上海世博會的世博軸、杭州奧體中心的大蓮花、中國天眼FAST的反射面背架……這些氣勢恢宏的地標性建筑與工程，無不讓世人感嘆！它們有一個共性特點，就是都屬于大跨度、大空間、大面積為主要特征的現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)由索、桿、梁、膜等單元組成，展現(xiàn)出形式多樣、輕質(zhì)高效、造型美觀、工業(yè)化程度高的特性，已經(jīng)成為一個國家建筑科技水平的重要標志。我國目前已經(jīng)建成的1200座大型體育場館、240座民用機場和530座高鐵站房等幾乎所有的大型公共建筑都離不開空間結(jié)構(gòu)技術(shù)。

“經(jīng)濟發(fā)展呼喚技術(shù)，技術(shù)發(fā)展促進產(chǎn)業(yè)?！闭憬髮W建筑工程學院羅堯治教授團隊，歷經(jīng)30年產(chǎn)學研聯(lián)合攻關(guān)，通過結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新驅(qū)動、理論和設(shè)計方法研究、大量模型試驗驗證和工程實踐，研發(fā)了剛性、柔性與剛?cè)嵝韵盗锌臻g結(jié)構(gòu)新形式，建立了張力結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與可展結(jié)構(gòu)分析理論，研發(fā)了先進試驗裝備、制造工藝與施工工法，取得了系統(tǒng)性、引領(lǐng)性成果，廣泛應(yīng)用于機場、高鐵、會展、能源等領(lǐng)域及國家科學工程，社會經(jīng)濟效益巨大，極大地推動了我國從空間結(jié)構(gòu)大國向強國邁進。

在日前召開的國家科學技術(shù)獎勵大會上，這項成果獲得2020年度國家科技進步一等獎。

三十年，三代人

引領(lǐng)體系創(chuàng)新

要建造屋蓋，大家首先想到的就是梁，我們平常造房子，一般都是用鋼筋混凝土的梁來撐起整個屋蓋。但在大型建筑中，隨著跨度的增大，梁本身重量的增加幅度超過了承載力的增加幅度。這樣一來，用鋼筋混凝土的梁來撐起整個屋蓋就比較“吃力”了。

怎么樣才能夠既減輕梁的重量又能保持足夠的承載力？人們想到的辦法是將梁鏤空或是改變其材料，減輕其自重。這就是桁架，可以用在跨度幾十米的工程項目中。但是當跨度在百米以上時，就需要用到網(wǎng)架網(wǎng)殼、張弦和弦支、索桁和索穹頂?shù)瓤臻g結(jié)構(gòu)了。

結(jié)構(gòu)好比是大建筑物的骨架，建筑最終能不能“立”得起來，骨架很重要。然而，原有的結(jié)構(gòu)體系不能適應(yīng)大跨度、超大跨度建筑要求，超高、超大、超長結(jié)構(gòu)的建造難題一直困擾著空間結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展。

上個世紀90年代初，深圳要新建機場，浙江大學團隊負責這一當時國內(nèi)首個使用空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的航站樓的屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計。深圳國際機場T1航站樓有4000平方米，這么大的空間，中間只有少量柱子支撐，能不能安全使用？每個人都有一個問號。接到這一任務(wù)后，羅堯治跑得最多的就是深圳，不僅要與建設(shè)方反復溝通，做成什么樣子，用什么樣的結(jié)構(gòu)，在建設(shè)過程中還要時時關(guān)注加工和施工效果是否與設(shè)計一致。

像這樣的跑工地，對羅堯治來說并不陌生。上個世紀八十年代末，從他跟隨董石麟院士做本科畢業(yè)論文開始，跑建筑工地就已經(jīng)成為了家常便飯。“本領(lǐng)不是天生長出來的，很多都是靠前輩的傳承。董老師是國內(nèi)第一代做空間結(jié)構(gòu)的，跟著董老師學習，我很快有機會接觸到大工程。”

在實際的設(shè)計工作中，團隊碰到的一個最大的難題就是在有限的時間內(nèi)需要完成大量的計算工作?！皼]有數(shù)據(jù)可以借鑒，必須靠我們自己，但這樣大體量的工程，人工手算是難以想象的?！睘榇肆_堯治當起了“程序員”，通宵達旦地寫代碼，最終研發(fā)出了一套空間結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件（MST），順利完成了項目的計算工作。后來，隨著建筑物體量不斷增大，設(shè)計的結(jié)構(gòu)越來越復雜，上萬個構(gòu)件粗細不同、長短不一，而且每一個節(jié)點的方位、角度都不盡相同，MST軟件不斷地迭代更新，只要輸入一串參數(shù)，就能自動建模，形成結(jié)構(gòu)樣式?！霸谶^去，一個1000平方米的小工程，需要專門雇人畫圖紙，沒有一兩個星期做不出來，而現(xiàn)在用了軟件，只需要幾個小時，便能立等可取。”

