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摘 要：浅析建筑悬索结构、张力集成体系和膜结构的功能特点。
关键词：张力结构；型式；功能
中图分类号：V242.3+2
张力结构在满足拓扑关系的几何构造和外形中，通过预应力过程获取刚度，实现满足建筑造型和承载能力的功能。所以张力结构的分析、设计和施工，都是围绕结构的拓扑、外形及刚度展开。张力结构不是一种简单的型式，而是多种型式的集成。张力结构在分类上，一般分悬索结构、张力集成体系和膜结构。
1 悬索结构
该结构形式多样，布置灵活，自重轻，施工简单。悬索结构以一系列受拉的索作为主要承重构件，索按一定规律组成各种不同形式的体系，并悬挂在相应的支承结构上。该结构仅通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用，结构中不出现弯矩和剪力效应，可充分利用钢材的强度。该结构又分单层悬索体系、双层悬索体系、索网结构、张弦梁、组合悬索结构和斜拉结构等类型。
1）单层悬索体系。它根据索的布置方式分为平行、辐射和网状布置方式。前者即单向索系结构，由许多平行单根拉索组成，拉索之间可以设置横向加劲构件，拉索两端悬挂在稳定的支承结构上，也可设置专门的锚索或端部的水平结构承受悬索的拉力。横向加劲构件可传递荷载并均匀地分配到各平行索上；通过下压横向加劲构件的两端到预定位置或通过张拉索使整个体系产生预应力，提高屋盖的刚度。如安徽体育馆等工程采用了设置横向加劲梁（或桁架）的方法。辐射布置方式中悬索常沿辐射方向布置，适用于圆形、椭圆形平面。网状布置的单层索系形成下凹的双曲率曲面，适用于圆形，矩形等各种平面，索系以正交布置。
2）双层悬索体系。双层悬索结构由下凹的承重索、上凸的稳定索及其之间的连系杆组成。每对承重索和稳定索一般位于同一竖平面内，之间通过受拉钢索或受压撑杆连系，构成索桁架，工作机理与预应力索网类似。张拉承重索或稳定索或同时张拉，保证了索系的稳定性，又提高整个体系的刚度。布置形式有平行、辐射式和网状布置。平行布置的双层索系多用于矩形、多边形建筑平面，还可用于单跨、两跨和多跨。辐射及网状布置形式适用于圆形或椭圆形建筑平面。
3）索网结构。它由两组相互正交、曲率相反的钢索直接交叠组成，形成负高斯曲率的曲面，也称鞍形索网。对其中任意一组索或同时对两组索施加足够大的预应力，索网便具有很好的形状稳定性和刚度。它主要决定于预应力作用下索系边缘支承结构能否形成自平衡体系。索网曲面造型要与建筑的造型和功能相协调，曲面形状取决于所覆盖的建筑物平面形状、支承结构形式、预应力的大小和分布以及外荷载作用等因素。所以索网曲面形状丰富多彩，可以是规则的圆形或椭圆形，也可呈不规则形状。
4）张弦梁结构。它是近几年发展起来的大跨度钢结构，主要用于屋盖、楼层和墙体结构。由下弦索、上弦梁和竖腹杆组成，通过对拉索施加预应力，使竖腹杆产生向上的分力，导致上弦梁产生与外荷载作用下相反的内力和变形，形成整个张弦梁结构及提高结构刚度。上弦梁可改用立体桁架，其张弦梁便成为带拉索的杆系张弦立体桁架，可使结构计算和构造简化。张弦梁结构使压弯构件和抗拉构件取长补短，协同工作，成为受力合理、制造运输方便、施工简单的自平衡体系，具有广泛的应用价值和前景，特别适合大跨度屋面建筑。
5）组合悬索结构。它也就是将两个及其以上的悬索体系和强大的中间支承结构组合在一起，形成形式各异的结构。其中央的支承结构负担较重，所以多采用刚度大、受力合理的拱、刚架、索拱体系等结构形式，个别采用粗大的钢缆绳组成的钢索。预应力索拱体系是一种典型的组合悬索结构，由上弦、下弦和撑杆组成。预应力索拱体系节点构造标准化，便于工厂加工制作，现场拼装，运输方便，适用于各种跨度的屋面结构体系和不同几何外形的屋面形式。
