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【摘 要】随着我国改革开放的进一步深化和世界知识经济的普遍发展，经济腾飞，人民生活水平日益提高，房产建筑和交易市场呈现出前所未有的繁荣景象。20时间后半期，土木工程和结构工程涌现出更高、更大、更长的超大型复杂结构，大跨房屋钢结构建筑形式得到更为广泛的应用，然而中国以建筑师的设计思维和视角对此进行研究的课题甚少。本文基于传统大跨房屋钢结构建筑体系的理论和实践，从建筑师的角度，充分考虑建筑因素的复杂性和难度处理，对其基本构成要素和材料、构件、技术等进行详细分析，并参考《大跨空间结构选型的因素体系模型》一文的建模系统，对大跨房屋钢结构建筑的结构体系进行了重新的诠释与补充。旨在为民用钢建筑提供新思路和新方法，提高工程质量、加快工程进度、降低施工成本。
【关键字】大跨房屋钢结构；结构体系；新结构形式
1 大跨度钢的主要内容和应用情况
1.1 大跨度钢的主要内容和特点
理论界普遍认为大跨度钢结构体系覆盖范围广、包括内容多，很难用明确、严格的定义来说明，一般认可跨度超过60m的结构可以称为大跨度结构。由于其结构上的多跨、连续跨等形式不同和受力特征的区别，又可概括出以下体系：
大跨度钢结构具有形式多样化、多姿多彩的特点。自上个世纪60年代以来，这种结构在我国得到广泛应用，直至80-90年代，中、小型跨度网架已经遍布各地，体育场馆、工厂车间、居民住房、机场等都使用了大跨度钢结构。这种结构由逐杆相连改为上、下弦杆连续设置，较方便地形成多曲率，不存在节点连接件，结构用钢量可与网格结构持平或有所减小。
除此之外，代预应力技术的引入使大跨度空间钢结构更具活力，呈现出先进性、合理性、经济性的优势，改善了原结构的受力状态和内力峰值，增强结构刚度、技术经济效果明显提高。构新材料的应用和计算机技术的进步也极大地推动大跨空间钢结构的进步与发展。广厦钢结构 CAD 系统、天津空间网架工程公司 TJWJ909，以及浙大空间网格结构分析设计软件 MSTCAD 都是大跨度钢结构更加完善。
1.2 大跨房屋钢结构建筑在我国的应用情况
一直以来，美、日、欧等发达国家的房屋钢材建筑处于领先地位，各种类型的大跨空间钢结构发展迅速，新技术和新材料也层出不穷。例如美国于1961年建成的匹兹堡会堂，直径达127m，1996年奥运会修建的佐治亚穹顶椭圆形平面的轮廓尺寸达192×241m。
我国的空间钢结构基础较为薄弱，起步也较晚，但随着国家经济实力和综合国力的增强，大跨工业厂房、机场、会展中心、剧院等得到了前所未有的发展和应用。从最初的平面架构、平板网架、单层网架到现在的空间立体桁架、多层网架等结构，其先进性、合理性、经济性得到了充分的展示，也引起了学界对大跨房屋钢结构建筑的进一步探讨和研究。
2 传统思路与新技术创新下大跨民用钢结构建筑对比研究
2.1 基于传统思路分类的大跨房屋钢结构
《大跨房屋钢结构》、《钢结构构件和结构体系概述》两书中对大跨民用钢结构的结构特点、构成要素、应用技术、使用材料等都做出了详尽的描述，可用图表概括如下：
2.2 新技术、新材料、新构件背景下的大跨房屋钢结构
在新技术的推动下，大跨房屋钢结构出现了许多新的形式，包括索桁架、 立体索桁架、交叉索桁平板网架、空间预应力索桁结构等。他们作为新的结构形式具有通过撑杆连接抗弯受压构件、抗拉构件、拉力与压力成对抵抗截面弯矩等特点，日本学者将其定义为“用撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件而成的自平衡体系”。
