什么是空间桁架结构体系？
空间桁架结构，即球节架，属于轻便刚性结构构造组成一个几何样式。球节架通常运用一个多向间距，是由张力杆和压力杆组成的结构，结构处在三度空间的受力状态下，无论哪一类桁架，能承受来自各个方向的载荷，对抗震大垮距的建筑物更能发挥功用。种类有平面桁架，曲面式球节架，平顶式球节架等三种，优点重量轻，可做成各种造型。平面桁架是一个让所有成员和节点属于平面，而球节架的成员节点可以延伸到立体层面。
当桁架各杆件的轴线和所受外力不在同一平面上由直杆在端部相互连接而形成以抗弯为主的结构称为空间桁架结构，又称立体桁架结构。一般由两平面桁架在相隔一定距离的情况下进行连接。
平面桁架在平面内受力性能良好，但在平面外的刚度较小。为保证结构的整体性，必须要设置各类支撑，支撑结构的布置往往要消耗很多材料，同时必须以长细比来进行控制，材料强度得不到充分发挥。空间桁架可以有效避免这些缺点，其按截面形式可划分为正三角形、倒三角形、矩形。
空间桁架中使用的组件和材料
相比矩形截面，三角形截面空间桁架可减少连接杆件。当跨度较大时，上弦压力大，截面大，可把上弦一分为二，构成倒三角形空间桁架；当跨度较小时，上弦截面较小，宜把下弦一分为二，构成正三角形空间桁架。当两根下弦在支座节点处交于一点时，形成两端尖的梭子状，也叫作梭形桁架。
空间桁架有较大的平面外刚度、便于吊装使用、节省支撑钢材等优点，但往往计算烦琐，杆件的空间角度通常非整数，节点构造复杂，焊缝要求高，制作复杂，无论哪一类桁架，能承受来自各个方向的载荷，对抗震大垮距的建筑物更能发挥功用。基本单元常用的如四角锥单元和三角锥单元，由这些基本单元组成完整的球节架系统。
空间桁架构型的类型
按结构组成分类
平面桁架：所有杆件和节点在同一平面内，常用于简化结构或局部支撑（如建筑屋架）。所有杆件与节点共面，仅能承受该平面内的荷载，适用于平面内荷载集中、跨度较小的场景。结构简单、制造方便、成本低；杆件受力明确（仅轴向力），材料利用率高。
空间桁架：杆件和节点在三维空间中组合，形成稳定的空间结构，适用于大跨度、复杂荷载场景（如体育场馆、航天器支架）。杆件与节点在三维空间布置，可承受多方向荷载，如风荷载、地震作用，适用于大跨度、复杂荷载的场景。整体稳定性强，能有效抵抗平面外变形；通过空间杆件组合，减少支撑构件数量，增加使用空间。
按几何形状分类
三角锥体系：由三角锥单元组成，稳定性高（三角形固有稳定性），常用于重载结构（如工业厂房）。
- 重载结构：工业厂房、重型设备支撑（如钢铁厂高炉车间，需承载 50kN/m² 以上荷载）
- 大跨度需求：体育场馆主桁架（跨度≥60m）、机场航站楼屋盖
- 高稳定性：三角形几何特性使节点受力均匀，抗侧移刚度达 1/150~1/200 跨度比
- 荷载分散：通过锥体单元将竖向荷载转化为轴向力，减少杆件弯矩（如国家会展中心中央展厅采用倒三角锥体系，用钢量降低 25%）
四角锥体系：由四角锥单元构成，可通过正放、斜放、抽空等方式组合，适用于不同跨度需求（如展览馆、机场）。
- 双向刚度优化：通过调整锥体倾角（30°~60°）平衡平面内 / 外刚度，如成都天府国际机场屋盖采用 45° 斜放四角锥，风振系数降低 30%
- 经济性提升：较传统网架减少 15%~20% 用钢量（如广州白云国际会议中心）
