复杂空间结构建筑造型越来越复杂，结构形式多样，空间结构不仅追求自重轻，还需结构与建筑的协调统一，只有合适的结构才能很好地适应和表现各类建筑效果。中国是空间结构应用大国，建成的空间结构项目众多，跨度之大也居世界前列，许多复杂空间结构突破了我国现行相关技术标准与规范的规定，如何保证复杂空间结构建筑的安全性、经济性、施工可行性和安装精度等，逐渐引起科研工作者和工程技术人员的广泛关注。
本书以上海天文馆工程案例为背景，对复杂空间结构设计关键技术进行梳理和提炼，对复杂空间结构的发展进行总结，针对复杂空间结构建模及计算方法、结构控制指标、抗震性能设计、抗风设计、结构人致振动及舒适度控制、复杂节点设计、混凝土薄壳结构设计进行详细剖析提炼，重点突出设计难点和解决方法。

上海天文馆作为上海科技馆分馆，2021年7月开馆，是上海市政府投资兴建的大型科普场馆，建筑面积3.8万平方米，上海天文馆是全球最大的天文馆。上海天文馆由美国Ennead国际建筑事务所 (Ennead Architects)和上海建筑设计院联合体中标，总投资约5.3亿元。主建筑以优美的螺旋形态构成天体运行轨道，独具特色的圆洞天窗、倒转穹顶和球幕影院这三个圆形元素构成三体结构，共同诠释天体运行的基本规律。室外绿化勾勒出星系的旋臂形态，与星空之境公园自然衔接，充分体现了建筑与生态的有机融合。

当前，我国已将建设重点转向城镇化发展和城市结构调整之需建设，对建筑结构设计在功能、造型、技术经济性等方面提出了更高的要求，更提出了注重保护环境要求，迫切需要发展新型高性能建筑结构及其设计技术，以提高结构性能，降低结构材料。空间结构是以高效、高性能和美观、灵活为特征的现代结构。空间结构建造及其所采用的技术往往反映了一个国家建筑技术的水平，一些规模宏大、形式新颖、技术先进的大型空间结构也成为一个国家经济实力与建筑技术水平的重要标志。
空间结构也称现代建筑结构，其特征为通过结构内力自平衡手段来减少结构用材、减轻结构自重，改变结构或构件的受力状态，从而大大减少结构用材，这种特殊的结构方法在大跨度、大悬挑的建筑中被广泛使用。空间结构不仅追求结构自重轻，同时结构形式多样、美观的特点，能很好地适应和表现各类建筑。大型复杂空间结构在我国的应用越来越多，同时我国学者对于各类空间结构的试验和理论研究越来越深入和广泛并已经取得了较大进展，但目前仍存在下面5个不足之处值得进一步研究。
(1)试验研究方面：一是试验数量匮乏，无论是整体模型试验还是节点试验均没有形成系统的成果；二是部分试验模型未能与时俱进，早年试验研究的节点通常较为常规，不能反映现行复杂节点的力学特性，指导意义有限；三是节点试验仅关注承载力方面，针对结构稳定有重大影响的节点刚度研究尚不足。
(2)理论研究方面：一是由于缺乏足够的试验支持，相当数量的数值模拟结果难以得到验证；二是节点有限元模型的计算分析中所做的部分假定的合理性有待研究；三是在结构整体模型的分析中，对节点刚度及构件初始缺陷的考虑不足。
(3)设计应用方面：一是设计中的抗震验算均未考虑节点连接形式的实际耗能能力而仅将构件简单假定为刚接；二是结构设计对施工过程的模拟计算与实际施工过程存在一定的不匹配。
(4)混凝土曲面壳体的设计要同时考虑施工方案并核算施工荷载。设计与施工有着互相依赖的关系，因此，只有两者密切配合，经过多方案比较，才能求得最佳的设计与施工方案。
(5)数值模拟与风洞试验结果的整体规律性是趋于一致的，且不同风向角下的极值相差不大，说明数值风洞模拟结果可以应用于复杂空间结构的抗风荷载设计工作当中。尤其是在项目方案确定阶段，可以借助数值风洞模拟工作来进一步优化空间结构的外形布置。
本书由贾水钟组织和编写，李瑞雄参与全书1~5章的编写工作，孙悦参与本书部分章节的校对、修改工作。
本书的完成离不开相关领域专家学者的支持和鼓励，部分内容应用了国内外专家学者和设计同行的设计思路或研究成果，在此致以衷心的感谢。由于空间结构理论和技术发展迅速，书中难免存在不当和疏漏之处，敬请各位同仁批评指正。