6）斜拉结构。它是由单索体系发展来的，是一种采用自成体系的刚性结构来处理单索的稳定问题。工程跨度大单依靠被拉结的刚性结构已不能满足对索的稳定作用，所以设置稳定索。采用斜拉结构体系主要考虑合适的支承体系所构成的几何外形和平面外形及维持稳定所需要的构造。最初斜拉结构用于斜拉桥，以后发展出现了斜拉梁、板结构及斜拉桁架，各有其优势。
2 张力集成体系
张力集成体系由一系列集成单元组成，优点是张力集成。常见的空间结构如网架是由一些基本结构单元组成，其单元由铰接杆或刚接杆构成，但集成单元是由杆元和索元构成，是一种功能元件的组合和集成。结构的刚度由受張力的索与受压力的杆件之间处于自平衡中获得。基本特点：最大限度地处于连续张力状态，而压杆只是极少数的杆件。现应用主要是索穹顶结构和平板型张力集成体系（索网架）。
1）索穹顶结构。它是空间双层索系和覆面膜材的联合运用。由始终处于张力状态的索段构成穹顶，利用膜材作为屋面。该结构的特点：①通过脊索、环索与桅杆和边缘支承结构共同形成一个整体的平衡体系；②在预应力作用下，整个结构处于连续的张力状态，发挥了钢索的强度；③工作机理依靠自身的形状；④是一种非保守结构体系。⑤一种自支承体系。其结构造型新颖、造价经济、安装方便，结构效率极高，成功地应用于一些大跨度、超大跨度的结构。
2）平板型张力集成体系。它也是张力集成单元按一定规则集成的，但与索穹顶不同的是，构成平板型张力集成体系的集成单元自身就完成了自平衡。
3 膜结构
Frei Otto德国 Kassel（1995）园艺展设计建成的帐篷（马鞍形双曲抛物面），首次运用现代张拉膜。按照膜在结构中所起的作用和膜的结构形式，膜结构体系可分为充气膜、骨架式膜和张拉膜。
1）充气膜结构。它是膜发展的最初阶段和主要形式，利用膜内外空气的压力差为膜材施加预应力，使膜面能覆盖所形成的空间。钢索主要起加劲作用，防止出现应力集中。适用于跨度超过70米的大跨度设施，一般采用低拱度、一层膜或二层膜的结构形式。
2）张拉式膜结构。它是通过给膜材直接施加预拉力使之具有刚度，并承担外荷载的结构形式。张拉膜曲面是维持张拉膜结构体系的最重要的结构单元，必须在建筑边界条件下具有稳定平衡的形态，同时要求在外荷载作用下具有优异的结构抗力与变形能力，这都与膜的初始基本形态紧密相关。初始形态问题是张拉膜、索网等轻量预张力结构体系的最基本问题。当结构覆盖空间跨度较小时，可通过膜面内力直接将荷载传递给边缘构件，即形成整体式张拉膜结构；跨度较大时，由于既轻且薄的膜材本身抵抗局部荷载的能力较差，难以单独受力，需要与钢索结合，形成索-膜组合单元；跨度更大时，可将结构划分成多个较小单元，形成多个整体式张拉膜单元或索-膜组合单元的组合结构。
3）骨架式膜结构。膜张拉并置于由钢或其他材料构成的刚性骨架上构成骨架式膜结构。特点：膜不是维持结构体系存在的必要结构单元，膜不仅是单纯的覆盖屋面系，而是充分发挥了采光建筑功能和高强受力特性。该结构是一种十分稳定的结构系统，骨架构成了完整的建筑空间。骨架一般暴露于膜内侧，且膜的透光性更加突显骨架的室内视觉效果。所以，骨架的布置、形式、材料、节点等是设计考虑的重点，力求简洁、韵律。现在膜结构有膜面曲率减小、趋于平缓、预应力水平增加的趋势，现应用领域更加广泛，特别是对于大型公共设施。
参考文献
[1]沈世钊，等.悬索结构设计[M].中国建筑工业出版社，1997.
[2]白正仙，等.新型空间结构形式-张弦梁结构[J].空间结构，2001.7（6）.
[3]钱若军，等，张力结构的分析·设计·施工[M].东南大学出版社，2003.
[4]杨联萍，等，邱枕戈等.索穹顶结构[J].空间结构，2003.9（2）.
