学术前沿 | 走访浙江大学空间结构研究中心

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浙江大学空间结构研究中心是国内成立最早的空间结构研究机构之一，拥有一支以院士为核心的科研团队研究中心长期从事空间结构科学研究、技术开发和工程服务工作，培养了一大批空间结构教学、科研和工程技术人才目前在读硕士和博士研究生人数80余名。

研究中心是专业学术期刊《空间结构》的创办单位，是“先进结构设计与建造技术国家地方联合工程研究中心”与“浙江省空间结构重点实验室”的依托单位近年来，研究中心先后承担了国家863计划项目、国家科技攻关及支撑计划项目、国家自然科学杰出青年基金、国家自然科学基金重点项目、总装备部预研项目等国家、省部级科研项目50余项。

研究中心紧密结合国家工程建设需求，针对以奥运会工程、世博会工程、全运会工程、航空与高铁站房为代表的大型空间结构的设计、建造与运营中的关键技术问题展开攻关，解决了包括国家大剧院、国家游泳中心、国家体育场、国家速滑馆、柬埔寨体育场、首都国际机场T3航站楼、上海世博轴、上海世博会英国馆、济南奥体中心体育馆、北京火车北站、深圳新北站、天津新西客站、重庆国际博览中心、厦门西客站、杭州火车东站、杭州奥体中心在内的数百项大型复杂工程的关键技术难题，取得了显著的社会经济效益。

科研成果获国家科技进步一、二、三等奖、省部级科技进步一、二等奖、北京市奥运工程科技创新特别奖、浙江省科学技术重大贡献奖、詹天佑土木工程大奖等重大科技奖励20项研究中心开发了空间网格结构分析设计软件MSTCAD、自由曲面网格划分软件ZD-MESHER、空间结构监测软件HMST以及空间结构复杂行为分析软件FPM。

主持、参与编制国家和行业技术规范、规程10余部30余年来，空间结构研究中心团队在董石麟院士的带领下，在空间结构新体系、空间结构的受力性能、空间结构的分析设计方法、空间结构的性能监测和评价、空间结构的试验技术、空间结构的施工技术等方面开展了大量的创新性工作。

不断推动浙江大学空间结构学科发展，促进产学研融合。

➤➤研究团队2019年5月24日上午，《建筑结构学报》编辑部一行5人走访了浙江大学空间结构研究中心编辑部一行首先在赵阳教授和邓华教授的带领下，参观了浙江大学建筑工程学院院史馆，对浙大建工学院的发展历程和所取得的辉煌成绩有了全面了解。

➤➤参观院史馆

➤➤交流现场在随后的交流活动中，董院士代表团队对编辑部的到访表示热烈欢迎和衷心感谢在交流会期间，罗尧治院长代表空间结构研究中心介绍了近年来的主要科研工作，具体如下：一空间结构体系创新1 董石麟空间结构体系分类方法。

当前空间结构的发展方兴未艾，新的空间结构形式不断涌现传统的空间结构分类方法有时难以适应新的发展要求鉴于此，提出了一种以空间结构组成的基本单元进行分类的新的空间结构分类方法将组成空间结构的基本单元归纳为板壳单元、梁单元、杆单元、索单元和膜单元等五种。

根据国内外已建的空间结构工程,总结了38种具体的空间结构形式,它们均可由某一种单元或某两种、三种单元构成

2 适用于装配化的六杆四面体空间网格结构提出了由六杆四面体构成的球面网壳、柱面网壳、扭网壳、双曲面网壳等多种不同曲面形式的网壳结构，完成了构形、静力、稳定性分析与模型试验研究；提出了多种适合装配化施工的六杆四面体网壳节点形式，对多个实体模型完成了装配化施工验证。

3 索杆张力结构新体系持续开展轻型索杆张力结构新体系的研究，研发了Kiewitt型索穹顶、鸟巢型索穹顶、混合型索穹顶、非单层膜面索穹顶、带张拉整体环的自平衡索穹顶结构、环形平面葵花型空间索桁结构、月牙形索桁结构、弦支柱面网壳结构等新结构体系，并建立了相应的结构预应力优化、缺陷敏感性和可靠度分析理论。