根据建筑学原理，空间预应力索桁结构则是一种三维布置的索桁空间受力体系，其形成缘由有平面双向索结构经旋转阵列或者是将平面体系双向或多向布置，也有的是将上弦和腹杆延展到空间，而下弦仍在二维平面内。可通过以下图标形象的说明。
这种新结构形式既保证了建筑结构的受力合理，又节省了建筑空间，同时满足了建筑需求，其中属美国著名工程师盖格尔在富勒张拉整体结构思想基础上创新设计出的索穹顶是这类结构的最为成功的典范，首度应用于大跨度工程。
3 大跨房屋钢结构建筑结构体系的考虑因素
顾名思义，大跨度钢结构的建筑核心是跨度问题，特征和优势也都体现在跨度上。因此，跨度因素是首要考虑因素。随着社会的进步，人们需要更大的空间结构进行公共活动，对于大空间的需求引起了大跨度空间钢结构形式的出现。每一种大跨空间钢结构形式都有其比较适应的跨度区间，超过该区间其结构空间性能及刚度合适性就会变劣。跨度是结构空间性能及刚度合适性最重要的组成部分之一。
其次，需要考虑宽度因素。作为一种典型的空间受力的结构形式，大跨空间钢结构，具有不宜分解为平面的体形，换而言之，具有三维受力特性。因此，另一向的长度对整体结构的影响不容忽视。
第三，建筑功能。建筑的根本任务在于能够服务于人的空间，是一种具有使用价值的功能、艺术、技术综合体。特别是将其应用到民用房屋结构时，应着重注意建筑的采光及通风、保温及隔热、与环境的协调美、建筑形象美等。具体而言：
3.1 自然采光及通风。对采光和通风的考虑会影响到结构形体的变化，从而对结构选型的结果产生影响；
3.2 保温及隔热。大跨空间建筑体量大，容纳人数较多，必须考虑人置身其中的舒适感，但另一方面人们在其中停留的时间不会太长，这个因素也必须加以考虑。
3.3 建筑形象美。形象美是通过建筑的物质实体来表达的，一般受结构形态的影响。
3.4 与环境相协调。建筑不是孤零零独立于周围环境之外的，大跨空间建筑基地环境各不相同，建筑体量的安排、尺度的处理、风格的创造等必然随之变化。简而言之，环境为大跨空间建筑创造鲜明的个性准备了条件。
第四，需要考虑荷载类型。任何建筑物都必须保证其在结构的设计使用期内，具有足够的承载能力，这是安全的保证，也是使用寿命的延伸。荷载类型一般可分为以地震荷载为主、以风荷载为主、以雪荷载为主等以及以屋面荷载为主等。对不同的，甚至同一的荷载类型而言，同一大跨空间钢结构的构件受力均匀与合理性都是有差异的。
第五，平面形状。对于千差万别的建筑平面形状，采用不同的大跨空间钢结构时其构件受力均匀与合理性也不尽相同。现有的大跨空间钢结构常用的形状包括矩形、正多边形、圆形、椭圆形、菱形及组合形。可以说，建筑平面形状是构件受力均匀与合理性组成部分之一。
4 大跨房屋钢结构建筑的施工技术方法
4.1 分条安装法
分条安装法又称小片安装法，是指结构从平面分割成若干条状或块状单元，分别用起重机械吊装至高空设计位置总拼成整体的安装方法。这种安装方法适用于刚度和手里改变较小的结构，可省去大量的拼装支架，有利用控制质量，减少高空作业。
4.2 高空滑移法
这种施工方法是将结构按条状单元分割，然后把这些条状单元在建筑物预先铺设的滑移轨道上由一端滑移到另一端，就位后总拼成整体的方法称为高空滑移法。
高空滑移法具有工期短、钢结构的滑移可与其他土建工程平行、节约空间、设备简单、成本低，以及不需大型起重设备的优点，特别在场地狭小或跨越其他结构而使起重机等无法进入的情况下更为合适。
4.3 整体吊装法
