浅述我国建筑索结构的概念、类型与发展
来源：中国建设报
近年来,索结构在建筑结构中越来越多地得到应用，其建造技术也得到迅速发展。北京工业大学空间结构研究中心主任、中国钢结构协会空间结构分会理事长张毅刚教授在《建筑索结构的概念、类型与发展》一文中详细地介绍了悬索结构、管内预应力结构、张弦结构、拉索结构、斜拉结构、索拱结构、吊挂结构等七种类型的结构及其在我国最新的工程实践，并就各种类型建筑索结构的组成与受力特点及其在建筑钢结构与幕墙（采光顶）中的应用与发展进行了论述。——编者
⒈引言。
我国在建筑结构中应用预应力索始于20世纪中国一汽丰田50年代，1991年中国土木工程学会桥梁与结构分会在无锡召开了全国索结构学术交流会，尽管预应力索在桥梁结构中应用更多，会上还是展示了在建筑结构中应用的良好势头。2002年，中国工程院院士、浙江大学教授董石麟和北京工业大学教授陆赐麟整理了我国主要预应力钢结构工程（不包括膜结构工程），截至到2001年有2
8项。光阴荏苒。目前，我国建筑结构中预应力索的应用已经遍地开花，无论是设计理论还是制作建造技术均有了长足的进步。据不完全统计，仅新发展起来的空间张弦结构已经有18项工程；近几年新建的火车站已有12个应用了索结构；综合起来估计有数百项工程。1997年，中国工程院院士、哈尔滨工业大学教授沈世钊等所著《悬索结构设计》中所列的索结构形式，均有了新的工程实践，且不断创新。随着114米×144米跨度的双向张弦桁架、122米跨度的张弦网壳、148米跨度的张弦桁架、310米跨度的辐射布置索桁架等世界上最大的工程落户我国，相关的内容很值得总结、梳理，以推动行业更好地发展。
索结构通常由索与其它材料的结构组成，可包括：索与钢结构、索与膜结构、索与钢筋混凝土结构、索与玻璃结构组成的各种结构体系，应用于建筑结构、桥梁结构、围护结构（幕墙、采光顶）中。
建筑索结构是指在建筑结构中应用索作为承重结构或通过张拉索对刚性结构体系施加预应力，提高或改善结构的受力性能而形成的结构体系，这里主要讨论的是其在钢结构与幕墙（采光顶）的应用中形成的各种类型体系。根据建筑索结构近年来的发展，按其组成和受力特点可归纳为：悬索结构、管内预应力结构、张弦结构、拉索结构、斜拉结构、索拱结构、吊挂结构。
⒉悬索结构
悬索结构主要承力构件是索，悬挂于支承结构上，采用双层索时在上下弦索之间使用撑杆或拉杆联系。根据布索的不同方式形成了索桁架、索网、劲性索和索穹顶。
平行布置索桁架是由上下弦索加联系杆构成，形如桁架，故称索桁架。1986年建成的吉林冰上运动中心滑冰馆屋盖最早采用索桁架，59米跨度，平行布置，需要支撑系统以保证多榀索桁架能够共同工作。近年来，索桁架被大量用作玻璃幕墙的支承体系，在采光顶中也有应用。
辐射布置索桁架是将索桁架辐射布置，与受压外环梁和受拉内环梁（索）组成圆形或椭圆形屋盖结构，可以采用一层外环两层内环或两层外环一层内环的形式。1961年建成的北京工人体育馆屋盖是我国最早的此类结构，跨度94米。近年来，辐射布置索桁架也用于采光顶。2006年建成的佛山世纪莲体育场屋盖，外环达到310米，内环125米，是世界上跨度最大的此类结构。正在建设的深圳宝安体育场屋盖，外环为237米×230米的近似圆，内环129米×122米，呈马鞍面，建筑更加美观，但结构建造难度增大。
索网是两方向的索交叉布置，就形成了索网。通常承重方向的索下凹，稳定方向的索上凸，构成双曲抛物面。1969年建成的浙江人民体育馆屋盖（80米×60米）是我国早期的此类工程。1988年建成的四川体育馆，用跨度102.45米、矢高39.27米大拱作为中间支承，两边是双曲抛物面索网，类似工程后来建成了好几座。
