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中国网壳结构的发展与应用
董石麟
姚谏 （浙江大学）
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[摘要]
近10年来，中国的网壳结构获得了迅速的发展，应用范围日益扩大。网壳结构具有刚度大、自重轻、造型丰富美观，综合技术经济指标好的特点，是大跨度、大空间结构的主要结构形式之一。本文简述我国网壳结构发展的历史、各类网壳结构的应用情况，并就网壳结构的形式与分类、计算方法、设计与构造、施工安装方法诸问题作了综合阐述。最后提出了进一步推广应用网壳结构的若干建议和要研究探索的技术问题。
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一、我国网壳结构发展概况
网壳结构是曲面型的网格结构，兼有杆系结构和薄壳结构的固有特性，受力合理，覆盖跨度大，是一种国内外颇受关注、有广阔发展前景的空间结构。网壳结构在解放初曾有所应用。当时主要是一类联方型的网状筒壳，材料为型钢或木材，跨度在30m左右，如扬州苏北农学院体育馆、南京展览中心（551厂）、上海长宁电影院屋盖结构等。作为有影响的我国第一幢大跨度网壳结构是天津体育馆屋盖，采用带拉杆的联方型圆柱面网壳，平面尺寸为52m X68m，矢高为8.7m，用钢指标为45kg每平米。该网壳1956年建成，1973年因失火而重建。此后，截至1992年上半年，据不完全统计，我国已建成各类网壳近80幢，覆盖建筑面积约70000平米，其中80％是近10年兴建的。如1989年建成的北京奥林匹克体育中心综合体育馆（图l），平面尺寸为70m X 83.Zm，采用人字形截面双层圆柱面斜拉网壳，为目前国内跨度最大的网壳结构。同年建成的濮阳中原化肥尿素散装库（图2），平面尺寸为58mX135m，采用双层正放四角锥圆柱面网壳，为国内覆盖建筑面积最大的网壳结构，也是第一个采用螺栓球节点的网状筒壳。1967年建成的郑州体育馆（图3），采用肋环形穹顶网壳，平面直径64m，矢高9.14m，为国内跨度最大的单层球面网完。又如1988年建成的北京体院体育馆，采用带斜撑的四块组合型双层扭网壳，平面尺寸为59.2m见方，矢高3.5m,挑檐3.5m（图4），为我国跨度最大的四块组合型扭网壳。再如1990年建成的石家庄新华集贸中心营业厅，采用两向正交正放双层双曲扁网壳，平面尺寸为40m见方，矢高3.13m，挑檐1.5m，为目前国内跨度最大的双曲扁网壳。值得指出的是1984年建成的汾西矿务局工程处食堂，采用了一种钢筋混凝土屋面板与钢网壳共同工作的组合双曲扁网壳（图5），平面尺寸为18mX24m，矢高为3.5m。
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图１ 北京奥林匹克体育中心综合体育馆 图２ 中原化肥厂尿素散装库在施工 |
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图３ 郑州体育馆 图４ 北京体院体育馆 |
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图５汾西矿务局工程处食堂组合双曲扁网壳
二、网壳结构的形式与分类
我国已建成的网壳结构一般可分为以下各种类型和形式。
（1）按曲面的曲率半径分，有正高斯曲率网壳、零高斯曲率网壳和负高斯曲率网壳等三类（图6）。
（2）按曲面的外形分，主要有球面网壳、双曲扁网壳、圆柱面网壳（包括其它曲线的柱面网壳）、扭网壳（包括双曲抛物面鞍型网壳、单块扭网壳、四块组合型扭网壳）等四类（图6）。 |
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图6 网壳结构按曲面曲率、外形分类
（3）按网壳网格的划分来分，有以下两类。
对于球面网壳主要有Schwedler型。联方网格型、三向网格型、Kn（n=6, 8,10……）型、肋环型和短程线型等（图7）。
对于圆柱面网壳主要有联方网格型、单斜杆型（直角三角形网格）、三向型（等腰三角形或正三角形网格），如图8所示。
（4）按网壳的层数来分，有单层网壳和双层网壳，其中双层网壳通过腹杆把内外两层网壳杆件连接起来，因而可把双层网壳看作由共面与不共面的拱桁架系或大小相同与不同的角锥系（包括四角锥系、三角锥系和六角推系）组成。
（5）按网壳的用材分，主要有木网壳、钢网壳、钢筋混凝土网壳以及钢网壳与钢筋混凝土屋面板共同工作的组合网壳等四类。 |
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 图７ 球面网壳的网格形式
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三、网壳结构工程实例
现将我国已建（包括在建）网壳结构工程实例，按曲面外形分类叙述如下。
（l）球面网壳工程实例，详见表1。其中山西稷山选煤厂煤库穹顶，平面直径为47.2m，采用了我国自己研制成功的嵌入式毂式节点单层球面网壳，每平米用钢指标仅为20.2kg，是我国目前按空间结构计算方法设计建成的跨度最大的网状球壳。中国科技馆球幕影院穹顶，球径为35m。是目前跨度最大近乎全球的（3/4球）螺栓球节点双层网状球壳，网壳内层为短程线型网格，外层为外露呈六边形、五边形网格，结构形体新颖美观。福州师专阶梯教室屋盖，平面直径为24m，首次采用了局部双层的螺栓球节点K6型网状球壳，以提高单层螺栓球节点网壳的稳定性（图9）。济南动物园亚热带鸟馆顶盖，平面直径为40m，采用倾斜1／8的三向网状扁球壳（图 10）。某 3万平米的油罐顶盖，平面直径为46m，采用工字钢截面杆件、板式节点的短程线型球面网壳，是当前跨度最大的油罐顶盖网壳。大连青少年宫球幕影院和天象馆穹顶，平面直径分别为16.166m和9.84m，分别采用了直径22和20圆钢杆件的单层K6-联方形球面网壳。球面网壳工程实例和型体研究的部分资料可见文献[9-12]。
表1
球面网壳工程实例
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工程名称
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单双层
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网格形式
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平面尺寸×厚度 （m）
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矢高（m）
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用钢指标（kg/m2）
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施工安装
方法
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建成年 份
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郑州体育馆
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单
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肋环型
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D64
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9.14
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1967
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大连青少年宫球幕影院
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单
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K6-联方型
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D16.166
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8.083
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14.3（按曲面）
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高空散装
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1987
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大连青少年宫天象馆
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单
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K6-联方型
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D9.84
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4.92
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高空散装
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1987
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山西稷山选煤厂煤库
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单
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联方型
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D47.2
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14.598
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20.2
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高空散装
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1989
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山东杂技团排演厅
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单
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K8型
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D40
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8.28
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25
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高空散装
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1989
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济南动物园亚热带鸟馆
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单
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三向型
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D40
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6
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31.4
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高空散装
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1989
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济南动物园雉鸡馆
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单
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三向型
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D46
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7
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高空散装
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1989
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天津大港石油管理局物探公司舞厅
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单
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K6型
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D18
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2.57
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22.5
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高空散装
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1989
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乌鲁木齐环球大酒店装饰球体
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单
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短程线形
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全球D8
