一文讀懂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

2019-09-16

說到網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，首先我們看下定義?！熬W(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是將桿件沿著某個(gè)曲面有規(guī)律地布置而形成的空間結(jié)構(gòu)體系，其受力特點(diǎn)與薄殼結(jié)構(gòu)類似，是以“薄膜”作用為主要受力特征的，即大部分荷載由網(wǎng)殼桿件的軸向力承受”。（網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，沈世釗、陳昕等，1999）

▲大英博物館中庭（倫敦, 2000）

▲MilanoTrade Fair（Milan，2002-2005）

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的定義有三個(gè)關(guān)鍵詞：“曲面”、“桿件”、“薄膜作用”。我們從而可以找到網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)體系中的位置。

圖片來源：“設(shè)計(jì)中的決策——沒有最好，只有最合適”

網(wǎng)殼受力方式為薄膜作用，屬于拱結(jié)構(gòu)向三維的拓展；因此，與拱類似的問題會出現(xiàn)在網(wǎng)殼上。比如：整體穩(wěn)定問題；不對稱荷載敏感等。

▲網(wǎng)殼的各種網(wǎng)格形式

網(wǎng)殼由離散桿件組成，可以看作由連續(xù)殼體去除效率低下部分得到，其材料使用更少，但也因此冗余度比較低。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)還需要關(guān)注節(jié)點(diǎn)的剛度、施工的誤差等。

▲單層網(wǎng)殼的常用節(jié)點(diǎn)

基于以上特點(diǎn)，我們可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性比較差，冗余度比較低，且對荷載分布方式、節(jié)點(diǎn)剛度敏感。所以很多結(jié)構(gòu)工程師不愿意用網(wǎng)殼，而網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)也的確出過一些事故。

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的兩個(gè)倒塌事故

查爾斯威廉郵政學(xué)院穹頂

查爾斯.威廉郵政學(xué)院（CharlesWilliam Post College）于1970年建造了一個(gè)劇院。屋面采用鋼結(jié)構(gòu)穹頂，穹頂直徑約52米，由環(huán)繞于四周的鋼柱支承，鋼柱間沿經(jīng)線均勻布置四十榀鋼管桁架。穹頂頂部設(shè)鋼壓力環(huán)，底部采用圓形的雨棚作為拉力環(huán)。緯向每隔一格布置連續(xù)十字交叉支撐。

▲穹頂結(jié)構(gòu)布置示意圖

1978年１月21日凌晨，劇院穹頂卻因積雪和結(jié)冰導(dǎo)致中心突然凹陷，隨即整體倒塌。

▲倒塌時(shí)的荷載分布情形

經(jīng)過專家組的調(diào)查，最主要的原因就是設(shè)計(jì)時(shí)不當(dāng)?shù)夭捎眠^于簡化的計(jì)算方法——只計(jì)算了均布自重及活荷載，而未考慮活荷載不利布置。

當(dāng)晚，大雪在風(fēng)力作用下在穹頂上產(chǎn)生了飄移，雪堆積在背風(fēng)面造成了不均勻荷載。雖然總體雪荷載只有設(shè)計(jì)總荷載的1/4，但卻集中在屋頂表面的1/3區(qū)段，不均勻荷載分布造成了倒塌。

▲結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的示意圖

倒塌的另一個(gè)原因是，結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)時(shí)錯(cuò)誤的將薄膜理論應(yīng)用于網(wǎng)格穹頂。設(shè)計(jì)中并未建立桿系模型來驗(yàn)算其整體穩(wěn)定性。

布加勒斯特穹頂(Bucharest Dome)

羅馬尼亞布加勒斯特穹頂1961年建成，跨度約93.6米，矢跨比約1:5。鋼管桿件構(gòu)成的單層網(wǎng)殼，網(wǎng)格呈等邊三角形式，支承在沿圓形周邊布置的混凝土柱上。在網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)處有三個(gè)方向鋼管匯交，如何連接？

▲網(wǎng)殼的三角形網(wǎng)格

工程師設(shè)計(jì)了一種用金屬絲綁扎的方式。這種連接方式使構(gòu)件都能貫通，大大簡化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、節(jié)省了組裝成本。