针对已有索穹顶结构形式造型单一、稳定性较差的缺点，近年来突破Fuller构想“拉索的海洋与压杆的孤岛”传统意义上的张拉整体结构理念，相继提出了肋环序列、葵花序列与蜂窝序列多撑杆型索穹顶新体系，并对结构受力性能的合理性进行了分析验证。

上述体系创新符合大跨度、高性能、轻质化和装配式结构的市场需求，丰富了大跨度索穹顶结构的设计选型

4 宇航空间结构体系创新及技术开发结合国家航天技术的发展需求，研究中心不断加强空间可展结构的技术攻关研发了可展遮光罩、充气球形天线和双圈环形桁架式可展开天线等新型可展结构提出了旋转展开结构、可展开空靶结构和折板筒体式双向可展开天线的设计方案。

在小卫星可展有效载荷平台上实现了微型轻质展开机构的技术突破该技术应用于由浙大自主研制、并于2015年9月发射升空的两颗皮星二号卫星

5 纤维增强复合材料（FRP）空间结构开展轻质高强纤维增强复合材料（FRP）应用于空间结构的探索性研究。解决了考虑构件抗弯刚度和剪式铰节点自由度耦合的FRP弯曲成形网壳结构找形问题。

6 鱼腹形双拱空间结构体系基于仿生学原理，发明了鱼腹形双拱空间结构体系，应用于中国第一河口大闸-曹娥江大闸，革新了传统平面闸门的受力形式，获浙江省科技进步一等奖，大禹水利科技特等奖以及詹天佑土木工程奖

二空间结构的基础理论与分析设计方法1 自由曲面网格划分理论和技术为适用自由曲面建筑造型的需求，近年来对自由曲面网格结构的划分技术开展了系统性研究，提出了引导线波前法、自定义单元法、弹簧质点法、气泡吸附和Delaunay法、映射技术和拟桁架法、映射技术和双向等分法、均匀布点与细分网格法、离散化复杂自由曲面网格划分法、四边形网格平面化划分方法等多种网格划分理论，建立了网格质量的综合评价体系，实现自由曲面网格划分的可控可调目标，并在实际工程中得到应用。

杭州奥体中心体育游泳馆屋盖模型网格划分

十组单曲面组成的复杂曲面网格划分2 张拉整体结构形态设计与控制张拉整体结构是连续受拉单元和离散受压单元组成的预应力自平衡体系，具有轻质、高效和可控的优点针对张拉整体结构构型设计、形态控制和失效机理三方面关键问题，开展了以下研究工作：。

（1）建立了基于混合整数优化的张拉整体结构形态设计理论，提出了初始态设计、荷载态设计和协同设计方法，为张拉整体结构的工程应用提供通用造型工具，发明/发现了多种新型张拉整体结构体系与基本单位（2）发展了张拉整体结构形态非线性最优控制理论，建立了考虑路径碰撞的复杂形态控制过程的路径规划模型与求解策略。

将当前的线性控制理论首次扩展到非线性，实现复杂路径可控，提高张拉控制的精度进一步解决了形态与运动协同控制问题，为实现可动张拉整体结构奠定了基础（3）发展了张拉整体结构的失效分析理论，为张拉整体结构压杆屈曲与断索破坏分析提供了有效手段。

研究结果揭示了压杆屈曲前后的非线性应力强化和应力软化现象，发现了平行机构位移方向和垂直机构位移方向不同的粘弹特性

3 金属薄壳结构的稳定、抗风、抗爆性能及设计方法建立了基于激光测距仪的壳体结构初始缺陷测量系统和不均匀沉降试验装置；通过模型试验和数值模拟，系统研究了散料荷载下柱支承钢筒仓、偏心装卸料及风荷载作用下落地钢筒仓、不均匀沉降下钢储罐结构的稳定性能、破坏机理与设计方法；提出蜂窝型钢筒仓新形式，研究其稳定性能并提出稳定设计方法。