近年来索网更多地应用于幕墙和采光顶，如采用单层索网支承玻璃幕墙。深圳市民中心博物馆采光顶，采用斜向布置的双层索网，覆盖30米×54米。2004年建成的天津一汽丰田停车场，柱网是26米×24米~35米×24米，采用双向多跨连续索桁架作为每块双曲抛物面索网的支承体系，这里应用了两种形式的索桁架，共覆盖5万多平方米。
索穹顶是上弦索径向布置，下弦索环向布置，其间径向布置斜索和竖直压杆，最终与周边受压环梁一起构成了索穹顶（CableDome）。由于整个结构以拉索为主，辅以少量压杆，结构效率极高。国外已有多个工程，我国的学者一直在研究，难点在于预应力的施加过程。2009年，无锡科技交流中心工程采用了24米跨度的索穹顶，采用地面组装，整体提升，分次逐级张拉的施工方法成功地建成了我国首个刚性屋面索穹顶。
劲性索结构是将刚性构件做成下垂形式如同柔性索一样地使用，就称为劲性索。向下荷载作
用时，刚性构件受拉；向上风荷载作用时，利用其抗弯刚度，以拱的形态来承担荷载。显然劲性索结构的建造要比柔性索容易，结构效率也较好。2008年建成的北京南站雨篷结构首次采用了劲性索结构。工字钢梁跨度为9.772米~67.500米，最大下垂高度为6.464米，端部设了斜拉索，主要用来稳固钢梁。
⒊管内预应力结构
在钢管内穿索并施加预应力，使其成为预应力拉杆是预应力钢构件中的一种通常做法。近年来，将这一做法直接应用于双层管结构的下弦管，用以提高结构刚度，节省下弦杆用钢，称管内预应力结构。这样，不仅索的张拉施工方便，同时还有利于索的防火与防腐。2000年建成的宿迁市文体馆屋盖焊接空心球网壳，呈双曲抛物面，投影80米×62.5米。经过方案比较认为，下弦管内穿索的方案控制位移效果最好，内力变化均匀，用钢量少。
近年来，管内预应力结构的应用较多，譬如，2002年建成的济南战役纪念馆网架屋盖跨度为42米。2009建成的东北师范大学体育馆跨度为40米~70米，用立体桁架构成曲面造型。2005年建成的南京奥体中心游冰馆跨度为78米~27米，在上拱的下弦管内使用了预应力索。同年建成的成都市新世纪国际会展中心展馆跨度为73.06米~89.976米，在下凹的下弦管内使用预
应力索。应该指出，下弦上拱时，竖向荷载作用引起的变形将使管内的索趋于松弛。管内预应力结构设计中应注意索与钢管变形的协调及极端情况下断索情况验算。
⒋张弦结构
张弦结构是指上弦刚性构件（结构）与下弦索通过撑杆联结成的自平衡体系，通过对下弦索施加预应力提高结构刚度，改善上弦内力分布。1957年第一个张弦桁架模型试验在哈尔滨工业大学进行，跨度为12米。1958年在山西大同煤矿四老沟矿建成了全国第一个张弦桁架输煤栈桥，跨度为25米，采用预应力钢筋后比原设计的钢结构节省钢材达51%。此后，张弦桁架的应用得到推广。1999年上海浦东国际机场(一期)航站楼竣工投入运营，入口处、办票厅、商场和登机廊4个大空间屋盖均采用了张弦结构，跨度依次为49.3米、82.6米、44.4米和54.3米。张弦结构在上海浦东国际机场的成功应用引起了人们广泛的关注，推动了张弦结构在大空间屋盖中的应用和发展。目前，张弦结构是建筑索结构中应用最广泛、发展最快的结构形式，设计理论与建造技术趋于成熟。
单向张弦结构的上弦是由梁、拱、桁架或立体桁架构成的，张弦结构属于单向受力，一般平行布置，辅以支撑系统保证结构平面外的稳定。几个跨度最大的工程均采用了张弦立体桁架。
譬如，2002年建成的广州国际会议展览中心展览大厅屋盖，跨度为126.6米；同年建成的黑龙江省国际会议展览体育中心主馆屋盖，跨度为128米。2009年建成的上海世博会主题馆西展厅屋盖，跨度为144米；同年建成的东营黄河口模型厅屋盖，最大跨度为148米，立体桁架包括穿索张拉节点都采用了焊接球节点。
