于索系中有无环索，因此下文简称两种方案为“无环索型”和“有环索型”。

基于建筑外观形状和结构几何数据，探讨两种方案的建筑美感，比较两种方案的用索数量、用索重量、索端锚具数量和大型索夹节点用量等经济指标；

采用Midas/Gen软件建立模型分析结构在静力荷载作用下的内力，探讨两种方案的结构刚度和索力分布特点；

基于拆除构件法分析了结构断索后的结构响应，探讨两种方案的抗连续倒塌性能。

有环索方案

无环索方案

有环索方案两种方案的建筑表达与艺术展现各有特点，从而丰富了建筑设计师的选择空间。

有环索方案是传统的索系方案，环索及斜索布置较为规整，外观呈葵花形，彰显了简洁和规律的建筑效果。

无环索方案是新型索系方案，拉索有规律的交叉编织呈国家体育场屋盖结构的交叉形状，有着较强的艺术表现力，彰显了新颖和交叉韵律的建筑效果。

钢丝绳根数（6.4:1）；

钢丝绳重量（1.88:1）；

索端锚具数量（6.4:1）；

撑杆数量（2:1）；

撑杆重量（1.1:1）；

大型索夹节点数量（24:0）。

在经济指标方面，无环索方案显著好于有环索方案。

在正常使用极限状态荷载组合作用下，有环索方案竖直向下的位移包络最大值为-157mm，位于屋盖中央；无环索方案竖直向下的位移包络最大值为-120mm，出现在屋盖中央。总之，在相同荷载作用下，无环索方案的挠度更小，说明无环索方案的结构刚度更大。原因在于无环索型的拉索平面投影为直线则传力更直接；拉索相互交叉则整体性更好，从而提高了索系支撑效果。

有环索方案各圈拉索中环索索力与斜索索力之比均超过4.0，差别显著。

无环索方案各圈索力差别小于1.2倍，索力分布均匀。

有环索方案最大索力高达8000kN而无环索方案最大索力仅为2630kN，最大索力相差悬殊，其余各层均为有环索方案更大。

有环索方案和无环索方案的安全系数分别为3.16和3.41，均大于2.0，满足JGJ7-2010《空间网格技术规程》的要求，无环索方案比有环索方案高出8%。

两种方案的荷载倍数-竖向位移全过程曲线在达到最高点后均未出现大幅下降，而是在保持较高承载力的基础上继续变形，呈现强度破坏特征，表明两种方案均具有良好的延性。

无环索方案结构刚度退化程度较小、索力损失较小。

无环索方案中的拉索相对独立，局部断索后其余拉索仍保持受力状态；拉索相互交叉编织成整体，局部断索后，与之相交的拉索充当了备用荷载传递路径，阻止了初始损伤的蔓延。

总之，无环索方案的构件布置方法更稳健，具有良好的抗连续倒塌性能。

1）两种方案的建筑表达与艺术展现各有特点，从而丰富了建筑设计师的选择空间。有环索方案形似葵花、有传统和规则之美，无环索方案形似国家体育场屋盖结构、有新颖和韵律之美。

2）在经济指标方面，无环索方案更有优势。无环索方案所需拉索数量、拉索重量、索段锚具数量均显著少于有环索方案，且无环索方案不需大型索夹。

3）无环索方案以较小且分布均匀的索力和更低的经济指标获得更大的结构刚度、承载力和抗连续倒塌性能，表明无环索方案有着更高的结构效率。

4）根据研究结论，该体育馆弦支穹顶结构的索系方案最终定为无环索型，标志着无环索弦支穹顶结构新体系实现工程应用。

体育场屋盖建筑外形总体呈马鞍面，屋盖平面垂直投影形状为椭圆，内部布置马鞍面索膜结构，外圈采用环状受压桁架。该工程的设计使用年限为50年，主体结构的安全等级为一级。该体育场屋盖平面投影尺寸288.6m×286.7m，环状受压桁架最高点和最低点的高差为26.2m，内部马鞍面索膜屋盖的主要受力体系拟采用单层索网结构。

临沂奥体中心体育场鸟瞰图

该体育场屋盖有中央开敞的形状特点，目前国内外体育场屋盖采用的单层索网结构主要是轮辐式单层索网结构，由布置在屋盖内部的环索和辐射状布置的径向索组成。近年来，学者和工程技术专家积极探索用于体育场屋盖的新型单层索网结构形式。

关于单层索网结构，许秀颖和刚芹果给出一种外圈支座等高、拉索规格相同且完全中心对称的鸟巢形单层索网，新颖且美观。但该索网结构的节点处双向拉索的曲率相同，抵抗风吸作用的能力有待改善。

薛素铎教授团队给出一种无内环马鞍面交叉索网结构，该结构不设置环索，拉索沿外环受压桁架内部呈弦向布置且拉索相互交叉形成交叉索网；结构中任意索网节点处双向拉索的曲率相反，从而对任意作用方向的荷载都具有较好的抵抗能力。

