空间网格结构是在 20 世纪中叶特别是近 30 多年来蓬勃发展起来的新结构，它是由多根杆件按照某种有规律的几何图形通过节点连接起来的空间结构。空间网格结构与平面桁架、刚架不同之处在于连接构造是空间的，可以充分发挥空间三维捷径传力的优越性，特别适宜于覆盖大跨度建筑。
这种空间网格结构通常可分为双层的（也可多层的）平板形网格结构（简称网架结构或网架），单层和双层的曲面形网格结构（简称网壳），如图 2.1.1 所示。也就是说，网格结构是网架与网壳的总称。
图2.1.1 网格结构——网架与网壳
绝大部分网架结构是采用钢管或型钢材料制作而成，只有个别网架结构是采用钢筋混凝土、木材、竹材或塑料杆件制作的。
网架结构的优点和特点，大致可归纳如下：
1.空间工作，传力途径简捷，是一种较好的大跨度、大柱网屋盖结构。
2.重量轻，经济指标好。与同等跨度的平面钢屋架相比，当跨度在 30m以下时，可节省用钢量 5 %～10 %；当跨度在 30m以上时，可节省 10 %～20 %。跨度越大，节省的用钢量也越多。
3.刚度大，抗震性能好。1976 年唐山大地震后，京津地区的大中跨度网架，如首都体育馆、天津二七俱乐部、北京国际俱乐部等网架屋盖，经检查都未发现任何损坏。唐山重建时，以及其他地区震后重建时，为数不少的公用和工业建筑的屋盖都采用了网架结构。
4.施工安装简便。网架杆件和节点比较单一，尺寸不大，储存、装卸、运输、拼装都比较方便。非熟练工人也可进行网架拼装工作，网架安装可不需要大型起重设备。我国各地创造性地采用小型的机具设备，如千斤顶、升板机、卷扬机等，安装了不少大型大跨度网架屋盖。
5.网架杆件和节点便于定型化、商品化，可在工厂中成批生产，有利于提高生产效率。我国多家单位先后已成批生产空心焊接球节点及螺栓球节点网架结构，规格俱全，接受用户订货，加工制作。
6.网架的平面布置灵活，屋盖平整，有利于吊顶、安装管道和设备。网架的建筑造型轻巧、美观、大方，便于建筑处理和装饰，为广大建筑设计人员所乐于选用。
这种空间工作的网架结构，近三四十年来在世界各主要国家都获得了迅速的发展和广泛的应用。发展迅速的原因除了上面提到的网架结构本身具有的优点和特点外，还有下面三个因素：①社会发展和工程建设的需要，特别是大、中跨度体育、文化、展览建筑兴建的需要，促进了网架结构应用和发展，如我国各省、市、自治区一级的大型体育场馆建设，70 %以上都采用了网架结构或网壳结构；②杆件和节点的标准化、工厂化生产，使网架结构的制作安装走现场装配和半装配的道路，提高了制作精度，加快了施工进度，降低了工程造价；③电子计算技术在网架设计中的应用，使得这种高次超静定的空间结构可以比较精确地进行分析计算，或编制出计算用表以供设计应用。这不仅解决了过去无法进行的结构分析问题，而且还缩短了工程的设计周期。
我国自 1964 年建成第一幢平板形网架结构——上海师范学院球类房屋盖以来，据不完全的统计，至 2001 年底，全国已建成各种大、中、小跨度网架、网壳结构约 13500 幢，覆盖建筑面积近 2000 万m2，这在世界上列为首位。其中 12 %为网壳结构，约 1600 幢；2001 年的年增长幅度约 1500 幢，280 万m2。网架结构广泛用于体育场馆、俱乐部、食堂、影剧院、候车厅、飞机库、工业车间和仓库等建筑中。如 1966 年建成的首都体育馆，平面尺寸为 99m × 112.2m ，长期是我国矩形平面跨度最大的网架结构。2000 年建成的沈阳博览中心（室内足球场），平面尺寸 144m × 204m ，成为我国跨度最大、单体覆盖建筑面积最大的网架结构。