文/劉偉 薛素鐸 李雄彥
國際殼體與空間結構協會的創始人托羅哈(Torroja，E.)提出了“最佳結構有賴于其自身受力之形體，而非材料之潛在強度”，也就是說：采用高強度材料只解決了問題的一方面，還必須尋找形體合理的結構，使其能夠充分發揮材料的潛力。索穹頂結構較好地詮釋了上述觀點，它那輕巧、通透并且跨度較大的優點受到了建筑師和結構工程師們的青睞。
索穹頂結構是另外一種效率更高的空間結構，該體系不但形體優美，而且具有良好的受力性能。因此索穹頂結構非常適合于體育文化建筑。加之計算機技術以及新材料、新工藝的不斷革新，使得復雜空間結構的分析、設計、建造成為可能，所以空間結構在國內外呈現出一種蓬勃發展的趨勢。歷屆奧運會世博會等國際大型文體活動的召開往往都會催生一批優秀的建筑代表作。索穹頂結構曾多次得到奧運會的青睞，1988年漢城奧運會的體操館，該館的屋蓋為120米的索穹頂結構，這是世界上第一個采用張拉整體概念的大型工程，由美國著名結構工程師蓋格設計。到了1996年亞特蘭大奧運會，美國工程師李維進一步改進了索穹頂體，設計建造了主場館佐治亞穹頂并被評為當年全美最佳設計。
漢城奧運會體操館和佐治亞穹頂代表了最典型的兩類索穹頂。之后，Geiger公司又相繼建成了美國伊利諾斯州大學紅鳥體育場和佛羅里達州太陽海岸穹頂，Levy的設計團隊又設計了圣彼得堡雷聲穹頂和沙特阿拉伯利亞德大學體育館。其中利亞德大學體育館為可開合的索穹頂結構，一時間，索穹頂結構得到迅速發展，索穹頂不但造型優美、輕巧通透而且可以跨越較大跨度，在可開合方面也顯示了良好的適應性，這一切工程實例說明了索穹頂具有廣闊的應用前景。
由于索穹頂結構是幾何柔性的結構體系，在沒有施加預應力之前，它的初始剛度幾乎為零，是一種機構而非結構，此時稱之為零態。在施加了適當的預應力以后索穹頂結構才具有剛度，結構在所施加的預應力之下處于一種穩定的平衡狀態，此時稱之為初始平衡態。這種初始平衡態的獲得主要是結構幾何和預應力相互作用的結果，并受外界約束條件和結構拓撲的影響。因此，在邊界約束條件和結構拓撲條件下，如何滿足自應力平衡的結構幾何，就構成了張位整體體系的初始平衡問題。索穹頂結構在正常使用過程中會受到外界的荷載作用，此時稱之為荷載態。
索穹頂結構與其他索系結構一樣，必須施加預張力使之成形。而且結構的工作機理和特性依賴于自身的形狀。沒有合理的初始形態，結構就沒有良好的工作性能。所以，找形分析對索穹頂結構就顯得尤為重要。索穹頂結構的找形分析包括形狀分析和力學分析，其任務是在給定的拓撲條件和邊界條件下，既可以得到自平衡預應力的分布，又能獲得滿足自應力平衡的結構幾何形狀。
確定索穹頂結構的形狀問題，可以分為兩類：其一，結構幾何給定，預應力分布未定。預應力態幾何即是初始給定幾何，所要求解的是在給定幾何條件下的結構預應力分布。其二，；結構幾何和預應力分布均未定。首先假定一初始幾何和相應的預應力，由于為任意假定，通常情況下假定的內力不滿足節點平衡條件。通過迭代計算可求出結構各節點產生的位移分量，當各節點產生這些位移以后，體系就在新的幾何位位置上維持平衡，這樣就達到了所求的預應力態。此時結構幾何不再是給定幾何，結構預應力分布也不再是初始假定的預應力分布。
在形態分析方面，劉郁馨等人提出了多自應力模態下結構體系的迭代判別方法。羅堯治用奇異值分解法對索桿張力結構的幾何穩定性作了研究。曹喜等人在分析較拉桿系結構靜動力特性的基礎上，提出索穹頂結構可行預應力概念及幾何穩定性的簡便判別方法。袁行飛等人利用索穹頂結構特有的拓撲關系，進一步提出了整體可行預應力概念，并建立了相應的判定準則。
在索穹頂靜力分析方面，哈爾濱工業大學王大慶等人對levy體系索空頂結構進行了靜力性能分析，分析了環數、每環節點數、矢跨比等對靜力性能的影響，同濟大學唐建民等人對索穹頂結構的靜力性能進行了系統的分析，并提出了五點節曲線索單元，得到了索穹頂結構在不同初始預應力水平、矢跨比和撐桿高度下的桿件內力和節點位移變化規律。
