“世博轴”、FAST、国家大剧院……30年，浙大团队为人民盖好“大屋盖”

上海世博会的世博轴、杭州奥体中心的大莲花、中国天眼FAST的反射面背架……这些气势恢宏的地标性建筑与工程，无不让世人感叹！它们有一个共性特点，就是都属于大跨度、大空间、大面积为主要特征的现代空间结构。

现代空间结构由索、杆、梁、膜等单元组成，展现出形式多样、轻质高效、造型美观、工业化程度高的特性，已经成为一个国家建筑科技水平的重要标志。我国目前已经建成的1200座大型体育场馆、240座民用机场和530座高铁站房等几乎所有的大型公共建筑都离不开空间结构技术。

“经济发展呼唤技术，技术发展促进产业。”浙江大学建筑工程学院罗尧治教授团队，历经30年产学研联合攻关，通过结构体系创新驱动、理论和设计方法研究、大量模型试验验证和工程实践，研发了刚性、柔性与刚柔性系列空间结构新形式，建立了张力结构、网格结构与可展结构分析理论，研发了先进试验装备、制造工艺与施工工法，取得了系统性、引领性成果，广泛应用于机场、高铁、会展、能源等领域及国家科学工程，社会经济效益巨大，极大地推动了我国从空间结构大国向强国迈进。

在日前召开的国家科学技术奖励大会上，这项成果获得2020年度国家科技进步一等奖。

三十年，三代人

引领体系创新

要建造屋盖，大家首先想到的就是梁，我们平常造房子，一般都是用钢筋混凝土的梁来撑起整个屋盖。但在大型建筑中，随着跨度的增大，梁本身重量的增加幅度超过了承载力的增加幅度。这样一来，用钢筋混凝土的梁来撑起整个屋盖就比较“吃力”了。

怎么样才能够既减轻梁的重量又能保持足够的承载力？人们想到的办法是将梁镂空或是改变其材料，减轻其自重。这就是桁架，可以用在跨度几十米的工程项目中。但是当跨度在百米以上时，就需要用到网架网壳、张弦和弦支、索桁和索穹顶等空间结构了。

结构好比是大建筑物的骨架，建筑最终能不能“立”得起来，骨架很重要。然而，原有的结构体系不能适应大跨度、超大跨度建筑要求，超高、超大、超长结构的建造难题一直困扰着空间结构行业的发展。

上个世纪90年代初，深圳要新建机场，浙江大学团队负责这一当时国内首个使用空间网格结构的航站楼的屋盖结构设计。深圳国际机场T1航站楼有4000平方米，这么大的空间，中间只有少量柱子支撑，能不能安全使用？每个人都有一个问号。接到这一任务后，罗尧治跑得最多的就是深圳，不仅要与建设方反复沟通，做成什么样子，用什么样的结构，在建设过程中还要时时关注加工和施工效果是否与设计一致。

像这样的跑工地，对罗尧治来说并不陌生。上个世纪八十年代末，从他跟随董石麟院士做本科毕业论文开始，跑建筑工地就已经成为了家常便饭。“本领不是天生长出来的，很多都是靠前辈的传承。董老师是国内第一代做空间结构的，跟着董老师学习，我很快有机会接触到大工程。”

在实际的设计工作中，团队碰到的一个最大的难题就是在有限的时间内需要完成大量的计算工作。“没有数据可以借鉴，必须靠我们自己，但这样大体量的工程，人工手算是难以想象的。”为此罗尧治当起了“程序员”，通宵达旦地写代码，最终研发出了一套空间结构设计软件（MST），顺利完成了项目的计算工作。后来，随着建筑物体量不断增大，设计的结构越来越复杂，上万个构件粗细不同、长短不一，而且每一个节点的方位、角度都不尽相同，MST软件不断地迭代更新，只要输入一串参数，就能自动建模，形成结构样式。“在过去，一个1000平方米的小工程，需要专门雇人画图纸，没有一两个星期做不出来，而现在用了软件，只需要几个小时，便能立等可取。”