又如 1975 年建成的上海体育馆比赛馆，直径 110m ，挑檐 7.5m ，是当前我国圆形平面跨度最大的网架结构。1996 年建成的首都四机位机库，平面尺寸90m × （153 + 153）m ，采用了三层网架，开口边和中轴线处则选用四层构造的立体桁架，成为目前国内及亚洲最大的机库网架。再如援外工程中 1980 年建成的巴基斯坦伊斯兰堡体育馆，平面尺寸 93.6m见方，四柱支承，采用顶升法施工，顶升时包括自重、屋面、吊顶等总重量共计 1050t ，是我国整体顶升、总重量最大的网架结构之一。由瑞士赫尔佐格—德梅隆建筑事务所与中国建筑设计研究院联合体提出的鸟巢形国家体育场是 2008 年北京奥运会的中标方案，其屋盖主体结构实际上是两向不规则斜交的平面桁架系组成的约为 340m × 290m椭圆平面网架结构。网架外形呈微弯形双曲抛物面，周边支承在不等高的 24 根立体桁架柱上，每榀桁架与约为 140m × 70m长椭圆内环相切或接近相切，如图 2.1.2 所示，不妨可称其为鸟巢形网架。这是当前在设计、施工的世界上最大跨度的网架结构。我国在多跨大柱距的工业厂房和车间中，自 20 世纪 80 年代初开始就采用网架结构，其建筑覆盖面积至今已有约 500 万m2，是国际上在工业厂房中采用网架最多的国家。如 1984 年建成的北京燕山石化公司东风化工厂地毯车间，柱网为 18m× 18m ，覆盖建筑面积近 4 万m2。云南玉溪烟厂成片的工业厂房网架达 12 万m2。上海江南造船厂一车间跨度 60m ，采用三层网架，是目前工业厂房中跨度最大的网架。
图2.1.2 国家体育场鸟巢形网架平面图
当前，除大中城市的大、中跨度建筑中较多地采用网架结构外，一个明显特点是，中小城市，边远地区，甚至一些县城、乡镇，在中、小跨度的公共民用建筑和工业建筑中，也都在采用网架结构。与此同时，在多层和高层建筑中，也已建成了一批网架楼盖结构。可以这样说，现在全国每个省、市、自治区和大部分地市、地区都能自行设计、施工网架结构，技术水平普遍得到了提高；专门生产网架杆件和节点的厂家或公司已发展到近 100 家，生产任务相当饱满，还承担和出口了一批国外网架工程。
国外网架结构的应用以西欧、北美、日本诸国最多。这些国家的一个共同特点是，普遍选用各自的标准单元、定型节点，按各种规格在工厂大量成批生产，并将产品储存堆放在公司专门的仓库中，以备用户大批订货采用。国外网架结构节点体系主要有：英国的诺达斯（NODUS）体系、空间板（SPACE DECK ）体系，法国的平屋顶（UNIBAT ）体系、斯费罗巴特（SPHEROBAT ）体系，德国的米罗（MERO ）体系、克鲁普蒙泰（KRUPPMONTAL）体系，加拿大的三级型（TRIODETIC）体系，日本的DAIMOND、NS体系，澳大利亚的Harley体系和俄国的嵌楔式（NΦN）体系等。当前，世界上最大的网架结构是巴西圣保罗展览中心的屋盖结构，平面尺寸 260m见方，为正方四角锥铝管网架，共有杆件 41800 根，25 个支承点，采用地面总拼、提升到 14m设计标高就位的施工方法。最大的单跨四柱支承网架结构为 1978 年建成的瑞士苏黎世克洛滕机场喷气机库的屋盖结构，它是一座三层的平板形网架，平面尺寸为 125m × 128m ，采用 4 台液压千斤顶顶升至标高 24m就位，顶升时的网架重为 3600t ，当顶到 2.5m标高后，安装天花板及3 台 10t吊车，此时总重量共达 5300 吨。覆盖建筑面积最大的双向多跨大距柱网架是德国杜塞尔多夫展览大厅屋盖，由 114 个单元网架组成，每个单元的平面尺寸为 30m × 30m ，建筑面积共为102600m2，最近又扩建了 50000 多m2，总建筑面积达156000m2。英国伯明翰国立展览中心屋盖，采用 93 个单元为 30m × 30m网架，覆盖建筑面积也相当可观，为 83700m2。