对高径比0.22~0.32的四类低矮型圆柱壳进行单罐及考虑群体干扰效应的风洞试验；通过对风荷载作用下静动力屈曲性能的系统分析，揭示大型钢储罐考虑干扰效应的风致屈曲机理；获得不同液位高度下的储罐内壁面风压分布规律及抗风稳定承载力，给出了台风天气下的储罐液位建议高度，为实际储罐安全运行提供科学依据。

建立了基于向量式有限元的薄壳结构非线性动力分析基本理论，包括薄壳单元、材料本构、破裂破碎的理论公式与有效算法；开发了薄壳结构非线性动力分析程序，为金属薄壳结构的动力破坏全过程分析提供了一种新的有效方法；分析

爆炸荷载下钢储罐结构的动力响应及破坏机理；通过落锤试验和数值模拟揭示圆柱壳在侧向撞击下的动态响应与失效机理。

4 强震下大跨屋盖结构体系的破坏模式和性能化设计方法研究系统研究了平板网架、双层球面网壳、双层柱面网壳、张弦梁、弦支穹顶等常用大跨屋盖结构形式的弹塑性地震响应特点和破坏模式，发展与结构形式相适应的性能化抗震设计方法。

揭示了构件截面仅进行小震弹性验算的大跨柱面网壳结构存在薄弱区域，在中大震作用下易形成多道纵向屈曲带并存在倒塌风险，提出了相应的控制模态力设计方法研究多点地震输入下大跨度空间结构的抗震性能及其设计方法

强震下双层柱面网壳的破坏模式5 柔性索结构的张拉控制和刚度监测理论和技术针对预张力对各类制作安装误差敏感的问题，建立了柔性索结构随机预张力偏差分析及敏感性评价理论鉴于不同张拉方案对结构预张力偏差的控制效果存在差异，提出了一套面向索结构施工的主动张拉索优选方法。

为克服目前直接索力测量技术的不足，发展基于动力模态测试的柔性索结构关键刚度的监测理论，提出了目标模态确定、密集模态增强识别和基于模态特征的结构刚度修正等系列方法以上理论方法已先后应用于乐清市体育中心体育场、北京国家速滑馆、柬埔寨国家体育场等大型柔性索结构工程。

6 结构机构学发展具有几何可变特性结构系统的计算分析理论提出了预应力机构几何软化、结构松弛、动态设计、广义稳定性等问题的分析方法建立了面向高自由度杆系机构的刚体运动和弹性变形耦合分析的理论方法，将杆系机构的稳定理论与传统结构稳定理论进行了统一。

建立了松弛索杆系统大位移运动形态分析的理论方法，解决了索穹顶、环形/月牙形索桁、索网等柔性索结构的施工成形分析问题针对采用“机构施工法”的大跨度空间结构（如攀达穹顶），解决了结构成形过程的运动路径跟踪、机构划分策略、驱动构件（顶升杆）优化布置、成形路径规划等关键技术问题。

相关研究成果应用于浙江大学紫金港体育馆、乐清市体育中心体育场、柬埔寨体育场等实际工程。

攀达穹顶提升过程的路径规划

索穹顶张拉成型过程模拟 7 有限质点法理论体系及程序实现基于向量式力学思想，提出并建立了有限质点法基本理论体系开发基于有限质点法的杆、梁、膜、壳、实体等单元，提出了从宏观模型到精细化模型的建模方法，研发了基于GPU并行与GPU+MPI的加速计算技术，形成了有限质点法的通用计算软件平台，实现了膜的褶皱、撕裂、管桁架的破坏断裂、机构运动及间隙等空间结构复杂行为的模拟。

8 深地壳体结构的流固耦合分析方法针对江门中微子实验地下700m探测器网格球壳+有机玻璃壳+液体的独特结构，开展了专项分析研究提出了反演+正演的结构基底地震动获取方法，建立了流固耦合的数值分析模型和计算方法。