整体吊装法是指将结构在地面总拼成整体，用起重设备将其吊装至设计标高并固定的方法。该技术可以就地与柱错位总拼或在场外总拼，一般适用于焊接连接网架。但也有其不可避免的缺点，如需要大型的起重设备，且对停机点的地耐力要求较高。
4.4 整体提升法
上海歌剧院屋盖工程即采用了这种施工方法。学界认为，整体提升法是将结构在地面整体拼装后，起重设备设于结构上方，通过吊杆将结构提升至设计位置的施工方法。充分利用了、升板机、液压滑模、千斤顶等设备安装大型钢结构，
降低吊装成本，同时提升时可将防水层、屋面板及电气设备等全部在地面施工后，再提升到設计标高，实现节省施工费用的目标。
4.5 整体顶升法
这是利用柱作为滑道，将千斤顶安装在结构各支点的下面，逐步提升的施工方法。结构支点在下面，与整体提升法在提升设备的位置上有根本不同。
4.6 折叠展开安装法
此种施工技术源于日本法政大学教授川口卫先生开发的 Pantadome 安装方法，把一个穹顶看作由径向的拱绕竖向中轴旋转一周而成。这样穹顶结构就可以产生 1 个竖向的、且唯一的自由度。随后利用这种临时的自由度，把穹顶折叠起来，在较为接近地面的位置高度进行安装。
具体的施工过程是暂不安装某些部位的环向杆，组装完成后，用液压顶升的方法把结构推举到设计标高，变成一个稳定的几何不变结构，具体过程可见下图。
参考文献：
[1]中华人民共和国国家标准 . 钢结构设计规范（GB50017-2003 ）.北京：中国计划出版社 ，2003.
[2]宗听聪. 钢结构构件和结构体系概述 [M] . 上海: 同济大学出版社, 1999.
[3]哈尔滨建筑工程学院. 大跨度房屋钢结构 [M] . 北京: 中国建筑工业出版社, 1985 .
[4]鲍广鉴，曾强等 .现代大跨度空间钢结构施工技术[J].钢结构，2005.
[5]熊仲明等 . 基于经济性能的大跨度钢结构体系结构选型研究[J] . 西安建筑科技大学学报（自然科学版 ），2009.
[6]董石鳞，预应力大跨度空间钢结构的应用与展望[J] .空间结构，2001.
[7]李建廷，王义潮 . 大跨轻钢结构在民用建筑中的应用[J].理论探索， 2004.
[8]袁雪峰，李效梅等 . 迁徙大跨房屋钢结构建筑的结构体系[J].四川建筑科学研究,2007.
【关键字】大跨房屋钢结构；结构体系；新结构形式
1 大跨度钢的主要内容和应用情况
1.1 大跨度钢的主要内容和特点
理论界普遍认为大跨度钢结构体系覆盖范围广、包括内容多，很难用明确、严格的定义来说明，一般认可跨度超过60m的结构可以称为大跨度结构。由于其结构上的多跨、连续跨等形式不同和受力特征的区别，又可概括出以下体系：
大跨度钢结构具有形式多样化、多姿多彩的特点。自上个世纪60年代以来，这种结构在我国得到广泛应用，直至80-90年代，中、小型跨度网架已经遍布各地，体育场馆、工厂车间、居民住房、机场等都使用了大跨度钢结构。这种结构由逐杆相连改为上、下弦杆连续设置，较方便地形成多曲率，不存在节点连接件，结构用钢量可与网格结构持平或有所减小。
除此之外，代预应力技术的引入使大跨度空间钢结构更具活力，呈现出先进性、合理性、经济性的优势，改善了原结构的受力状态和内力峰值，增强结构刚度、技术经济效果明显提高。构新材料的应用和计算机技术的进步也极大地推动大跨空间钢结构的进步与发展。广厦钢结构 CAD 系统、天津空间网架工程公司 TJWJ909，以及浙大空间网格结构分析设计软件 MSTCAD 都是大跨度钢结构更加完善。
1.2 大跨房屋钢结构建筑在我国的应用情况