[5]杨庆山.张拉索-膜结构分析与设计[M].科学出版社，2004.
关键词：张力结构；型式；功能
中图分类号：V242.3+2
张力结构在满足拓扑关系的几何构造和外形中，通过预应力过程获取刚度，实现满足建筑造型和承载能力的功能。所以张力结构的分析、设计和施工，都是围绕结构的拓扑、外形及刚度展开。张力结构不是一种简单的型式，而是多种型式的集成。张力结构在分类上，一般分悬索结构、张力集成体系和膜结构。
1 悬索结构
该结构形式多样，布置灵活，自重轻，施工简单。悬索结构以一系列受拉的索作为主要承重构件，索按一定规律组成各种不同形式的体系，并悬挂在相应的支承结构上。该结构仅通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用，结构中不出现弯矩和剪力效应，可充分利用钢材的强度。该结构又分单层悬索体系、双层悬索体系、索网结构、张弦梁、组合悬索结构和斜拉结构等类型。
1）单层悬索体系。它根据索的布置方式分为平行、辐射和网状布置方式。前者即单向索系结构，由许多平行单根拉索组成，拉索之间可以设置横向加劲构件，拉索两端悬挂在稳定的支承结构上，也可设置专门的锚索或端部的水平结构承受悬索的拉力。横向加劲构件可传递荷载并均匀地分配到各平行索上；通过下压横向加劲构件的两端到预定位置或通过张拉索使整个体系产生预应力，提高屋盖的刚度。如安徽体育馆等工程采用了设置横向加劲梁（或桁架）的方法。辐射布置方式中悬索常沿辐射方向布置，适用于圆形、椭圆形平面。网状布置的单层索系形成下凹的双曲率曲面，适用于圆形，矩形等各种平面，索系以正交布置。
2）双层悬索体系。双层悬索结构由下凹的承重索、上凸的稳定索及其之间的连系杆组成。每对承重索和稳定索一般位于同一竖平面内，之间通过受拉钢索或受压撑杆连系，构成索桁架，工作机理与预应力索网类似。张拉承重索或稳定索或同时张拉，保证了索系的稳定性，又提高整个体系的刚度。布置形式有平行、辐射式和网状布置。平行布置的双层索系多用于矩形、多边形建筑平面，还可用于单跨、两跨和多跨。辐射及网状布置形式适用于圆形或椭圆形建筑平面。
3）索网结构。它由两组相互正交、曲率相反的钢索直接交叠组成，形成负高斯曲率的曲面，也称鞍形索网。对其中任意一组索或同时对两组索施加足够大的预应力，索网便具有很好的形状稳定性和刚度。它主要决定于预应力作用下索系边缘支承结构能否形成自平衡体系。索网曲面造型要与建筑的造型和功能相协调，曲面形状取决于所覆盖的建筑物平面形状、支承结构形式、预应力的大小和分布以及外荷载作用等因素。所以索网曲面形状丰富多彩，可以是规则的圆形或椭圆形，也可呈不规则形状。
4）张弦梁结构。它是近几年发展起来的大跨度钢结构，主要用于屋盖、楼层和墙体结构。由下弦索、上弦梁和竖腹杆组成，通过对拉索施加预应力，使竖腹杆产生向上的分力，导致上弦梁产生与外荷载作用下相反的内力和变形，形成整个张弦梁结构及提高结构刚度。上弦梁可改用立体桁架，其张弦梁便成为带拉索的杆系张弦立体桁架，可使结构计算和构造简化。张弦梁结构使压弯构件和抗拉构件取长补短，协同工作，成为受力合理、制造运输方便、施工简单的自平衡体系，具有广泛的应用价值和前景，特别适合大跨度屋面建筑。
5）组合悬索结构。它也就是将两个及其以上的悬索体系和强大的中间支承结构组合在一起，形成形式各异的结构。其中央的支承结构负担较重，所以多采用刚度大、受力合理的拱、刚架、索拱体系等结构形式，个别采用粗大的钢缆绳组成的钢索。预应力索拱体系是一种典型的组合悬索结构，由上弦、下弦和撑杆组成。预应力索拱体系节点构造标准化，便于工厂加工制作，现场拼装，运输方便，适用于各种跨度的屋面结构体系和不同几何外形的屋面形式。