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高空散装
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济南明湖水上餐厅中厅
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单
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三向型
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椭圆12.5×25.6
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2.5
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高空散装
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1989
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某3万方内浮顶油罐顶盖
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单
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短程线形
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D46
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6.534
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31
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地面组装整体吊装
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1989
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大庆林源炼油厂多功能厅
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单
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K6型
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D25.6
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6.1
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高空散装
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1989
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潍坊艺海大厦装饰穹顶
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单
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短程线形
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D10.2
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9.91
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22.2（按曲面）
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高空散装
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1989
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东莞雄狮大酒店太极厅
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双
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短程线形
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D14.5
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8.61
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10.9（按曲面）
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无支架高空散装
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1989
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北京东城区少年宫天象厅
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单
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短程线形
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D12
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8
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14（按曲面）
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高空散装
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1990
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哈尔滨工贸大厦展厅
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单
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Schwelder型
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D21.82
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8.084
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高空散装
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1990
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南戴河环球游乐宫
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双
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类正放四角锥
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D20.5
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6.844
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36.7
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高空散装
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1990
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抚顺南输工程2万方油罐
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单
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短程线形
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2个D36.6
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5.2
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32.27
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高空散装
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1990
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抚顺南输工程3万方油罐
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单
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短程线形
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2个D45.6
|
6.5
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31.62
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高空散装
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1990
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哈尔滨花园村宾馆
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单
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K6型
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D12.88
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6.44
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66.6
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高空散装
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1990
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大同矿物局选煤厂浓缩池顶盖
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单
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短程线形
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4个D30
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中国科技馆球幕影院
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双
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短程线形
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D35×1.5
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25.5
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高空散装
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1991
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福州师专阶梯教室
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局部双
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K6型
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D19.87×1.28
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4.3
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18.5（按曲面）
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高空散装
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1991
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济南民航侯机楼
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单
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|
2个D24
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3.42
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16
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高空散装
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1991
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济南长途汽车站
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双
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K10-联方型
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D45
|
9
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