直到现在，这套“30多岁”的软件仍然是应用最广的空间结构专业软件，这在日新月异的软件领域非常难得。一位业内人士评价，这个软件非常专业和面向工程实际，不仅解放了劳动力，而且更可靠安全。

计算的真正目的在于服务工程需求。

过去我国的很多煤场都是露天堆放，风一刮，粉尘漫天，环境污染严重。能否做一个大盖子，把煤场“盖”在下面？要想盖住整个煤场，大盖子面积太大，如何确保在风、雪、地震等复杂环境中，这个大盖子安全可靠，团队系统化地开展了三心圆柱面网壳结构的优化设计研究，对结构体系进行了创新。

团队还科学地提出了基于基本组成单元的空间结构分类方法，研发了刚性、柔性、刚柔性系列空间结构新形式，多种新型结构形式首次应用在北京北站、济南奥体、深圳北站等大型建筑，填补了多项国内外空白。

中国空间结构行业自上世纪90年代以来的快速发展，浙江大学的研究团队起到了重要的作用。与此同时，团队培养了一批以80后为骨干的第三代空间结构人。“浙江大学的空间结构团队经过三十年，三代人的努力，为我国空间结构技术的发展做出了重要贡献。”团队的奠基人董石麟院士如是说。

从跟跑，到并跑

形成系统的分析理论和创新的设计方法

进入新世纪，随着中国经济的腾飞，中国建筑行业也迎来了大发展，各类会展、机场、高铁项目如雨后春笋般在全国各地不断涌现，也呼唤着空间结构技术的进一步提升。“空间结构的发展镌刻着深深的时代烙印。”罗尧治说。

位于浙江绍兴的曹娥江大闸，是我国强涌潮河口地区第一大闸，也是浙东水资源配置重要枢纽工程。涌潮的拍击和大量的淤泥堆积是这一河段的特色。

2007年兴修曹娥江大闸，按照传统的方案是做成梁板结构的平面受力体系，罗尧治团队却创新性地把空间结构体系“移植”过来，设计成了仿鱼的双拱形空间桁架结构闸门，仅在闸门的用钢量上就节省了1600万元，而且由于整体重量的降低，机电设备又省了一大笔成本，同时还解决了涌潮造成的结构疲劳和泥沙淤积问题。这个首创项目获得了省科技进步一等奖。

空间结构体系的创新离不开新型节点形式，新的节点形式是否有足够的承载力，相应的加工工艺与构造是否满足设计的要求，一般要做足尺试验来验证。过去是“一把钥匙开一把锁”，根据不同工程项目的不同节点形式定制不同的加载反力装置，而做完试验后，相应的反力装置也就报废了。为此团队首创了球形全方位加载装置，解决了多点多向精准加载问题。就像一个“通用模板”，它可以满足空间全方位、十个加载点的试验需求，同时一体化集成了机电和数据采集设备，不同形式的空间结构节点只要采用同一装备就能完成试验。这套全世界独一无二的试验装备，可以降低试验成本50%以上，提高效率4倍以上。

始建于1905年的北京北站，是中国自主设计建造的第一条干线铁路——京张铁路起点站。2007年，北京北站新站房正式开建，罗尧治带领团队负责该站房跨度108米、长680米的新型张弦桁架雨篷结构的设计。当时施工方面临的一个难题是，不能影响铁路运行，站台上方不允许有施工作业面。因此，只能在站台的尽头搭设施工胎架，结构分批在胎架上组装完成后高空滑移到站台上方再“粘”起来，但这样会不会影响工程质量，施工方心里没底。“这就需要马上拿出最快、最省工序的技术方案，因为施工赶时间，拖不起。”了解情况后，罗尧治带领团队多次去施工现场，反复演算，终于顺利完成了施工方案的制定，确保了工程顺利进行。

“北京北站现在还保留着詹天佑时期的小站台雨篷，现代与历史在这里交相辉映，也让我们为中国科技自立自强而感到骄傲。”