- 自由曲面体系：无规则几何形状，通过曲线杆件形成曲面支撑，用于特殊造型建筑（如博物馆）。
- 参数化建模：基于BIM技术，实现复杂造型（如北京大兴机场 C 形柱曲面精度达 ±2mm）。
- 荷载适应性：通过曲率调整优化风荷载体型系数（μs≤0.8），如上海中心大厦观光厅曲面桁架抗风压设计值达 1.2kPa。
按拓展维度分类
一维拓展：用于直线支撑（如桥梁、塔架）。形成类梁结构，沿单一方向延伸，适用于直线支撑、跨度较小的场景。结构简单、施工方便；可快速搭建临时支撑结构。如人行天桥的支撑桁架（如城市步行桥的钢桁架梁）和临时建筑的屋顶支撑等。
二维拓展：用于平面或曲面支撑（如楼板、穹顶）。形成类板结构，在平面内扩展，适用于平面或曲面支撑、需要覆盖较大面积的场景，可形成连续的支撑面，减少节点数量；适用于楼板、穹顶等平面结构。比如大型商场的屋顶无柱展厅，采用二维桁架形成连续支撑，火车站的站台雨棚等。
三维拓展：用于复杂位姿连接（如空间站桁架、大型天线阵）。形成空间填充结构，可在三维空间中连接，适用于复杂位姿连接、大跨度的场景。空间刚度高，能承受多方向荷载；可实现模块化组装，便于扩展。比如空间站桁架 ，大型天线阵：卫星地面接收站的抛物面天线支撑桁架（采用三维桁架形成稳定的抛物面形状）。
按特殊功能分类
可扩展桁架：通过模块化节点（如球节点）和快速接头设计，支持在轨装配或现场扩展（如航天器桁架、应急建筑）。通过模块化节点和快速接头设计，支持在轨装配或现场扩展，适用于临时建筑、应急工程或需要快速搭建的场景。模块化设计，施工周期短，可重复使用，降低成本；适应复杂地形。
张拉桁架：结合张拉索杆，通过预应力增强稳定性，用于大跨度轻质结构，结合张拉索杆，通过预应力增强稳定性，适用于大跨度、轻质的结构（如体育场馆挑篷、大跨度屋顶）。通过预应力抵消荷载产生的变形，减少材料用量；结构轻盈，造型美观。
荷载分布与结构性能
大跨度空间钢桁架结构作为一种高效的空间结构形式，具有独特的受力特点。在荷载作用下，其杆件主要承受轴向拉力或压力，截面上的应力分布较为均匀。以常见的三角形钢桁架为例，当承受竖向均布荷载时，上弦杆受压，下弦杆受拉，腹杆则根据其布置形式分别承受拉应力或压应力。这种受力方式使得材料能够充分发挥其强度性能，与受弯的实腹梁相比，在相同的荷载条件下，钢桁架可以使用更少的材料来跨越更大的空间。例如，在一些大型体育场馆中，采用钢桁架结构可以实现上百米的跨度，而结构自重相对较轻。
从材料特性来看，钢材具有强度高、塑性和韧性好的优点。高强度使得钢桁架能够承受较大的荷载，满足大跨度建筑的承载需求。塑性和韧性好则保证了结构在承受动力荷载 (如地震、风振等) 时，能够通过塑性变形吸收能量，避免突然脆性破坏，提高结构的抗震和抗风能力。例如，在地震多发地区的大跨度建筑中，钢架结构凭借其良好的塑性和韧性，能够在地震作用下保持结构的整体性，减少破坏程度。同时，钢材还具有良好的加工性能，便于在工厂进行预制加工，提高施工效率和精度。空间桁架在同一平面内的桁架能够提供更大的空间跨度和更灵活的空间布置，广泛应用于体育场馆、展览馆、航站楼等大型建筑。
设计、制造和安装过程