直到現(xiàn)在，這套“30多歲”的軟件仍然是應(yīng)用最廣的空間結(jié)構(gòu)專業(yè)軟件，這在日新月異的軟件領(lǐng)域非常難得。一位業(yè)內(nèi)人士評價，這個軟件非常專業(yè)和面向工程實際，不僅解放了勞動力，而且更可靠安全。

計算的真正目的在于服務(wù)工程需求。

過去我國的很多煤場都是露天堆放，風一刮，粉塵漫天，環(huán)境污染嚴重。能否做一個大蓋子，把煤場“蓋”在下面？要想蓋住整個煤場，大蓋子面積太大，如何確保在風、雪、地震等復雜環(huán)境中，這個大蓋子安全可靠，團隊系統(tǒng)化地開展了三心圓柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計研究，對結(jié)構(gòu)體系進行了創(chuàng)新。

團隊還科學地提出了基于基本組成單元的空間結(jié)構(gòu)分類方法，研發(fā)了剛性、柔性、剛?cè)嵝韵盗锌臻g結(jié)構(gòu)新形式，多種新型結(jié)構(gòu)形式首次應(yīng)用在北京北站、濟南奧體、深圳北站等大型建筑，填補了多項國內(nèi)外空白。

中國空間結(jié)構(gòu)行業(yè)自上世紀90年代以來的快速發(fā)展，浙江大學的研究團隊起到了重要的作用。與此同時，團隊培養(yǎng)了一批以80后為骨干的第三代空間結(jié)構(gòu)人?！罢憬髮W的空間結(jié)構(gòu)團隊經(jīng)過三十年，三代人的努力，為我國空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻?！眻F隊的奠基人董石麟院士如是說。

從跟跑，到并跑

形成系統(tǒng)的分析理論和創(chuàng)新的設(shè)計方法

進入新世紀，隨著中國經(jīng)濟的騰飛，中國建筑行業(yè)也迎來了大發(fā)展，各類會展、機場、高鐵項目如雨后春筍般在全國各地不斷涌現(xiàn)，也呼喚著空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的進一步提升。“空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展鐫刻著深深的時代烙印?！绷_堯治說。

位于浙江紹興的曹娥江大閘，是我國強涌潮河口地區(qū)第一大閘，也是浙東水資源配置重要樞紐工程。涌潮的拍擊和大量的淤泥堆積是這一河段的特色。

2007年興修曹娥江大閘，按照傳統(tǒng)的方案是做成梁板結(jié)構(gòu)的平面受力體系，羅堯治團隊卻創(chuàng)新性地把空間結(jié)構(gòu)體系“移植”過來，設(shè)計成了仿魚的雙拱形空間桁架結(jié)構(gòu)閘門，僅在閘門的用鋼量上就節(jié)省了1600萬元，而且由于整體重量的降低，機電設(shè)備又省了一大筆成本，同時還解決了涌潮造成的結(jié)構(gòu)疲勞和泥沙淤積問題。這個首創(chuàng)項目獲得了省科技進步一等獎。

空間結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新離不開新型節(jié)點形式，新的節(jié)點形式是否有足夠的承載力，相應(yīng)的加工工藝與構(gòu)造是否滿足設(shè)計的要求，一般要做足尺試驗來驗證。過去是“一把鑰匙開一把鎖”，根據(jù)不同工程項目的不同節(jié)點形式定制不同的加載反力裝置，而做完試驗后，相應(yīng)的反力裝置也就報廢了。為此團隊首創(chuàng)了球形全方位加載裝置，解決了多點多向精準加載問題。就像一個“通用模板”，它可以滿足空間全方位、十個加載點的試驗需求，同時一體化集成了機電和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，不同形式的空間結(jié)構(gòu)節(jié)點只要采用同一裝備就能完成試驗。這套全世界獨一無二的試驗裝備，可以降低試驗成本50%以上，提高效率4倍以上。

始建于1905年的北京北站，是中國自主設(shè)計建造的第一條干線鐵路——京張鐵路起點站。2007年，北京北站新站房正式開建，羅堯治帶領(lǐng)團隊負責該站房跨度108米、長680米的新型張弦桁架雨篷結(jié)構(gòu)的設(shè)計。當時施工方面臨的一個難題是，不能影響鐵路運行，站臺上方不允許有施工作業(yè)面。因此，只能在站臺的盡頭搭設(shè)施工胎架，結(jié)構(gòu)分批在胎架上組裝完成后高空滑移到站臺上方再“粘”起來，但這樣會不會影響工程質(zhì)量，施工方心里沒底?！斑@就需要馬上拿出最快、最省工序的技術(shù)方案，因為施工趕時間，拖不起?！绷私馇闆r后，羅堯治帶領(lǐng)團隊多次去施工現(xiàn)場，反復演算，終于順利完成了施工方案的制定，確保了工程順利進行。

“北京北站現(xiàn)在還保留著詹天佑時期的小站臺雨篷，現(xiàn)代與歷史在這里交相輝映，也讓我們?yōu)橹袊萍甲粤⒆詮姸械津湴?。?/p>

正是在這個十年間，團隊開始在自主創(chuàng)新中謀求突破，在工程實踐中創(chuàng)建了索桿張力結(jié)構(gòu)形態(tài)協(xié)同設(shè)計、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)精細化分析、可動結(jié)構(gòu)分析等理論方法，創(chuàng)新發(fā)展了現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)理論和設(shè)計方法。