▲鋼管匯交節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)做法

1963年1月，穹頂在僅僅1/3設(shè)計(jì)雪荷載的作用下，發(fā)生了整體失穩(wěn)?！榜讽斞刂?jīng)線方向出現(xiàn)多條波峰波谷，像一個(gè)倒轉(zhuǎn)的盤子一樣塌了下來，而鋼管桿件幾乎絲毫未損?！?/p>

▲失穩(wěn)形態(tài)示意圖

事故調(diào)查表明，穹頂整體失穩(wěn)有兩個(gè)主要原因：

1）鋼管匯交節(jié)點(diǎn)采用的綁扎方式。該方式不能限制桿件間的轉(zhuǎn)動，甚至也可能相對滑動，大大降低了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2）根據(jù)簡化的薄膜理論設(shè)計(jì)，鋼網(wǎng)殼的整體穩(wěn)定承載力過低。實(shí)際需要根據(jù)桿件網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

▲失穩(wěn)前（左）；失穩(wěn)后（右）

看到這里，大家可能會想，那網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)以后是不是會被淘汰呢？下面我們就來回答這個(gè)問題。

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的未來

說網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，就得從混凝土薄殼開始說起。在20世紀(jì)中葉，混凝土薄殼蓬勃發(fā)展。EduardoTorroja，F(xiàn)elix Candela，Nicolas Esquillan,Heinz Isler等在世界各地都實(shí)踐了很多混凝土薄殼作品。他們的殼體纖薄明快，放到現(xiàn)在看也都是建筑與結(jié)構(gòu)融合的精品。

▲混凝土薄殼案例

雖然混凝土薄殼效率很高、外形優(yōu)美，但現(xiàn)今已基本上淘汰了。究其原因，建造一個(gè)混凝土薄殼之前，先要用模板把異形、復(fù)雜的曲面搭建出來，而且模板僅能用一次，無法重復(fù)利用。

這導(dǎo)致施工需要耗費(fèi)大量的模板和人工，在20世紀(jì)中葉，節(jié)省的材料費(fèi)可以抵消這部分費(fèi)用。但隨著進(jìn)入21世紀(jì)，人工費(fèi)急速增長，因此，混凝土薄殼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性急劇下降。

▲單層網(wǎng)殼

于是人們開始用效率更高的單層網(wǎng)殼來代替混凝土薄殼。但網(wǎng)殼同樣制作、安裝同樣比價(jià)困難，那網(wǎng)殼發(fā)展的方向在哪里呢？

1）桿件的輕型化和標(biāo)準(zhǔn)化。

網(wǎng)架的傳力效率高，所以可以用最少的材料來完成覆蓋。

同時(shí)，如果所有的桿件長度均相同，節(jié)點(diǎn)也標(biāo)準(zhǔn)化，那么網(wǎng)架的制造過程將會大大節(jié)省。這方面施萊希做了很多探索。

2）利用材料的韌性，將復(fù)雜的曲面殼體建造轉(zhuǎn)換為簡單的平面網(wǎng)格來制造。

這是Otto在20世紀(jì)60年代應(yīng)用在曼海姆多功能廳的思路。

3）數(shù)字化建造的發(fā)展。

未來如果機(jī)器人參與建造，那么曲面對它們來說不過是一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)組合而成。彼時(shí)，建造成本將大大下降。

輕型網(wǎng)殼的探索

▲Galleria Vittorio Emanuele II（Milan,1865-1877）

這是一個(gè)古老的鑄鐵網(wǎng)殼，建于19世紀(jì)后期?？梢钥闯?，這個(gè)網(wǎng)殼沒有斜桿，它是利用桿件的抗彎能力來抵抗平面的扭轉(zhuǎn)。

提高平面內(nèi)剛度的直接方式是采用三角形網(wǎng)格。富勒發(fā)明了短線呈穹頂，并應(yīng)用于1967年蒙特利爾國際博覽會上的美國館——一座直徑為76m的3/4球形建筑。

▲蒙特利爾世博會美國館（1967）

三角形網(wǎng)格固然穩(wěn)定，但是不夠通透不夠輕。而施萊希想做四邊形網(wǎng)格。第一個(gè)機(jī)會是在Neckarsulm游泳館。建筑師希望游泳館的頂蓋是球體的一部分。

▲Neckarsulm游泳館

施萊希采用了四邊形網(wǎng)格劃分的球殼。網(wǎng)格桿件承擔(dān)軸力，增設(shè)拉索拉結(jié)對角節(jié)點(diǎn)，保證四邊形網(wǎng)格的穩(wěn)定性。