网架结构的种类甚多，且不断有所发展创新。当前，经常遇见的主要有 15 种网架，根据其组成又可划分为四大类，下面分别阐述。
1.第一类是由平面桁架系组成的网架结构，它是由平面桁架发展和演变过来的。可以认为组成这类网架结构的基本单元是网片，它由 1 根上弦杆、1 根下弦杆、1 根斜杆及 2 根竖杆构成，如图 2.1.3-1 所示。相邻的网片是通过公共的竖杆连接起来的，许多网片的集合便构成整个网架。由于平面桁架系的数量和设置方位不同，这类网架又可分成四种：
（1）两向正交正放网架。这是由两组平面桁架系组成的网架，桁架系在平面上的投影轴线互成 90°交角，且与边界平行或垂直，所形成的网格可以是矩形的，也可以是正方形的［图 2.1.3-1 （a）］。（注：图中粗实线表示上弦，细实线表示下弦，虚线表示斜杆，以下均同。）
（2）两向正交斜放网架。它可由两向正交正放网架在水平面上旋转 45°而得，因而桁架系与边界成 45°交角［图 2.1.3-1 （b）］。
（3）两向斜交斜放网架。这是两组平面桁架系在水平面上投影轴线的交角不等于 90°的网架，网格是菱形的，菱形的内角一般在 60°～120°范围内。这种网架适宜于边界柱距在两个方向不等时采用［图 2.1.3-1 （c）］。
（4）三向网架。这是由三组平面桁架系组成的网架，桁架系在水平面上的投影轴线通常互成 60°交角，所形成的网格是三角形的。三向网架交于上、下弦节点的杆件数通常有10 根，即 6 根弦杆、3 根斜杆及 1 根竖杆。相对来说，这是杆件数和节点数最多的一种网架结构［图 2.1.3-1 （d）］。
图2.1.3-1 平面桁架系组成的网架
2.第二类是由四角锥体组成的网架结构，它的基本单元是由 4 根弦杆、4 根斜杆构成的正四角锥体，即五面体，锥体可以顺置也可以倒置［图 2.1.3-2 （g）］。由这些四角锥体排列组成网架时，还要用上弦杆或下弦杆把相邻的锥顶连接起来。根据锥体的组合方式和连接锥顶弦杆的方向不同，这类四角锥体组成的网架又可分为六种：
图2.1.3-2 四角锥体组成的网架
（1）正放四角锥网架。组成这种网架的四角锥底边是与边界平行或垂直的，角锥满铺于整个网架平面。网架的上（下）弦节点即是顺（倒）置角锥的顶点，亦可看成是倒（顺）置角锥底边的角点，从而使同方向的上、下弦杆的平面投影正好形成两组平行线，互差半个网格间距。所形成的上、下弦网格通常都是正方形的［图 2.1.3-2 （a）］，当两个方向的弦杆长度不等时，也可形成矩形网格。
（2）正放抽空四角锥网架。它可由正放四角锥网架跳格式地抽去锥体的四根斜杆和相应的四根下弦杆而成。从总体来说，它的下弦杆和斜杆数分别是正放四角锥网架的1/2 和 3/4 ，这可节约网架材料用量。上弦杆无任何变化，不抽空，便于铺设屋面。这种正放抽空四角锥网架，亦可看做两向正交正放的立体桁架系组成的网架［图 2.1.3-2（b）］。
（4）棋盘形四角锥网架。它可由斜放四角锥网架在水平面上旋转 45°而得，因而上弦杆与边界平行或垂直［图 2.1.3-2 （d）］。