根据设计院提供的外形尺寸、节点坐标和杆件表，使用钢结构详图设计软件和绘图程序，对桁架进行了合理分割以及节点设计。将整个主体结构分解成各个单独的杆件和单元件，并分别进行绘制。施工详图设计主要包括以下内容：节点拼装总图、节点拼装顺序图、杆件图、节点图及材料明细表等。
下料切割
主体结构部分为钢管，且构件节点处的杆件均为相贯连接节点；钢管通过相贯线切割变成标准的小件，帮助后期桁架组对焊接更加顺利，从而减少尺寸问题。
贯线切割机是一种用于自动切割金属圆管、方管或异型管相贯线端头、孔及弯头的工业设备，主要应用于建筑、造船、机械工程等行业，其中等离子机型适应多种金属材料，激光机型可完成坡口精准切割。
构件拼装
用连接板进行构件连接固定，检查项目包括轴线偏差、接口的间隙与错边量、杆件的长度、侧弯与翘曲、长度与角度等。
制造需严格遵循材料检验、加工精度及防腐处理要求，切割采用数控等离子切割，弯曲成形需匹配模具曲线，如圆管弯头冷弯工艺，焊接节点需预拼装胎架，采用埋弧焊或CO₂气体保护焊，焊后探伤检测。
焊接顺序：对上下弦杆按立焊 -> 平焊 -> 仰焊的顺序进行；对上下弦杆与腹杆的接口依据测量结果安排焊接次序，通常先进行腹杆与下弦的焊接，再进行腹杆与上弦的焊接，并跟踪测量，以便通过调整焊接顺序控制变形。
现场桁架组装
首先用吊车把构件放在胎架上，按照桁架施工详图固定杆件的位置。如果杆件加工曲线偏差超过允许范围时，允许加热矫正杆件，但加热温度严禁超过正火温度，加热矫正后的杆件需缓慢冷却。然后施焊上下弦杆件接头，最后拼装腹件、上下弦间支撑。拼装时严格控制尺寸，为下一步安装提供精度保证。
各行业的典型应用
现今桥梁、体育馆、机场、车站等大尺寸及特殊造型建物上广泛使用。空间桁架是一个越来越普遍的建筑技术，尤其适用于大型屋顶覆盖，例：商业和工业厂房大门屋檐。现今容量更大的便携式阶段和照明支架，也经常建造球节架和八向桁架。管式球节架也被广泛用于生产现代摩托车和汽车，但单体车身已较为常见。
建筑物球节架显著的例子分别有：
世界上最早的大规模空间桁架结构应用之一，是一座双线铁路桥梁，主跨由三个巨大的悬臂式空间桁架组成，悬臂从两侧桥塔伸出，在中部通过较短的桁架连接，其结构特点是使用双管弦杆（管状上下弦杆）与管状腹杆共同连接，形成了非常坚固的立体三维框架，而非平面桁架。这种设计有效地抵抗了作用在结构上的巨大风荷载，满足了严格的安全要求。
作为世界上第一个带空调的穹顶大型室内体育馆和第一个多用途穹顶体育场，极具开创性。其屋顶结构是一个直径约218米（后期扩建后更大）的圆形双层空间网格穹顶，由一系列网架单元通过螺栓球节点或焊接节点连接而成，这种空间网格壳体结构跨越了整个体育场上方，内部无任何立柱，为场内活动提供了巨大的无柱空间。
其核心是一个由数个倒置的钢筋混凝土锥台组成的主体建筑。这些锥台的屋顶和侧壁结构大量应用了三维空间桁架系统（网架）。这种空间桁架的应用，不仅实现了大跨度，满足了空侧巨大的净空需求，还形成了极具识别度的建筑外观。其"内桁架+外层皮”的模式也提供了布置设备管线的夹层空间。
结语
新天地钢结构以二十余年专业积淀，深耕钢结构装配式建筑领域。从摩天大楼到跨江桥梁，从活力体育馆到现代展览中心，从标准化工厂到各类大型工程，数千个标杆项目的成功交付。以匠心筑造实力，用专业定义品质，我们希望将装配式钢结构建筑的美延伸至世界每一个角落。