▲屋頂節(jié)點(diǎn)

為了運(yùn)輸和安裝的方便，所有的桿件被設(shè)計(jì)成了1m的標(biāo)準(zhǔn)長度，在節(jié)點(diǎn)處由螺栓連接。

為了保證球面的光順，桿件不能太剛，需要可以微小地彎曲和扭轉(zhuǎn)。但也不能太柔，否則無法承受荷載。最終，桿件的截面確定為6cmx4cm。

▲施工過程

拉索被安排在桿件形成網(wǎng)格殼體以后張拉。經(jīng)過試驗(yàn)和計(jì)算分析，可以看到，增加拉索后結(jié)構(gòu)的變形大大減小。

▲試驗(yàn)結(jié)果

施萊希對上這個(gè)工程并不十分滿意，覺得建筑跟結(jié)構(gòu)結(jié)合地很生硬。他認(rèn)為這種網(wǎng)殼體系可以適應(yīng)任何形狀。很快他的下一個(gè)機(jī)會來了。

▲漢堡博物館中庭的建筑師草圖

漢堡博物館中庭要加建一個(gè)頂棚。中庭平面呈L形，一端寬度14m、一端寬度17m。

這個(gè)項(xiàng)目有兩個(gè)主要訴求。首先，該項(xiàng)目資金來自私人捐贈，預(yù)算有限；其次，博物館方面希望屋頂對原有建筑盡量少地產(chǎn)生影響。所以，屋面需要盡可能地輕、少用材料，同時(shí)看上去要輕盈。

▲中庭加建的屋面

屋面結(jié)構(gòu)在L形的兩部分采用了單曲的筒殼，交匯處采用了雙曲殼體。殼體采用四邊形網(wǎng)格劃分，這樣的網(wǎng)格劃分形式可以看作一榀榀拱排列著，拱之間用縱向用桿件聯(lián)系。

▲中庭屋面的平面和三維圖

可以想見，各榀拱之間幾乎沒有共同作用的能力。如下圖所示，在集中力作用的a點(diǎn)變形很大，但相鄰的b、c點(diǎn)則變形迅速收小。

▲集中力作用下屋面的變形示意圖

因此，施萊希每隔一段間距，采用了拉索隔板來加強(qiáng)筒殼。

▲拉索隔板對剛度的加強(qiáng)

桿件通過螺栓與中間圓柱形節(jié)點(diǎn)相連，正交拉索連接網(wǎng)格的對角節(jié)點(diǎn)，以增加網(wǎng)格剛度。拉索不僅增加了剛度，也減小了桿件承受的彎矩。

▲網(wǎng)殼連接節(jié)點(diǎn)

網(wǎng)殼底部放置鋼梁，將荷載盡量均勻傳遞到下部原有建筑上。

▲網(wǎng)殼底部節(jié)點(diǎn)

一類特殊網(wǎng)殼的發(fā)展

曼海姆多功能大廳屋頂（Roof for the Multihalle (multi-purpose hall) ， Mannheim, Germany/1970–1975）

曼海姆多功能的形狀是通過逆吊法找出來的。該結(jié)構(gòu)的最大跨度約為60mx80m。如果將結(jié)構(gòu)中木材的總量平攤到殼體的面積上，其高度不超過4cm。按照跨度等比例縮放的話，該厚度比雞蛋殼還要薄。

施工方式如下：首先將木條鋪設(shè)成水平正方形網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處通過可調(diào)節(jié)孔用銷釘不緊密地連接，以確保木條之間能發(fā)生轉(zhuǎn)動。然后將網(wǎng)格的若干點(diǎn)向上頂升直到呈現(xiàn)出設(shè)計(jì)的形狀。

最終形態(tài)與初始形態(tài)相比，原來的正方形網(wǎng)格轉(zhuǎn)變?yōu)榱庑巍Ｍ瑫r(shí)，單根5cmx5cm木條剛度很小，允許發(fā)生足夠大的彎曲變形。在達(dá)到設(shè)計(jì)形狀后，需要修整外殼的邊緣；并且在菱形網(wǎng)格中增設(shè)交叉拉索，使柔軟的網(wǎng)格成為堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。