（6）单向折线形网架。又称折板型网架，它可由正放四角锥网架通长地删去某一方向的上弦杆和下弦杆而成（为增加网架的刚度和满足几何不变性的要求，靠周边一圈网格范围内该方向的上、下弦杆尚应保留），详见图 2.1.3-2 （f）。这种网架又可看做为一组向左下方倾斜、另一组向右下方倾斜，而上、下弦杆为公共的平面桁架系所构成。从这个意义上来说，单向折线形网架也可归属为由平面桁架系组成的网架。
3.第三类是由三角锥体组成的网架结构，它的基本单元是由 3 根弦杆、3 根斜杆所构成的正三角锥体，即四面体。三角锥体可以顺置，也可以倒置［图 2.1.3-3 （e）］。根据三角锥体的组合方式和连接锥顶弦杆的方法不同，这类三角锥体组成的网架又可分为四种：
（1）三角锥网架。由顺置的错格排列的三角锥体与三向互成 60°的上弦杆系连接而成［图 2.1.3-3 （a）］。所形成的上、下弦网格都是正三角形，每个上、下弦节点均连有 6 根弦杆、3 根斜杆，共 9 根杆件。这种网架的杆件数和节点数，相对来说，也是比较多的。
（2）抽空三角锥网架Ⅰ型。它可由三角锥网架跳格式地抽去锥体的 3 根斜杆和相应的6 根下弦杆而成［图 2.1.3-3 （b）］。从总体来说，抽空三角锥网架Ⅰ型的下弦杆数和斜杆数分别是三角锥网架的 1/2 和 3/4 ，而上弦杆数无任何变化。交于上弦节点的杆件数为 9根或 8 根（即 6 根上弦杆、3 根斜杆或 6 根上弦杆、2 根斜杆），交于下弦节点的杆件数均为 7 根（即 4 根下弦杆、3 根斜杆）。这种网架的下弦杆正好形成一种正六角形和正三角形相间的网格，建筑造型美观、轻巧。
（3）抽空三角锥网架Ⅱ型。它可由三角锥网架采用另一种跳格方式，抽去锥体的 3 根斜杆和相应的 6 根下弦杆而成［图 2.1.3-3 （c）］。但从总体来说，抽空三角锥网架Ⅱ型的下弦杆数和斜杆数分别是三角锥网架的 1/3 和 2/3 ，比抽空三角锥网架Ⅰ型的抽空率还要大，但上弦杆数仍无任何变化。交于上弦节点的杆件数为 8 根（即 6 根上弦杆、2 根斜杆），交于下弦节点的杆件数为 6 根（即 3 根下弦杆、3 根斜杆），这种网架的下弦杆正好形成一种正六角形的网格，建筑造型也比较大方美观。
图2.1.3-3 三角锥体组成的网架
4.第四类是由六角锥体组成的网架结构，它的基本单元体是由 6 根弦杆、6 根斜杆构成的正六角锥体，即七面体［图 2.1.3-4 （b）］。这类网架的一种主要形式即为六角锥网架，它由顺置的密排六角锥体与三向互成 60°的上弦杆系连接而成［图 2.1.3-4（a）］。所形成的上、下弦网格分别为正三角形、正六角形。交于上弦节点的杆件数为12 根（即 6 根上弦杆、6 根斜杆），交于下弦节点的杆件数为 6 根（即 3 根下弦杆、3根斜杆）。相对来说，这也是一种杆件数和节点数较多的网架。
前述四类共 15 种网架，除两向斜交斜放网架已设计未施工外，其他各种形式网架在我国都有所推广应用。表 2.1.4 中列出了首次采用各种形式网架的工程实例，以便了解这些网架的基本情况。
图2.1.3-4 六角锥体组成的网架
表 2.1.4 我国首次建成各种形式网架的工程实例
网架选型是否恰当，会影响网架结构的技术经济指标、制作安装质量和施工进度。影响网架选型的因素是多方面的，如网架制作、安装方法、用钢指标、跨度大小、刚度要求、平面形状、支承条件等都在一定程度上影响着确定采用哪一种网架形式。下面分别作一分析说明。
1.如节点采用焊接，由平面桁架系组成的网架，其制作比由四角锥体组成的网架较为方便；两向正交网架又比两向斜交网架及三向网架方便；四角锥网架比三角锥网架方便。