参数化分析了液面高度对结构响应的影响，精细化分析了金属网格球壳与有机玻璃壳联系撑杆节点的受力性能，提出了设计优化与施工优化建议

三空间结构试验与监测技术1 大型空间钢结构创新体系试验技术研制了国内外首创的空间钢结构节点球形全方位自动加载装置与立方体多维加载装置，实现全方位及多维自平衡、自动对中加载、自动数据采集和机电一体化控制等功能，为研究复杂多向荷载下关键节点的应力分布、材料特性、承载能力、破坏特征提供了有效手段。

成果应用于国家游泳中心“水立方”、世博轴阳光谷、杭州东站和绍兴体育中心等重大工程复杂节点力学性能研究创建了空间钢结构大尺度整体模型试验平台与成套技术研制了空间钢结构整体模型的“变边界、变约束”多功能试验台座、多点同步加载系统、柱壳边界条件模拟装置、连续索张拉模拟装置等先进专用装备，实现了空间钢结构各类创新体系的“大结构、大尺度”整体模型试验，形成了张力空间钢结构和刚性空间钢结构的模型等效设计方法、张拉成形控制、损伤断裂模拟等技术体系，取得了索桁、张弦、开闭、网格等结构体系创新和施工新工艺的若干关键技术及性能指标，为国家速滑馆、重庆国际博览中心、绍兴体育中心开合屋盖等重大工程的设计与施工提供了技术保障。

2 空间钢结构无线传感监测成套技术研发了智能组网、时间同步的空间钢结构无线传感监测技术及产品，解决了空间钢结构监测参数多、面域广、成本高等技术难点，实现了无线传感技术在我国大型空间钢结构工程中的规模化应用。

研发了模块化、低功耗的空间钢结构静动态特征无线传感技术，发明了基于爬壁机器人的移动式传感安置技术，自主研制了应变、温度、加速度、位移、风速、风压等6类无线传感产品，开创了差压式风压、振弦式应变、振弦式液位位移等无线传感微功耗模块化设计，研发了无线传感数据压缩存储技术，为空间钢结构内力、变形、振动等特征参数的全面感知创造了先进的技术手段。

研发了适用于大空间、大面域、大规模测点布设的树形智能无线组网技术，提出了基于荷载敏感性与自身结构敏感性的传感器布置优化方法，定制了兼融6种以上异构参数的数据通讯协议，实现了组网区域的自由拓展与动态调整，解决了空间钢结构大面域、多测点优化布置、动态组网及长期监测的技术难题。

成果应用于国家体育场、杭州火车东站、杭州奥体中心、重庆江北国际机场等30余项大型工程健康监测。

3 空间钢结构施工及运营物联网监控与预警平台研发了基于云计算的空间钢结构健康监测信息管理系统，实现了监测数据的云端存储、管理、处理与可视化利用；建立了结构与传感系统的身份标识体系，集成了感知层、网络层和应用层的软硬件管理与控制，构建了国内首个空间钢结构物联网监控与预警平台，实现了多用户、多终端的实时信息共享与预警发布；开发了空间钢结构无线传感监测软件系统HMST，提出了海量实测数据评估、修复、挖掘的分析模型，揭示了空间钢结构风场、温度场的分布规律与作用机理；建立了空间钢结构健康状态综合评价理论及结构“健康度”指标体系，提出了多层次模糊综合预警机制，奠定了空间钢结构性能评估与安全预警的理论基础。

最后，编辑部和研究团队共同对当前结构领域研究的新动向以及《建筑结构学报》的办刊方向进行了深入的讨论作为《建筑结构学报》的资深编委，董院士始终对学报的成长与发展给予高度关注，除奉献高水平的论文外，还对提高期刊质量提出了中肯的意见和建议。

认为学报在重点报道结构工程基础研究的同时，也要注重报道与工程密切相关的研究，适当增加试设计类论文的刊载同时，希望《建筑结构学报》能够不忘初心、坚持学术至上，对今后我国结构工程学术界与工程界的发展起到积极的导向作用。

本次学术交流的圆满完成，得到了浙江大学董石麟院士及其研究团队的大力支持和周到安排，在此《建筑结构学报》编辑部全体工作人员深表谢意！

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