在索穹頂施工成形分析方面，由于在成形的過程當中，桿件內力、節點的位移、結構的剛度一直在發生著變化，所以索穹頂的施工成形一直是國內外學者研究的熱點和難點，國外的文獻因專利涉密，所以資料很少，并且只是一些的簡單描述。
另外，施工過程中還伴隨著索桿的大變形和大轉角，存在剛體位移，剛度矩陣奇異，無法采用一般的非線性有限單元法進行計算。所以一般忽略桿系在各階段的移動和變位過程，只需關注在各階段施工完成后體系所處的平衡態，即此時各桿件內力和節點坐標。由此索穹頂結構的施工成形分析轉化為求解結構在各施工階段平衡態的問題，該問題屬于形態分析范疇。
目前其主要方法有：力密度法，非線性有限無法和動力松弛法等，到目前為止，索穹頂結構的施工方法可以分別為張拉環索、下斜索和脊索或調節壓桿長度。其中，浙江大學鄭君華等人研究了索穹頂結構的三種施工張拉方法：張拉最外圈斜索成形法、張拉最外圈脊索成形法及張拉最外圈環索成形法，并做了詳細的試驗研究。
昆明理工大學劉永清等人提出由內向外收緊環索的張拉施工方法；浙江大學董石麟、袁行飛等人提出了包括逐圈斜索張拉法、僅外圈斜索張拉法、逐圈豎桿頂壓法、僅外圈豎桿頂壓法、逐圈環索張拉法、僅外圈環索張拉法、逐圈斜索原長安裝法等七種預應力張拉施工方法；北京工業大學張建華、張毅剛等人提出一種分層頂升豎桿的成形方法，該方法輔助附加索，通過頂升豎桿分層剛化結構，有效避免了施工過程節點發生較大的剛體位移，結構容易成形，整個施工過程容易控制。
在新體系的提出與改良方面，國內不少學者創造性地提出了自己新的體系和改良后的張拉結構體系。其中，天津大學遠方等提出一種弦輻穹頂結構；北京工業大學張愛林等人提出一種V字型徑向索弦支網格穹頂，并已申請專利；同濟大學汪大綏等人提出了一種新的預應力空間結構體系一弦支骨架結構；高博青等人在肋環型索穹頂基礎上將上層的脊索用剛性桿件代替提出一種肋環型剛性索穹頂結構，并已申請專利；浙江大學董石麟等人采用將索穹頂和單層網索相結合的思路提出了一種由索穹頂與單層網索組合的空間結構；李升玉等人針對Geiger型索穹頂平面外剛度較弱和Levy型索穹頂結構存在脊索網格劃分嚴重不均等不足提出幾種混合型索穹頂結構形式；王昌洪等人提出矩形平面的肋環型和凱威特型索穹頂，并已申請專利；哈爾濱工業大學范峰等人通過改變Geiger索穹頂的掌桿傾斜角度提出一種傾斜撐桿式索穹頂；北京交通大學徐國彬等人采用將索穹頂結構在加載過程中發生卸載易松弛的某些索更換為勁性索的思路，提出一種勁-柔索張拉穹頂結構，并已應用于鞍山體育中心。
近些年，國內對于張拉結構這一新型結構形式進行了大量的研究和大膽的嘗試，一大批充滿現代科技感的張拉結構建筑相繼落成。其中主要包括預應力網索結構、張弦結構、弦支穹頂、索穹頂等等。這些結構形式都有各自的優缺點，主要表現在以下幾方面：
(1)預應力網索結構在支座處會產生較大的水平推力，需要有一個強大的支撐結構才能保證安全，這樣會使支座很笨重，且浪費材料。
(2)張弦結構雖然是一個自平衡體系，支座處沒有很大的水平推力，但是上弦的鋼梁或鋼桁架受壓彎作用，沒有充分發揮材料強度，且節點較多通透性差。
(3)弦支穹頂結構上層只局限于單層網索，它對荷載的非對稱布置很敏感，容易發生失穩。
(4)索穹頂結構雖然可以彌補上述幾種不足，但是它的定位施工過程較為復雜，在張拉索時，索撐節點存在摩擦力，使撐桿偏離平衡位置，側向不穩定。
針對現有張弦結構上述問題，研究者嘗試提出了一種勁性支撐穹頂，該結構基于索穹頂，將其下層的柔性環索和斜索用剛性的拉桿代替，柔性的拉索只能受拉不能受壓，而剛性的拉桿既可受拉也可以受壓，這樣相當于結構具有“上柔下剛”的特點。勁性支撐穹頂結構由上、下兩部分構成，上層為空間索網結構，包括徑向拉索和斜向拉索，下層是環向拉桿、豎向撐桿和斜拉桿組成的支撐結構體系，上下兩部分在周邊與最外環受壓剛性環梁連接形成應力回路；其中，上層結構各個桿件為柔性的拉索，而下層支承結構體系所有桿件為剛性拉桿，豎向撐桿為剛性構件承擔壓力。