2.当网架的安装方法不是采用整体提升或吊装，而是采用分条或分块安装，或采用高空滑移法时，则选用两向正交正放网架、正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架等三种正交正放类网架比选用斜放类网架有利。因为后者在分条或分块吊装时，往往因刚度不足或几何可变性而要增设临时支撑，这是不合算的。
3.网架本身的用钢指标是衡量网架选型的一项重要标志。如周边支承且平面接近方形的网架，通过满应力优化设计比较，斜放四角锥网架、棋盘形四角锥网架的用钢量较省。因为这两种网架的上弦网格小、杆件短、压杆稳定验算时截面折减少，材料有效利用率高；下弦网格大，受拉杆件长，节点和杆件数量少，故用钢量省。如边长比大于 1.5 的网架，因内力分布的关系，则正交正放类网架在相同条件下就比斜放类网架的用钢量省些。一些抽空角锥体网架的用钢量一般比不抽空锥体网架的要省；但抽空角锥体网架的杆件内力比不抽空时的变化幅度要大，对节点设计和杆件选择不利。
4.通过计算表明，跨度大小（对网架结构来说，60m以上可称大跨度，30m以下可称小跨度，30m至 60m为中等跨度）对网架选型的影响不大。但大跨度网架一般都是重要的建筑，目前在我国用得较多的是两向正交正放网架、两向正交斜放网架和三向网架等一类平面桁架系组成的网架结构。因为这几种大跨度网架的设计与施工经验比较丰富，技术比较熟练。三向网架、三角锥网架、六角锥网架、一般构造较为复杂，用钢量大，故在中小跨度中宜少采用。
5.网架的刚度比平面屋架好得多，但各种网架之间，不论是水平刚度还是垂直刚度，其差别是不小的。如斜放四角锥网架，它本身是几何可变的，在增设边缘构件或有强大的圈梁时才能保证其几何不变性。一般地说，节点数和杆件数较多的网架，如三角锥网架、六角锥网架、三向网架、正放四角锥网架，其刚度较大；反之，如斜放四角锥网架、棋盘形四角锥网架、抽空三角锥网架Ⅰ、Ⅱ型、蜂窝形三角锥网架，其节点数和杆件数较少，则刚度也较小。
6.平面形状为圆形、正六边形和接近圆形的多边形网架，从平面布置及建筑造型看，比较适宜采用三向网架、六角锥网架、三角锥网架、抽空三角锥网架Ⅰ、Ⅱ型和蜂窝形三角锥网架。特别是当平面形状为正六边形时，这几种网架的网格规整，杆件类型少，施工方便；如采用其他类型网架，则边界附近网格不规整，比较零乱，杆件类型增多，施工制作不便。
7.多点支承的网架，选用正交正放类网架较为合适。因为多点支承时这种正交正放类网架的受力性能比斜放类网架合理，挠度也小。经过四点支承网架计算表明，在条件相同的情况下，两向正交正放网架与两向正交斜放网架的最大内力比约为 5/7 ，挠度比约为6/7 ，而且斜放类网架在自由边界还要增设封边的边缘杆件，增加了杆件数量和材料用量。三边支承一边开口的网架，也宜选用正交正放类网架。周边支承和多点支承相结合的网架，则可采用正交正放类网架，也可选用斜放类网架，但一般不宜采用三向网架和三角锥体、六角锥体组成的网架。
8.对跨度不大于 40m多层建筑的楼层及跨度不大于 60m的屋盖，可以采用以钢筋混凝土板代替钢上弦的组合网架；组合网架宜选用正放四角锥组合网架、正放抽空四角锥组合网架、两向正交正放组合网架、斜放四角锥组合网架及蜂窝形三角锥组合网架。
总的来说，网架选型是一个比较复杂的问题，必须根据实用与经济的原则，进行多方案综合分析比较确定。上面所谈到影响选型的诸因素中，最主要的应考虑施工制作和用钢指标这两个因素。bfxd3IPTD2J1zwKPCSqk8P9bvX97dqMaGxMqLzDoZUF4Y4iQwNL6otdo1+wRCrUi