贾水钟2022年12月10日，上海

贾水钟，华建集团上海建筑设计研究院结构专业总工程师，教授级高工，国家一级注册结构工程师，国家注册投资咨询工程师，英国结构工程师学会正会员，上海市空间结构工程技术研究中心副主任。兼任上海土木工程理事、工程结构专业委员会主任、中国工程建设标准化协会空间结构专业委员会委员、上海市超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会委员。主持或负责完成近30余项国家与上海市级重点工程设计和科研工作，获得30多项国家与上海市级设计与科技进步奖项。其中获得建设部奖两项，中国勘察设计协会优秀设计奖七项，中国建筑学会优秀结构设计四项，中国钢结构协会设计金奖四项，上海市科技进步奖两项，上海市土木工程科技进步奖三项，上海市优秀设计十项。

第 1 章　绪论 ………………………………………………………………… 1
1.1　复杂空间结构发展概况 …………………………………………………… 1
1.2　上海天文馆项目 …………………………………………………………… 3
1.2.1　项目背景 …………………………………………………………… 3
1.2.2　设计思路及建筑要求 ……………………………………………… 4
1.3　本书主要研究内容 ………………………………………………………… 10
1.3.1　结构整体设计研究 ………………………………………………… 10
1.3.2　结构舒适度的控制技术研究 ……………………………………… 10
1.3.3　混凝土壳体结构的设计与施工技术研究 ………………………… 10
1.3.4　节点构造设计研究 ………………………………………………… 10
1.3.5　结构风荷载研究 …………………………………………………… 11
第 2 章　复杂空间结构技术研究与工程实践 ……………………………… 12
2.1　结构整体设计研究 ………………………………………………………… 12
2.1.1　上部结构体系 ……………………………………………………… 12
2.1.2　主要部位结构布置 ………………………………………………… 14
2.2　结构计算分析 ……………………………………………………………… 20
2.2.1　设计计算方法 ……………………………………………………… 20
2.2.2　结构控制指标 ……………………………………………………… 22
2.2.3　结构静力计算分析结果 …………………………………………… 22
2.2.4　结构抗震性能分析 ………………………………………………… 43
2.3　结构舒适度控制技术研究 ………………………………………………… 50
2.3.1　结构振动控制研究现状 …………………………………………… 50
2.3.2 TMD 振动控制的研究现状 ……………………………………… 52
2.3.3　人行荷载的研究现状 ……………………………………………… 54
2.3.4　人致振动舒适度评价方法 ………………………………………… 56
2.4　天文馆结构关键部位舒适度计算 ………………………………………… 63
2.4.1　结构在步行激励下的响应 ………………………………………… 64
2.4.2 TMD 参数设计 …………………………………………………… 67
2.4.3　设置 TMD 后的减震效果 ………………………………………… 68
2.5　本章小结 …………………………………………………………………… 69
第 3 章　混凝土壳体结构设计与施工技术研究 …………………………… 71
3.1　混凝土壳体结构的发展和应用 …………………………………………… 71
3.1.1　混凝土壳体结构的发展 …………………………………………… 71
3.1.2　钢筋混凝土壳体结构发展的主要障碍 …………………………… 73
3.2　曲面混凝土结构的施工 …………………………………………………… 74
3.2.1　曲面混凝土施工中的难题 ………………………………………… 74
3.2.2　曲面混凝土施工的施工方法 ……………………………………… 74
3.2.3　曲面混凝土施工的分项工程控制 ………………………………… 75
3.3　天文馆混凝土壳体结构设计 ……………………………………………… 77
3.3.1　球幕影院区域结构布置 …………………………………………… 77