“世博軸”、首都國際機場T3航站樓、國家大劇院……在團隊的共同努力下，空間結(jié)構(gòu)工程中的一個個核心難題得以解決。與此同時，團隊主編了我國第一部空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)技術(shù)標準，創(chuàng)辦了我國本領(lǐng)域唯一的科技期刊《空間結(jié)構(gòu)》。

中國造，創(chuàng)世界

推動建造技術(shù)發(fā)展

最近的十年，中國空間結(jié)構(gòu)科技開始領(lǐng)跑世界，很多其他國家的大項目用的都是中國方案，這其中，不少就是出自項目團隊的手筆。

迪拜“City of Arabia”是世界上最大的室內(nèi)主題公園。這個項目在方案論證階段，也有重重考驗。羅堯治回憶，他和另一家國際咨詢公司一同檢測結(jié)構(gòu)計算分析數(shù)據(jù)。兩臺電腦并排放在桌上，同時跑數(shù)據(jù)，業(yè)主方就在旁邊盯著看，整個房間的空氣仿佛都讓人透不過氣來。中途有組數(shù)據(jù)對不上，雙方同時再驗算，羅堯治率先算出了結(jié)果。一開始還有點半信半疑的業(yè)主方，臉色由陰轉(zhuǎn)晴，露出了笑容。

“剛開始，讓對方認可是一個很痛苦的過程，但是現(xiàn)在越來越多的中國工程、中國標準走到了國外。”羅堯治說，目前團隊應(yīng)用工程遍布全球31個國家和地區(qū)，累計項目逾千個。

杭州亞運會網(wǎng)球館旋轉(zhuǎn)開合屋蓋這樣的結(jié)構(gòu)功能，以及自由曲面的構(gòu)型，在浙江大學的實驗室早幾年就已經(jīng)開展過研究，后來被廣泛應(yīng)用于各項工程。比如，杭州奧體中心的“大蓮花”是曲面形，又彎又扭，怎么設(shè)計加工呢？團隊研發(fā)了復雜異形構(gòu)件的高精度加工制作技術(shù)，形成了高精度、高效率成套加工工藝。“高校的核心工作是解決技術(shù)的理論問題和方法問題。越到后來，越是一個產(chǎn)學研聯(lián)合的結(jié)果。”

在國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施FAST項目中，團隊承擔了反射面背架結(jié)構(gòu)加工與拼裝核心任務(wù)，通過產(chǎn)學研攻關(guān)，解決了20萬球節(jié)點、55萬根桿件、4450片單元精密制造難題，實現(xiàn)了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)高精度的“中國制造”。

浙江東南網(wǎng)架公司是FAST反射面背架的加工與拼裝施工單位，在國內(nèi)大量的空間結(jié)構(gòu)中都有他們的身影，已是行業(yè)翹楚。誰能想到，在很多年以前，這家企業(yè)是以農(nóng)機配件為主的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)。依托浙大科技創(chuàng)新，他們不斷積累人才，積累技術(shù)，承擔了大量空間結(jié)構(gòu)的重大項目?！白铋_始我們的技術(shù)還很落后，分析設(shè)計、加工制作和施工安裝能力都不足，但浙大羅堯治團隊不怕苦不怕累，跟我們協(xié)同攻關(guān)，幫我們培訓和培養(yǎng)技術(shù)人員，帶著我們做項目。這樣我們的企業(yè)一步步發(fā)展起來了。”浙江東南網(wǎng)架股份有限公司常務(wù)副總經(jīng)理、總工程師周觀根說。

在扶持企業(yè)的同時，團隊培養(yǎng)的600多位空間結(jié)構(gòu)高層次人才，像蒲公英一樣，帶著從團隊學到的本領(lǐng)“飛”到各地，讓這套技術(shù)在很多地方落地生根。這樣算來，帶有團隊基因的空間結(jié)構(gòu)工程可以說是遍布中國了。

時勢造英雄，英雄造時勢。42項國家科研項目、32項“第一”或“最大”的工程應(yīng)用、省部級科技獎勵5項和行業(yè)特等獎1項……一個團隊三十年的辛勤耕耘，帶動了一個行業(yè)的發(fā)展與進步。

“三十多年來，一直耕耘并熱愛著空間結(jié)構(gòu)事業(yè)，我始終的理念是立志成為行業(yè)科技創(chuàng)新進步的引領(lǐng)者和推動者?！绷_堯治說，團隊很幸運地與行業(yè)一同經(jīng)歷了從小到大、從大到強，從跟蹤借鑒到自主創(chuàng)新的過程，“未來我們也將繼續(xù)與時代、與國家需求同頻共振，為空間結(jié)構(gòu)的再發(fā)展貢獻我們的力量?！?/p>

（文字 柯溢能 吳雅蘭/攝影 盧紹慶/攝像 韓天高）