一直以来，美、日、欧等发达国家的房屋钢材建筑处于领先地位，各种类型的大跨空间钢结构发展迅速，新技术和新材料也层出不穷。例如美国于1961年建成的匹兹堡会堂，直径达127m，1996年奥运会修建的佐治亚穹顶椭圆形平面的轮廓尺寸达192×241m。
我国的空间钢结构基础较为薄弱，起步也较晚，但随着国家经济实力和综合国力的增强，大跨工业厂房、机场、会展中心、剧院等得到了前所未有的发展和应用。从最初的平面架构、平板网架、单层网架到现在的空间立体桁架、多层网架等结构，其先进性、合理性、经济性得到了充分的展示，也引起了学界对大跨房屋钢结构建筑的进一步探讨和研究。
2 传统思路与新技术创新下大跨民用钢结构建筑对比研究
2.1 基于传统思路分类的大跨房屋钢结构
《大跨房屋钢结构》、《钢结构构件和结构体系概述》两书中对大跨民用钢结构的结构特点、构成要素、应用技术、使用材料等都做出了详尽的描述，可用图表概括如下：
2.2 新技术、新材料、新构件背景下的大跨房屋钢结构
在新技术的推动下，大跨房屋钢结构出现了许多新的形式，包括索桁架、 立体索桁架、交叉索桁平板网架、空间预应力索桁结构等。他们作为新的结构形式具有通过撑杆连接抗弯受压构件、抗拉构件、拉力与压力成对抵抗截面弯矩等特点，日本学者将其定义为“用撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件而成的自平衡体系”。
根据建筑学原理，空间预应力索桁结构则是一种三维布置的索桁空间受力体系，其形成缘由有平面双向索结构经旋转阵列或者是将平面体系双向或多向布置，也有的是将上弦和腹杆延展到空间，而下弦仍在二维平面内。可通过以下图标形象的说明。
这种新结构形式既保证了建筑结构的受力合理，又节省了建筑空间，同时满足了建筑需求，其中属美国著名工程师盖格尔在富勒张拉整体结构思想基础上创新设计出的索穹顶是这类结构的最为成功的典范，首度应用于大跨度工程。
3 大跨房屋钢结构建筑结构体系的考虑因素
顾名思义，大跨度钢结构的建筑核心是跨度问题，特征和优势也都体现在跨度上。因此，跨度因素是首要考虑因素。随着社会的进步，人们需要更大的空间结构进行公共活动，对于大空间的需求引起了大跨度空间钢结构形式的出现。每一种大跨空间钢结构形式都有其比较适应的跨度区间，超过该区间其结构空间性能及刚度合适性就会变劣。跨度是结构空间性能及刚度合适性最重要的组成部分之一。
其次，需要考虑宽度因素。作为一种典型的空间受力的结构形式，大跨空间钢结构，具有不宜分解为平面的体形，换而言之，具有三维受力特性。因此，另一向的长度对整体结构的影响不容忽视。
第三，建筑功能。建筑的根本任务在于能够服务于人的空间，是一种具有使用价值的功能、艺术、技术综合体。特别是将其应用到民用房屋结构时，应着重注意建筑的采光及通风、保温及隔热、与环境的协调美、建筑形象美等。具体而言：
3.1 自然采光及通风。对采光和通风的考虑会影响到结构形体的变化，从而对结构选型的结果产生影响；
3.2 保温及隔热。大跨空间建筑体量大，容纳人数较多，必须考虑人置身其中的舒适感，但另一方面人们在其中停留的时间不会太长，这个因素也必须加以考虑。
3.3 建筑形象美。形象美是通过建筑的物质实体来表达的，一般受结构形态的影响。
3.4 与环境相协调。建筑不是孤零零独立于周围环境之外的，大跨空间建筑基地环境各不相同，建筑体量的安排、尺度的处理、风格的创造等必然随之变化。简而言之，环境为大跨空间建筑创造鲜明的个性准备了条件。
