摘要： 隨著城市環境變化和現代工程技術發展，建造跨度 1 000 m 級超大型城市穹頂以營造一個特定的區域小環境，逐漸成為現實需求。城市穹頂突破現有結構尺度極限，結構設計面臨新的挑戰。對城市穹頂的概念進行了探討，以在寒冷地區建造一座跨度 800 m 城市穹頂為設定工程背景，對采用剛性結構、雜交結構、柔性結構以及組合結構等四大類結構體系共計13 種結構方案進行選型研究。對比分析了結構剛度、穩定承載力和用鋼量等指標，總結了跨度 800 m 各種結構方案性能特點，提出了可將 K 型角錐球面網殼、K 型巨型網格結構以及索承網殼-雙層網殼組合結構作為優選方案； 并就超大跨度穹頂的建造與設計提出了材料輕質化、設計標準、抗風問題、溫度場影響、結構形態學、建造可行性、圍護結構、節能環保以及穹頂維護等 9 個方面的相關問題，以供進一步研究作為參考。
關鍵詞： 城市穹頂； 跨度 800 m 網殼結構； 結構選型。
0 引言
在空間結構領域，建造更大跨度的建筑結構一直是結構工程師不懈的追求[1-2].近三十年來，隨著新材料、新工藝、新技術、新結構形式的不斷涌現，在相對成熟的結構分析理論支撐下，目前世界范圍內跨度 150 m 的建筑已為數不少，跨度 300 m 的建筑也有若干成功案例： 1999 年建成的英國倫敦“千年穹頂”,采用塔桅支承的懸索結構體系，上覆輕質膜材，結構平面直徑達到 320 m; 1993 年建成的日本福岡穹頂，是當時全球最大跨度網殼結構，也是日本第一座超大型可開合屋蓋結構，結構跨度達 222 m,整個結構由 3 片網殼組成，體現了人們對改善結構內部環境的追求。同一時期，我國空間結構發展也取得長足進步，尤其是北京奧運會與上海世博會的成功舉辦，使得一批結構型式新穎的大跨度現代化體育場館、會展中心等公共建筑陸續建成，目前我國已具備設計建造跨度達 300 m 量級的空間結構的能力： 2008年建成的國家體育場“鳥巢”,其長軸為 332. 3 m,短軸為 296. 4 m,巨大的箱形截面桁架構成其結構主體； 2004 年建成的重慶奧體中心袁家崗體育場，上部拱桁架跨度達到 312 m.
在自然條件極為惡劣的地區，人們希望通過跨度巨大的空間結構營造適合人類活動的區域小環境； 由于環境污染、氣候變化造成的空氣污染以及颶風、熱浪等極端自然災害，保護城市居住環境，改善自然環境逐漸成為一種現實需求。日本巴組鐵工所對此曾有一段經典論述： 21 世紀是為人類創造舒適、清潔、節能的新型城市的時代，具有現代設備與人工智能的封閉式城市環境，將為人類提供與自然相協調的理想生活環境。由此可見，建造跨度 1 000 m 級城市穹頂，營造宜居節能的區域小環境正逐漸成為對結構工程師的全新挑戰。
基于上述背景，可定義城市穹頂為： 以營造特定區域小環境為目標而建造的巨型、封閉式屋蓋結構，結構跨度超大，可達到 1 000 m 量級； 其建筑功能不是單體建筑，更注重對區域環境的控制和影響； 更加體現建筑、結構、設備以及環境等多學科專業的集成與融合。
作者以建造在寒冷地區的跨度為 800 m 的穹頂方案為背景，研究其結構方案可行性，對剛性結構、雜交結構、柔性結構以及組合結構等四大類結構體系共計13 種結構方案進行分析，以結構剛度、穩定承載力和用鋼量等為指標，確定優選結構方案，總結歸納超大跨度城市穹頂結構選型的概念設計建議，并考慮如何解決超大跨穹頂設計的若干相關問題。
1 國外城市穹頂方案及工程背景
世紀 60 年代以來，歐、美發達國家的學者對超大跨度城市穹頂方案展開研究，先后提出了若干概念性設計方案。
1968 年，美國建筑結構工程師 Fuller 與建筑師Shoji Sadao 合作提出著名的“曼哈頓穹頂計劃”（ 圖1a） ,擬建造直徑 3 200 m,高度 1 600 m 的短程線型網殼結構超級城市穹頂，以覆蓋東河與哈德森河之間繁華的曼哈頓島第 21 ~ 64 街區。Fuller 認為由于內部空間巨大，在內部熱空氣作用下穹頂結構將有漂浮的趨勢，可抵消部分結構重力荷載。同時指出，曼哈頓穹頂在營造內部舒適環境的同時，能夠減少空調、冬季除雪等龐大開支，如果選擇合適的建筑材料，10 年時間節省的開支能夠滿足穹頂建設的資金要求。
同一時期，德國建筑結構工程師 Frei Otto 提出“北極之城”的超大跨度穹頂方案（ 圖 1b） ,用直徑2 000 m 的充氣膜結構覆蓋北極部分區域，以改變常駐北極科研工作者的工作環境。充氣膜結構自重很輕，如何抵御北極暴風雪侵襲是其最大挑戰。北極之城的設想得到了國際上許多同行的響應，迄今方案仍處于探討中。
為抵御颶風和熱浪襲擊，美國工程師提出在休斯敦上空修建一座跨度 1 600 m、高度 450 m 的城市穹頂（ 圖 1c） ,設計要求能夠抵御 5 級颶風。與英國伊甸園工程類似，采用 ETFE 氣枕作為圍護結構，既減輕結構自重，又滿足內部采光需求。2009 年美國探索頻道曾推出專題紀錄片，介紹休斯敦穹頂方案進展。
