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說(shuō)到網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，首先我們看下定義。“網(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”。
▲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。
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(wèn)題會(huì)出現(xiàn)在網(wǎng)殼上。比如：整體穩(wěn)定問(wèn)題；不對(duì)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(duì)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(guò)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(guò)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^(guò)于簡(jiǎn)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(lái)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(jiǎn)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)。“穹頂沿著經(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(lái)，而鋼管桿件幾乎絲毫未損。”
▲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(dòng)，甚至也可能相對(duì)滑動(dòng)，大大降低了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
2）根據(jù)簡(jiǎn)化的薄膜理論設(shè)計(jì)，鋼網(wǎng)殼的整體穩(wěn)定承載力過(guò)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(huì)想，那網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)以后是不是會(huì)被淘汰呢？下面我們就來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題。
網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的未來(lái)
說(shuō)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，就得從混凝土薄殼開始說(shuō)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(lái)，而且模板僅能用一次，無(wú)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(zhǎng)，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(lái)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(lái)完成覆蓋。
同時(shí)，如果所有的桿件長(zhǎng)度均相同，節(jié)點(diǎn)也標(biāo)準(zhǔn)化，那么網(wǎng)架的制造過(guò)程將會(huì)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(jiǎn)單的平面網(wǎng)格來(lái)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(lái)如果機(jī)器人參與建造，那么曲面對(duì)它們來(lái)說(shuō)不過(guò)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。可以看出，這個(gè)網(wǎng)殼沒(méi)有斜桿，它是利用桿件的抗彎能力來(lái)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(guó)際博覽會(huì)上的美國(guó)館——一座直徑為76m的3/4球形建筑。
▲蒙特利爾世博會(huì)美國(guó)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(huì)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(duì)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(zhǎng)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(wú)法承受荷載。最終，桿件的截面確定為6cmx4cm。
▲施工過(guò)程
拉索被安排在桿件形成網(wǎng)格殼體以后張拉。經(jīng)過(guò)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(duì)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(huì)來(lái)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(lái)自私人捐贈(zèng)，預(yù)算有限；其次，博物館方面希望屋頂對(duì)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(méi)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(lái)加強(qiáng)筒殼。
▲拉索隔板對(duì)剛度的加強(qiáng)
桿件通過(guò)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(duì)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(guò)逆吊法找出來(lái)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(guò)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(guò)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(dòng)。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(lái)的正方形網(wǎng)格轉(zhuǎn)變?yōu)榱庑?。同時(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)。
▲曼海姆大廳施工中
▲曼海姆大廳完成后
2000年，奧托和與坂茂合作了漢諾威世博會(huì)日本館，采用了與曼海姆大廳類似的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，只是屋面網(wǎng)格的木材換成了紙卷。
2002年，在英國(guó)星格爾頓建造了Downland Museum。采用的也是類似的施工方式。
▲Downland Museum施工過(guò)程
▲Downland Museum的節(jié)點(diǎn)
2011年，Soliday forum Cafe，Paris采用了GFRP來(lái)建造。桿件直徑42mm、壁厚3.5mm的GFRP管現(xiàn)在地上鋪設(shè)好，隨后僅用兩臺(tái)吊車幾天就搞定了。
▲Soliday forum cafe
小結(jié)
看過(guò)這篇文章，大家對(duì)網(wǎng)殼應(yīng)該有一個(gè)大概的了解。有機(jī)會(huì)做網(wǎng)殼的時(shí)候，不妨嘗試一下。
限于篇幅，還有一些案例僅羅列圖片。
▲Steel gridshell over the courtyard of theNational Maritime Museum, Amsterdam, 2011
▲Mineral spas in Stuttgart
▲Psychosomatic Clinic Bad Neustadt
▲Glass roof for DZ-bank 1998
▲The double-layer gridshell with external bracing of the Chiddingstone Orangery in Kent, UK, 2007
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