第四，需要考虑荷载类型。任何建筑物都必须保证其在结构的设计使用期内，具有足够的承载能力，这是安全的保证，也是使用寿命的延伸。荷载类型一般可分为以地震荷载为主、以风荷载为主、以雪荷载为主等以及以屋面荷载为主等。对不同的，甚至同一的荷载类型而言，同一大跨空间钢结构的构件受力均匀与合理性都是有差异的。
第五，平面形状。对于千差万别的建筑平面形状，采用不同的大跨空间钢结构时其构件受力均匀与合理性也不尽相同。现有的大跨空间钢结构常用的形状包括矩形、正多边形、圆形、椭圆形、菱形及组合形。可以说，建筑平面形状是构件受力均匀与合理性组成部分之一。
4 大跨房屋钢结构建筑的施工技术方法
4.1 分条安装法
分条安装法又称小片安装法，是指结构从平面分割成若干条状或块状单元，分别用起重机械吊装至高空设计位置总拼成整体的安装方法。这种安装方法适用于刚度和手里改变较小的结构，可省去大量的拼装支架，有利用控制质量，减少高空作业。
4.2 高空滑移法
这种施工方法是将结构按条状单元分割，然后把这些条状单元在建筑物预先铺设的滑移轨道上由一端滑移到另一端，就位后总拼成整体的方法称为高空滑移法。
高空滑移法具有工期短、钢结构的滑移可与其他土建工程平行、节约空间、设备简单、成本低，以及不需大型起重设备的优点，特别在场地狭小或跨越其他结构而使起重机等无法进入的情况下更为合适。
4.3 整体吊装法
整体吊装法是指将结构在地面总拼成整体，用起重设备将其吊装至设计标高并固定的方法。该技术可以就地与柱错位总拼或在场外总拼，一般适用于焊接连接网架。但也有其不可避免的缺点，如需要大型的起重设备，且对停机点的地耐力要求较高。
4.4 整体提升法
上海歌剧院屋盖工程即采用了这种施工方法。学界认为，整体提升法是将结构在地面整体拼装后，起重设备设于结构上方，通过吊杆将结构提升至设计位置的施工方法。充分利用了、升板机、液压滑模、千斤顶等设备安装大型钢结构，
降低吊装成本，同时提升时可将防水层、屋面板及电气设备等全部在地面施工后，再提升到設计标高，实现节省施工费用的目标。
4.5 整体顶升法
这是利用柱作为滑道，将千斤顶安装在结构各支点的下面，逐步提升的施工方法。结构支点在下面，与整体提升法在提升设备的位置上有根本不同。
4.6 折叠展开安装法
此种施工技术源于日本法政大学教授川口卫先生开发的 Pantadome 安装方法，把一个穹顶看作由径向的拱绕竖向中轴旋转一周而成。这样穹顶结构就可以产生 1 个竖向的、且唯一的自由度。随后利用这种临时的自由度，把穹顶折叠起来，在较为接近地面的位置高度进行安装。
具体的施工过程是暂不安装某些部位的环向杆，组装完成后，用液压顶升的方法把结构推举到设计标高，变成一个稳定的几何不变结构，具体过程可见下图。
参考文献：
[1]中华人民共和国国家标准 . 钢结构设计规范（GB50017-2003 ）.北京：中国计划出版社 ，2003.
[2]宗听聪. 钢结构构件和结构体系概述 [M] . 上海: 同济大学出版社, 1999.
[3]哈尔滨建筑工程学院. 大跨度房屋钢结构 [M] . 北京: 中国建筑工业出版社, 1985 .
[4]鲍广鉴，曾强等 .现代大跨度空间钢结构施工技术[J].钢结构，2005.
[5]熊仲明等 . 基于经济性能的大跨度钢结构体系结构选型研究[J] . 西安建筑科技大学学报（自然科学版 ），2009.
[6]董石鳞，预应力大跨度空间钢结构的应用与展望[J] .空间结构，2001.
[7]李建廷，王义潮 . 大跨轻钢结构在民用建筑中的应用[J].理论探索， 2004.
[8]袁雪峰，李效梅等 . 迁徙大跨房屋钢结构建筑的结构体系[J].四川建筑科学研究,2007.