提高单向张弦结构的平面外刚度和抗风能力是该类结构应用中必须引起重视的问题。许多工程设计成空间体系，以提高单向张弦结构的平面外刚度，如宝钢游泳馆改造、浦东国际机场二期工程、如皋市行政综合服务中心屋盖等。为提高其抗风能力，如皋市行政综合服务中心屋盖加设了抗风索，延安站站台雨篷在上弦管内适度浇灌水泥砂浆，增加恒载以抵抗风吸力。以上表明张弦结构应用的技术在不断地提高。
双向张弦结构的双方向布置张弦体系克服了单向结构平面外刚度小的弱点，一般采用正交布置。2003年北京建工研究院进行了此类结构的试验研究，近年来有了一些应用。2007年建成的北京中石油大厦中庭采用了43.2米×40.5米的双向张弦结构；同年建成的国家体育馆采用了114米×144.5米的双向张弦结构，横向14榀，纵向8榀，成为目前世界上跨度最大的双向张弦结构。
空间张弦结构的上弦是单层网壳或空间桁架体系，下弦索撑体系采用多向或空间布置形成空间工作，近年的发展有几种形式的应用。2008年建成的南京苏远大厦中庭，跨度为72米，该工程成功地尝试了上部单层网壳与下部三向布置索撑体系组合的张弦网壳。2007年建成的北京大学体育馆上弦采用放射与环向布置的空间桁架体系，平面80米×64米，构成了张弦空间桁架结构。即将竣工的广州南沙体育馆（亚运会武术馆），跨度为98米，采用张弦梁辐射布置，辅以中央拉环的结构形式。利用张弦结构的自平衡特性，该工程采用了双层结构的做法，有效地减小了结构高度。
2000年建成的昆明柏联广场中庭跨度为15米，上弦采用矢跨比1/25的单层网壳，下部的索撑体系环向和径向形成空间布置，是SuspenDome结构体系在我国的第一次尝试，其后陆续建成10余座此类结构。2008年建成的济南奥林匹克体育中心体育馆，跨度达到122米，是目前世界上跨度最大的此类结构。安徽大学体育馆做成六边形，边长47.44米，索撑体系沿着6条主肋布置。渝北体育馆设计成三角形，单边跨度81米，索撑体系采用鱼腹式布置。这些工程充分体现出我国建造技术的日益进步与创新能力。
空间张弦结构设计与建造过程中，预应力损失以及支座的合理使用是值得注意的问题。还有几种张弦结构形式值得进一步关注并推进它们发展。
张弦刚架是将索撑体系应用到刚架，增加横梁刚度，可以有效节省用钢量。譬如，2004年建成的大连周水子国际机场航站楼跨度为53.5米。
张弦两铰拱是将索与撑杆根据两铰拱在全跨荷载作用下的弯矩合理地布置在受拉侧。譬如，新柏林火车站。我国在张弦两铰拱方面已有些研究，但尚无工程应用。
张弦成形结构的实际应用有2002年建成的99.6米跨度的海南航空股份有限公司海口基地1号维修机库，其采用了Strarch体系：拱架下弦管预留间隙，通过张拉下弦管内的索，一端支座滑动，下弦间隙并拢，使上弦拱起，柱子立直，拱架成形。该工程是国外公司设计与建造的。该结构成形前实际上是张弦结构，成形后如果将下弦管连接起来就成为管内预应力结构。由于张拉过程是实质的成形过程，因此称为张弦成形结构。这方面我国已有研究，如进行张弦成形桁架、张弦成形网壳试验研究等，但尚无工程应用。
⒌拉索结构
在网壳、拱等有水平推力的结构中合理增设拉索，对拉索施加预应力以减小刚性构件（结构）支座端的水平推力，提高结构的刚度，称为拉索结构。
拉索网壳较典型的工程有1994年建成的攀枝花体育馆屋盖，跨度为64.9米，间隔柱顶布置拉索。这是我国最早的拉索网壳，类似的结构后来又建造了许多。攀枝花体育馆屋盖结构的支座处设置了短撑杆，但它不同于张弦结构中撑杆的作用，主要用于提高施加预应力的效果，并改善柱顶周边杆件受力。2005年建成的河南新乡豫新电厂干煤棚跨度为81.8米，为减小拉索在自重作用下的挠度，加设了吊杆。