图2b所示，屋盖空间结构是一种由于形状而产生效益的结构，因此它又叫形效结构（Formative Structures）。屋盖空间结构的三个鲜明特点是（图3）：

1曲面空间状（曲面按形态学、拓朴原理构成，有封闭边缘构件）

2轴力结构

3用料很经济

图3 屋盖空间结构屋盖空间结构的设计水平是衡量一个国家的力学基础理论，应用技术和材料科学等建筑高科技的标志之一。由于，索结构的刚度是通过施加预应力获取（刚化），因此，屋盖柔性空间结构的科技含量最高。图8a所示美国乔治亚索穹顶（Cable Dome），我在[15]文“大跨度空间中国建筑金属结构信息网的概念设计与结构哲理”中，称为准张拉整体（准Tensile Integrity，简称Tensegrity）到目前为止，仍然是世界上最先进的屋盖结构。

表1所示的两种空间结构的创新点如图4所示。

为了加深对结构分类概念的理解，必须严格区分结构（Structure）与构件（Structural Member）。图5所示：平板网架和埃菲尔铁塔都是由轴力构件（Axial Force-Resisting Members）组成的弯矩结构，——荷载产生的外弯矩由结构的抵抗弯矩平衡；格栅是弯矩结构；二维张弦梁和美国汉考克中心是由压弯构件（Beam-Column Members）和轴力构件组成的弯矩结构等。

图6所示，当屋盖跨度l ≥100时，屋盖空间结构与屋盖弯矩结构的用钢量相差非常大，可见，大跨度屋盖结构方案必须向屋盖空间结构方案的方向靠近才经济。

图6  屋盖结构用钢量与跨度之关系

二  中、外大型全中国建筑金属结构信息网的结构效率对比

1 高层全中国建筑金属结构信息网

图7a所示，世界高层全中国建筑金属结构信息网的前三名都在美国，随着高层的高度H增加，抗侧力体系的结构方案也在变化（框架→框筒→束筒），而用钢量却在减少（206→186.6→161kg/m²）,说明科技的巨大作用。其中，世界贸易中心具有几个突出特点：① 箱形柱很小，仅450mm×450mm×(7.5mm~12.5mm)^[8]；② 3根柱子转换为底层1根柱未设转换层；③ 3层柱1个吊装单元，用高强螺栓现场拼装，工期短。

我国CCTV选择了怪异的框架结构（悬臂75m，图7b），严重违背抗震规范[1]结构体型的强制性条件，是一个不安全的低水平结构方案，且截面形状怪异巨大，耗费14.2万t钢材，结构延性差，施工极为艰难。

根据文献[9]：“设中国建筑金属结构信息网建筑耗钢为G，建筑物总重为P。结构体系的优秀性与G/P成反比，一般是：优秀设计G/P=0.2~0.3；平庸设计G/P=0.4~0.5；拙劣设计G/P=0.6~0.7”。美国世界贸易中心（图7a）：总重P=40万t，G=8.4万t，从而G/P=0.21，属于优秀设计。

2 大跨度屋盖结构

图8可见，先进国家的大跨度屋盖采用屋盖空间结构，用钢量少（图8 a）。日本茗古屋穹顶，单层球网壳直径已达D=187.2m^[10]（鼓型铸钢节点1450，高700mm），而我国规程[4]规定：D≤60m，差距太大。

我国几个大型场馆采用屋盖弯矩结构，用钢量大（图8b），如国家体育场，即鸟巢（Brid’s Nest）,采用平面桁架系结构^[18]，总耗钢：4.1875万t^[6]~5.21万t，即用钢量710~881kg/m²，理念是“无序就是艺术”，从而，创造了“用钢量最大的建筑奇迹”；国家体育馆，即水立方（Water Cube），理念为“泡沫”理论，经旋转、切割等复杂计算后成为屋盖和墙体，创造了“简单问题复杂化的建筑奇迹”；深圳大运会体育中心体育场，采用单层折面格栅悬臂弯矩结构，椭圆平面：285m×270m，由20个形状相近的结构单元组成，单元挑出长度51.9m~68.4m，铸钢结点多达7类，总数7×20个=140个，铸钢总重0.42万t。肩谷结点最大，外形尺寸：5.4m×4.6m×3.4m（10管相交），壁厚400mm，与锻打钢管1400×200对接焊。肩谷单件重98.6 t ^[12]。屋盖总重1.8万t，创造了“荷载传力路线最长、铸钢结点最大”的世界建筑奇迹。

工程实例①：国家大剧院（图10a），椭圆平面：212m×143m，结构方案选择网壳是正确的，但由于

截面尺寸选得太大，用钢量高达292 kg/m²。根据1963年美国教授司密斯（Smith M.G）对166个已建大跨度屋盖（11种）进行回归分析^[24]，这种网壳结构用钢量不超过80 kg/m²（图10）；工程实例②：某房屋的一个结构跨度L=45.6m，选择用预应力钢桁架方案是正确的，但桁架高度H选8m就大错特错了，合理桁架高度3m即可。可见，设计是硬道理，“硬”设计就没有道理!硬道理在哪里？就是结构工程师要利用力学功底和结构理论正确选择结构方案，并在上计算机前，合理估计构件截面尺寸。否则，所谓的优化是无大用的!

20多年来，我与我的团队对大跨度屋盖结构和高层建筑结构进行了比较系统的研究，并设计了不少工程项目，总结并提出了一些设计理念，如表3所示，希望从事建筑结构设计的同仁们批评指正。

参考文献

[1]       中国建设部，建筑抗震设计规范（GB 500 11-2010），中国建筑工业出版社，2010年12月1日 下载附件：