2010 年，美 國 索 膜 結 構 設 計 安 裝 公 司 Span22Systems 提出適用于超大跨度城市穹頂的 Spantheon結構體系（ 圖 1d） ,并申請國際專利（ Patent 2006/136867） 與美國專利（ Patent 7726087） .該體系由若干巨大拱桁架匯交于城市穹頂中心，形成巨大的支承骨架，拱桁架之間大范圍區域由輕型張拉索膜結構覆蓋。
此外，俄羅斯、日本等國家工程師也對超大跨度城市穹頂提出了展望。俄羅斯某公司 2010 年提出要在西伯利亞一處直徑 1 200 m 的廢棄礦坑上建造一座可容納 1 萬人的立體城市社區； 日本巴組鐵工所曾提出 1 000 m 的城市穹頂藍圖，體現工作、居住、娛樂一體化的未來理想城市。
由上述可見，發達國家已經對 1 000 m 級城市穹頂方案開展研究，我國在該領域尚處空白。我國近年來也出現了對營造區域小環境的探索，例如成都新世紀環球中心[3]
（ 圖 2） 是亞洲第一大單體建筑，主體結構平面尺寸約 500 m ×400 m,以“海洋”為主題，改造區域小環境，創造出內陸城市“海景風情島”的娛樂休閑模式，獲得了良好的社會和經濟效益，該項目為改造區域小環境建筑的發展提供了借鑒。
基于上述已有研究，對擬建在寒冷地區的跨度800 m、矢高 200 m 的超大型穹頂建筑（ 圖 3） 的封閉式屋蓋的結構選型開展研究。
2 跨度 800 m 穹頂結構選型
跨度 800 m 穹頂可行性結構方案，包括剛性結構、雜交結構、柔性結構以及組合結構等四類結構體系共計13 種結構方案。研究考察了不同方案結構性能特點，并給出方案可行性建議。圖4 為結構選型思路，其中凱威特型簡稱 K 型。
2. 1 選型條件
結構方案選型階段考慮了構件的重力荷載（ 質量密度取 7 850 kg/m3） 、節點的重力荷載（ 取構件重力荷載的 0. 4 倍） 、附加面恒載 1. 0 kN/m2、活荷載0. 5 kN / m2、溫度作用（ 結構整體升、降溫 30 ℃） 以及風荷載（ 有待于專項研究，暫取基本風壓 0. 5 kN/m2,風振系數 1. 6,體型系數與風壓高度變化系數暫按GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》[4]規定取值）等荷載作用，并對上述荷載進行合理組合。
剛性構件材料選用 Q420B 圓鋼管，截面設計根據 GB 50017-2003《鋼結構設計規范》[5]與 JGJ 7-2010《空間網格結構技術規程》[6]等相關規定控制其應力比與長細比，材料強度設計值需要考慮結構重要性系數1. 1 及圓鋼管壁厚的折減，同時考慮構件整體穩定系數影響，應力比控制為 0. 8; 拉索采用抗拉強度為 1 670 MPa 的高強度拉索，拉索最大內力值控制為破斷力的 50%.
結構性能評價指標包括強度、剛度、穩定性與經濟性。剛度指標指結構在恒荷載與活荷載標準值組合作用下的最大撓度值。穩定性指標指結構穩定承載力系數，包括彈性穩定系數與彈塑性穩定系數，后者兼顧幾何非線性與材料非線性，更能反映結構真實受力狀態，因此以控制后者為主。經濟性指標指構件與節點材料用量，以投影面積用鋼量來表征。超大跨度穹頂結構由于內部功能復雜，要求屋蓋結構具有良好建筑適應性，如通透性，能夠滿足內部采光要求等。
2. 2. 1 雙層網殼
雙層網殼結構兼具桿系結構與薄殼結構的特征，構件以軸向受力為主，力學性能優異，具有較強的跨越能力。為考察雙層網殼結構在跨度 800 m 穹頂中的適用性，經網格劃分研究，選取構件長度均勻、構造合理的 K 型與短程線型網殼進行研究。對于 K 型網殼結構，考察了 K 型平行弦三向交叉桁架球面網殼（ 圖5a,簡稱“交叉桁架方案”） 、K 型角錐球面網殼（ 圖 5b,簡稱“球面方案”） 與 K 型角錐懸鏈面網殼（ 圖 5c,簡稱“懸鏈面方案”） ; 對于短程線型網殼，考察短程線型角錐球面網殼方案（ 圖 5d,簡稱“短程線型方案”） 性能。交叉桁架方案由平面桁架代替單層網殼中單根構件獲得，結構環向未設置斜腹桿；球面方案是通過三角錐連接結構上下弦桿件，結構上弦桿件布置同單層 K6 型網殼?？臻g結構是典型的形效結構，倒置懸鏈面是結構受豎向荷載作用合理的受力形狀，彎矩水平較低，結構剛度較大，懸鏈面方案與球面方案的結構拓撲相同； 短程線型方案網格均勻，造型美觀，受力性能好，是另一種常用的空間網格形式。方案選型階段，上述4 種雙層網殼徑向分割數均為 40,結構厚度均取為 10 m（ 跨度的1 /80） ,均設置下弦固定鉸支座，其中，3 種 K 型雙層網殼采用 K6 型網格劃分。
