大跨度空间结构——物尽其用，人尽其才；各司其职，团结合作
适用专业：土木工程专业
讲授课程：材料力学
讲授章节：1.5 杆件变形的基本形式
切入点：在讲解第一章第5节杆件基本形式的概念时，讲解了杆件受力和变形的各自特点，充分了解了杆件在不同受力状态的力学特点。杆件在受轴向拉压时其材料性能可以得到充分发挥，这样才有了超越传统结构的大跨度空间结构。
讲授目的及效果：通过讲述广泛应用的大跨度空间结构，说明杆件轴向拉、压变形的优点。引导学生，正确认识自己的长处与缺点，认识团队各成员的优点，使团队成员物尽其用，人尽其才，同时各司其职、团结协作，这样团队才能取得更大成绩。
1863年，德国柏林建造了第一个30m直径的钢结构穹顶，这可谓是第一个真正意义上的网壳结构，由施威德勒(Schwedler J W)设计，形式是以若干圆弧形拱汇交到一个顶环，形成辐射型体系，再加若干道中间水平环以及同一方向斜杆，形成被后人称道的“施威德勒穹顶” 。
图1为正在施工的大跨度球面网壳结构，可以看见由一根一根杆件组成的网壳结构。
图1 正在施工中的大跨度球面网壳结构
2003年，中国国家大剧院壳体钢结构安装完成（图2）。国家大剧院外观呈半椭球形，东西方向长轴长度为212.20米，南北方向短轴长度为143.64米，建筑物高度为46.285米，占地11.89万平方米，总建筑面积约16.5万平方米，其中主体建筑10.5万平方米，地下附属设施6万平方米，总造价30.67亿元。
图2 国家大剧院
2010年，上海辰山植物园初步建成并对外开放（图3）。生态温室群建筑形态独特，弧形的大跨度穹顶，结构采用世界上先进的单层空间网格结构，顶由三角形夹层中空钢化玻璃覆盖，轻盈通透。温室突破传统的室内植物密植形式，在大空间内突出园艺花卉植物的季节性布置。3个温室利用可再生的能源，采用独立分区的智能环境控制系统，内部形成8 种气候类型，种植来自世界各地的奇花异草。热带花果馆是辰山植物园三个温室中最大的一个，面积有5521平方米，室内最高21米。展馆分为风情花园、棕榈广场和经济植物区三大区域，种植了600多种植物，其中花卉有100多种。
图3 上海辰山植物园热带花果馆
以网壳结构为例说明大跨空间结构的特点，网壳结构是半个世纪以来发展最快，应用最广的一种空间结构形式之一，具有如下优点：
（1）网壳结构为三维结构，兼有杆系结构和薄壳结构的主要特性，结构刚度大，受力合理，空间跨越能力强。
（2）网壳结构可以用小型构件组装成大型结构，小型构件和连接节点可以在工厂预制，走工业化的道路，现场安装简便，不需要大型的机具设备，施工速度快，因此综合经济技术指标好。
（3）网壳结构的分析计算已经相当成熟，大型的通用程序和计算机辅助设计现已应用相当广泛，为网壳结构的设计应用与科学研究创造了有利条件。
网壳结构同时也存在如下缺点：
（1）杆件和节点几何尺寸的偏差以及曲面的变化，对网壳结构的内力、整体稳定和施工影响较大，为减少初始缺陷，对于杆件和节点的加工精度要求很高。
（2）网壳结构可以构成大空间，但当矢跨比很大时，曲面外形增加了屋面的面积和不必要的建筑空间，有些空间是不能利用的，并使能源消耗增加，屋面构造也较复杂。
强调学生思考空间结构与传统建筑结构的差别，为什么由最简单的杆件组成的空间结构的跨越能力可以这么强？这些最简单的杆件承受什么类型的荷载，发生什么类型的变形？
思政结合点：
（1）物尽其用，人尽其才：为什么看似“粗壮”的钢筋混凝土梁的跨度常见为10米左右，而“瘦小”杆件组成球面网壳结构跨度可以轻松实现100米的跨度？那是因为组成球面网壳的杆件内力分布均匀，而钢筋混凝土梁的内力分布不均匀，只有受力均匀的构件其材料性能才能得到充分发挥，做到物尽其用。启发学生认识到一个团队如果不能做到各成员人尽其才，那么再大团队也难以发挥其应有的价值！
（2）各司其职，团结合作：无论多么高大的平台、多么复杂的工程或者多么杰出的作品，都是由最简单的部分组成的。启发要充分意识到团队与个人的关系，既要以整体利益为先，又要充分发挥各成员的优点。如果团队中的各成员都可以各司其职、团结合作，那么该团队才能发挥出最大的价值！
位置：