6）斜拉结构。它是由单索体系发展来的，是一种采用自成体系的刚性结构来处理单索的稳定问题。工程跨度大单依靠被拉结的刚性结构已不能满足对索的稳定作用，所以设置稳定索。采用斜拉结构体系主要考虑合适的支承体系所构成的几何外形和平面外形及维持稳定所需要的构造。最初斜拉结构用于斜拉桥，以后发展出现了斜拉梁、板结构及斜拉桁架，各有其优势。
2 张力集成体系
张力集成体系由一系列集成单元组成，优点是张力集成。常见的空间结构如网架是由一些基本结构单元组成，其单元由铰接杆或刚接杆构成，但集成单元是由杆元和索元构成，是一种功能元件的组合和集成。结构的刚度由受張力的索与受压力的杆件之间处于自平衡中获得。基本特点：最大限度地处于连续张力状态，而压杆只是极少数的杆件。现应用主要是索穹顶结构和平板型张力集成体系（索网架）。
1）索穹顶结构。它是空间双层索系和覆面膜材的联合运用。由始终处于张力状态的索段构成穹顶，利用膜材作为屋面。该结构的特点：①通过脊索、环索与桅杆和边缘支承结构共同形成一个整体的平衡体系；②在预应力作用下，整个结构处于连续的张力状态，发挥了钢索的强度；③工作机理依靠自身的形状；④是一种非保守结构体系。⑤一种自支承体系。其结构造型新颖、造价经济、安装方便，结构效率极高，成功地应用于一些大跨度、超大跨度的结构。
2）平板型张力集成体系。它也是张力集成单元按一定规则集成的，但与索穹顶不同的是，构成平板型张力集成体系的集成单元自身就完成了自平衡。
3 膜结构
Frei Otto德国 Kassel（1995）园艺展设计建成的帐篷（马鞍形双曲抛物面），首次运用现代张拉膜。按照膜在结构中所起的作用和膜的结构形式，膜结构体系可分为充气膜、骨架式膜和张拉膜。
1）充气膜结构。它是膜发展的最初阶段和主要形式，利用膜内外空气的压力差为膜材施加预应力，使膜面能覆盖所形成的空间。钢索主要起加劲作用，防止出现应力集中。适用于跨度超过70米的大跨度设施，一般采用低拱度、一层膜或二层膜的结构形式。
2）张拉式膜结构。它是通过给膜材直接施加预拉力使之具有刚度，并承担外荷载的结构形式。张拉膜曲面是维持张拉膜结构体系的最重要的结构单元，必须在建筑边界条件下具有稳定平衡的形态，同时要求在外荷载作用下具有优异的结构抗力与变形能力，这都与膜的初始基本形态紧密相关。初始形态问题是张拉膜、索网等轻量预张力结构体系的最基本问题。当结构覆盖空间跨度较小时，可通过膜面内力直接将荷载传递给边缘构件，即形成整体式张拉膜结构；跨度较大时，由于既轻且薄的膜材本身抵抗局部荷载的能力较差，难以单独受力，需要与钢索结合，形成索-膜组合单元；跨度更大时，可将结构划分成多个较小单元，形成多个整体式张拉膜单元或索-膜组合单元的组合结构。
3）骨架式膜结构。膜张拉并置于由钢或其他材料构成的刚性骨架上构成骨架式膜结构。特点：膜不是维持结构体系存在的必要结构单元，膜不仅是单纯的覆盖屋面系，而是充分发挥了采光建筑功能和高强受力特性。该结构是一种十分稳定的结构系统，骨架构成了完整的建筑空间。骨架一般暴露于膜内侧，且膜的透光性更加突显骨架的室内视觉效果。所以，骨架的布置、形式、材料、节点等是设计考虑的重点，力求简洁、韵律。现在膜结构有膜面曲率减小、趋于平缓、预应力水平增加的趋势，现应用领域更加广泛，特别是对于大型公共设施。
参考文献
[1]沈世钊，等.悬索结构设计[M].中国建筑工业出版社，1997.
[2]白正仙，等.新型空间结构形式-张弦梁结构[J].空间结构，2001.7（6）.
[3]钱若军，等，张力结构的分析·设计·施工[M].东南大学出版社，2003.
[4]杨联萍，等，邱枕戈等.索穹顶结构[J].空间结构，2003.9（2）.
[5]杨庆山.张拉索-膜结构分析与设计[M].科学出版社，2004.