正是在这个十年间，团队开始在自主创新中谋求突破，在工程实践中创建了索杆张力结构形态协同设计、网格结构精细化分析、可动结构分析等理论方法，创新发展了现代空间结构基础理论和设计方法。

“世博轴”、首都国际机场T3航站楼、国家大剧院……在团队的共同努力下，空间结构工程中的一个个核心难题得以解决。与此同时，团队主编了我国第一部空间网架结构技术标准，创办了我国本领域唯一的科技期刊《空间结构》。

中国造，造世界

推动建造技术发展

最近的十年，中国空间结构科技开始领跑世界，很多其他国家的大项目用的都是中国方案，这其中，不少就是出自项目团队的手笔。

迪拜“City of Arabia”是世界上最大的室内主题公园。这个项目在方案论证阶段，也有重重考验。罗尧治回忆，他和另一家国际咨询公司一同检测结构计算分析数据。两台电脑并排放在桌上，同时跑数据，业主方就在旁边盯着看，整个房间的空气仿佛都让人透不过气来。中途有组数据对不上，双方同时再验算，罗尧治率先算出了结果。一开始还有点半信半疑的业主方，脸色由阴转晴，露出了笑容。

“刚开始，让对方认可是一个很痛苦的过程，但是现在越来越多的中国工程、中国标准走到了国外。”罗尧治说，目前团队应用工程遍布全球31个国家和地区，累计项目逾千个。

杭州亚运会网球馆旋转开合屋盖这样的结构功能，以及自由曲面的构型，在浙江大学的实验室早几年就已经开展过研究，后来被广泛应用于各项工程。比如，杭州奥体中心的“大莲花”是曲面形，又弯又扭，怎么设计加工呢？团队研发了复杂异形构件的高精度加工制作技术，形成了高精度、高效率成套加工工艺。“高校的核心工作是解决技术的理论问题和方法问题。越到后来，越是一个产学研联合的结果。”

在国家重大科技基础设施FAST项目中，团队承担了反射面背架结构加工与拼装核心任务，通过产学研攻关，解决了20万球节点、55万根杆件、4450片单元精密制造难题，实现了空间网格结构高精度的“中国制造”。

浙江东南网架公司是FAST反射面背架的加工与拼装施工单位，在国内大量的空间结构中都有他们的身影，已是行业翘楚。谁能想到，在很多年以前，这家企业是以农机配件为主的乡镇企业。依托浙大科技创新，他们不断积累人才，积累技术，承担了大量空间结构的重大项目。“最开始我们的技术还很落后，分析设计、加工制作和施工安装能力都不足，但浙大空间结构团队不怕苦不怕累，跟我们协同攻关，帮我们培训和培养技术人员，带着我们做项目。这样我们的企业一步步发展起来了。”浙江东南网架股份有限公司常务副总经理、总工程师周观根说。

在扶持企业的同时，团队培养的600多位空间结构高层次人才，像蒲公英一样，带着从团队学到的本领“飞”到各地，让这套技术在很多地方落地生根。这样算来，带有团队基因的空间结构工程可以说是遍布中国了。

时势造英雄，英雄造时势。42项国家科研项目、32项“第一”或“最大”的工程应用、省部级科技奖励5项和行业特等奖1项……一个团队三十年的辛勤耕耘，带动了一个行业的发展与进步。

“三十多年来，一直耕耘并热爱着空间结构事业，我始终的理念是立志成为行业科技创新进步的引领者和推动者。”罗尧治说，团队很幸运地与行业一同经历了从小到大、从大到强，从跟踪借鉴到自主创新的过程，“未来我们也将继续与时代、与国家需求同频共振，为空间结构的再发展贡献我们的力量。”

文字作者：柯溢能｜吴雅兰摄影记者：卢绍庆
今日编辑：浙江大学融媒体中心学生记者团 李俊元
责任编辑：周亦颖

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