3.3.2　球幕影院区域结构静力分析 ……………………………………… 78
3.3.3　球体与混凝土壳体节点连接构造 ………………………………… 82
3.3.4　球幕结构整体稳定性能分析 ……………………………………… 82
3.3.5　多遇地震作用下球幕结构抗震性能分析 ………………………… 82
3.3.6　罕遇地震作用下结构抗震性能分析 ……………………………… 85
3.4　天文馆混凝土壳体结构施工技术研究 …………………………………… 91
3.4.1　混凝土曲壳结构设计概况 ………………………………………… 91
3.4.2　工程施工特点和难点 ……………………………………………… 93
3.4.3　壳体结构施工顺序 ………………………………………………… 93
3.4.4　壳体施工模板与支撑体系设计 …………………………………… 94
3.4.5　壳体结构施工技术措施 …………………………………………… 96
3.5　本章小结 …………………………………………………………………… 98
第 4 章　节点构造设计研究 ……………………………………………… 100
4.1　节点形式 ………………………………………………………………… 100
4.1.1　根据施工方法划分 ……………………………………………… 100
4.1.2　复杂空间结构常用节点形式 …………………………………… 101
4.2　节点研究方法 …………………………………………………………… 102
4.2.1　试验研究 ………………………………………………………… 102
4.2.2　数值模拟 ………………………………………………………… 102
4.2.3　组件法 …………………………………………………………… 103
4.3　节点设计研究 …………………………………………………………… 103
4.3.1　球幕影院球体与混凝土壳体连接节点 ………………………… 103
4.3.2　大悬挑区域弧形桁架相贯节点 ………………………………… 106
4.3.3　弧形桁架与混凝土筒体之间连接节点 ………………………… 112
4.3.4　铝合金网壳结构杆件连接节点 ………………………………… 116
4.4　本章小结 ………………………………………………………………… 118
第 5 章　复杂结构风荷载研究 …………………………………………… 120
5.1　大跨度屋盖结构抗风研究概况 ………………………………………… 120
5.1.1　研究思路 ………………………………………………………… 120
5.1.2　研究手段 ………………………………………………………… 120
5.1.3 ANN 在结构抗风领域的应用 ………………………………… 121
5.1.4　主要研究内容 …………………………………………………… 123
5.2　刚性模型风洞测压试验 ………………………………………………… 124
5.2.1　风洞试验 ………………………………………………………… 124
5.2.2　风洞试验结果分析 ……………………………………………… 132
5.3　天文馆表面风压的 ANN 预测 ………………………………………… 152
5.3.1　人工神经网络特点及研究意义 ………………………………… 152
5.3.2 BP 神经网络的基本原理 ……………………………………… 153
5.3.3　天文馆表面未知测点的平均风压系数预测 …………………… 155
5.3.4　未知风向角下的平均风压系数预测 …………………………… 160
5.3.5　神经网络预测结果分析 ………………………………………… 162
5.4　数值模拟研究 …………………………………………………………… 163
5.4.1　流场数值模拟方法 ……………………………………………… 163
5.4.2　边界条件设置及网格划分 ……………………………………… 164
5.4.3　天文馆风荷载参数数值模拟 …………………………………… 165
5.5　数值模拟与风洞试验结果对比分析 …………………………………… 171
5.5.1 CFD 方法得到的结构表面风荷载分布特点…………………… 171
5.5.2　数值模拟与试验结果对比分析 ………………………………… 174
5.6　本章小结 ………………………………………………………………… 176
参考文献…………………………………………………………………………………… 177