针对该体育场马鞍面屋盖结构的设计要求，建立了轮辐式单层索网结构和无内环交叉索网结构两种结构方案，以下简称“轮辐式方案”和“无内环方案”。

基于结构外观、结构构件设计数据和结构几何数据，讨论两种方案的建筑美感、用索数量和索夹节点的使用情况。

采用有限元软件Midas/Gen建立模型，分析两种方案的位移、索力，探讨和比较两种方案的刚度和索力分布均匀性。

采用有限元软件Ansys/Ls-dyna建立模型，基于构件瞬时移除技术进行断索分析，得到两种方案断索后的动力响应，探讨和比较两种方案的抗连续倒塌性能。

轮辐式方案

无内环方案

两种方案各有独特的建筑美感。

轮辐式方案是传统的结构方案，环索及径向索布置较为规整，彰显了整洁的建筑效果，但拉索数量较多，径向索与环索的连接节点索夹尺寸大，悬挂在空中略显突兀。

无内环方案是具有创新性的结构方案，建筑效果新颖，彰显了交叉韵律的建筑效果，艺术表现力较强，拉索数量少且无需大型索夹，空间表达效果较好。

钢丝绳根数（2.3:1）；

钢丝绳重量（1.6:1）；

索端锚具数量（2.3:1）；

大型索夹节点数量（40:0）。

在经济指标方面，无内环方案显著好于有环索方案。

在正常使用极限状态荷载组合作用下，两种方案的竖向挠度小于挠度限值。

无内环方案Z向竖直向下位移包络最大值为-1033mm，位于屋盖内缘；无内环方案Z向竖直向上位移包络最大值为352mm，位于屋面较宽处。

轮辐式方案Z向竖直向下位移包络最大值为-1560mm，出现在屋盖内缘；轮辐式方案Z向竖直向上位移包络最大值为1300mm，出现在屋面较宽处。

无内环方案的挠度更小，结构刚度更大，主要原因在于无内环方案的传力路径更直接，交叉索网的整体性更好。

在承载能力极限状态荷载组合作用下，两种方案的索力最大值均满足应力比限值且未出现拉索松弛现象。

轮辐式方案的环索最大索力包络值约1.27×10⁵kN，径向索最大索力包络值约1.57×10⁴kN；轮辐式方案的环索最小索力包络值约7.39×10⁴kN，径向索最小索力包络值约9.13×10³kN。竖直向上风吸作用下径向索力水平偏低，环索索力与径向索索力相差悬殊。

无内环方案最大索力包络值介于2.1×10⁴kN和2.8×10⁴kN之间，该方案的最小索力包络值介于1.2×10⁴kN和1.6×10⁴kN之间。

总之，无内环方案的索力值较小且索力分布较均匀。

轮辐式方案最大索力包络等值线图（kN）

无内环方案最大索力包络等值线图（kN）

国内外结构设计规范均对结构抗连续倒塌性能提出要求。单层索网结构的冗余度较低，对构件失效较敏感，结构抗连续倒塌性能的重要性更加凸显。

基于Ansys/Ls-dyna的构件瞬时移除功能，采用拆除构件法对两种方案进行断索动力响应分析，断索后的结构状态如图。

无内环方案断索后的状态

轮辐式方案断索后的状态

在断1根拉索后，无内环方案仍保持形状稳定且预应力损失不明显。其原因在于无内环方案中的拉索相对独立，局部断索后其余拉索仍保持受力状态；拉索相互交叉编织成整体，局部断索后，与之相交的拉索充当了备用荷载传递路径，阻止了初始损伤的蔓延。

在环索局部断裂后，轮辐式方案发生崩塌，结构变为机动体系伴随拉索松弛现象、索网丧失形状稳定。其原因在于轮辐式方案中所有径向索都与环索连接，环索是关键构件和敏感构件。

总之，无内环方案的构件布置方法更稳健，具有良好的抗连续倒塌性能。

1. 用钢量

索用量方面，无环索体系节省约38%；

大型索夹用量方面，无环索体系没有大型索夹，节省约244t；

环桁架方面，无环索体系节省约4%。

2. 屋盖挠度

全跨作用下，无环索体系挠度降低19%；

1/4跨作用下，无环索体系挠度降低。

3. 拉索用量

拉索数量方面，无环索体系仅为有环索体系的27% ；

拉索重量方面，无环索体系节省约38%；

4. 节点造价

大型索夹铸钢节点，无环索体系不需要大型索夹铸钢节点数，将大大的减少大型索夹铸钢节点数量从而减少节点造价；

索端锚具，无环索体系的索端锚具数量仅为有环索体系的27%，将大大减少索端锚具造价。

5.预应力施工

无环索体系张拉端数量相当 ，但无环索体系的索力值小，降低施工难度。

1）在建筑美感与艺术表达方面，两种方案各有特点。轮辐式方案有着传统、整齐之美，但拉索数量多、大型索夹突兀影响了建筑表达效果。无内环方案是新型方案，有着新颖、简洁和交叉韵律之美。

2）在拉索和节点用量方面，两种方案差别显著，无内环方案的索网结构造价较低。无内环方案的钢丝绳数量、钢丝绳总重量、索端锚具数量均大幅少于轮辐式方案；无内环方案不需大型索夹节点，而轮辐式方案需要大型索夹。

3）在结构刚度方面，无内环方案的刚度更大。在相同荷载条件下，无内环方案的竖直向下和竖直向上的挠度均小于轮辐式方案。

4）在索力值和索力分布方面，无内环方案的索力较小且分布较均匀。

5）在抗连续倒塌性能方面，无内环方案显著优于轮辐式方案。断索后，无内环方案仍能保持形状稳定且索力损失不明显，而轮辐式方案则发生连续倒塌。

针对有环索预应力空间结构受力性能的提升，基于前人的研究成果，北京工业大学薛素铎教授团队发展了无环索预应力索支结构新体系，至今已提出4种具体结构形式，包括无环索弦支穹顶、无内环马鞍面单层交叉索网、无环索大开口索承网壳和无内环空间索桁架结构，形成了自主知识产权创新成果。

国内外专家和学者积极探索无环索预应力索支结构新体系的工程应用，在实际工程的索系选型过程中，该体系外形美观、经济指标好、力学性能好的综合优势凸显，有着较强的竞争力。

经过北京工业大学薛素铎教授团队、设计院、施工单位、拉索生产单位的共同努力，新体系终于实现了工程应用，实现了突破。

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