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說到網(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，其受力特點與薄殼結(jié)構(gòu)類似，是以“薄膜（詞條“薄膜”由行業(yè)大百科提供）”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”。上期期中國幕墻網(wǎng)ALwindoor.com小編就給大家介紹網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)：特點及失敗案例。本期我們來看看網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)：未來與創(chuàng)新
網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的未來
說網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，就得從混凝土（詞條“混凝土”由行業(yè)大百科提供）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)致施工需要耗費大量的模板和人工，在20世紀(jì)中葉，節(jié)省的材料費可以抵消這部分費用。但隨著進(jìn)入21世紀(jì)，人工費急速增長，因此，混凝土薄殼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性急劇下降。
▲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，如果所有的桿件長度均相同，節(jié)點（詞條“節(jié)點”由行業(yè)大百科提供）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。
未來如果機器人參與建造，那么曲面對它們來說不過是一個個節(jié)點坐標(biāo)組合而成。彼時，建造成本將大大下降。
輕型網(wǎng)殼的探索
▲Galleria Vittorio Emanuele II(Milan,1865-1877)
這是一個古老的鑄鐵網(wǎng)殼，建于19世紀(jì)后期。可以看出，這個網(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。第一個機會是在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，保證四邊形網(wǎng)格的穩(wěn)定性。
▲屋頂節(jié)點
為了運輸和安裝的方便，所有的桿件被設(shè)計成了1m的標(biāo)準(zhǔn)長度，在節(jié)點處由螺栓連接。
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)過試驗和計算分析，可以看到，增加拉索后結(jié)構(gòu)的變形（詞條“變形”由行業(yè)大百科提供）大大減小。
▲試驗結(jié)果
施萊希對上這個工程并不十分滿意，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。很快他的下一個機會來了。
▲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頂棚。中庭平面呈L形，一端寬度14m、一端寬度17m。
這個項目有兩個主要訴求。首先，該項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點變形很大，但相鄰的b、c點則變形迅速收小。
▲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筒殼。
▲拉索隔板對剛度的加強
桿件通過螺栓與中間圓柱形節(jié)點相連，正交拉索連接網(wǎng)格的對角節(jié)點，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
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
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)格的若干點向上頂升直到呈現(xiàn)出設(shè)計的形狀。
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，單根5cmx5cm木條剛度很小，允許發(fā)生足夠大的彎曲變形（詞條“彎曲變形”由行業(yè)大百科提供）。在達(dá)到設(shè)計形狀后，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施工過程
▲Downland Museum的節(jié)點
2011年，Soliday forum Cafe，Paris采用了GFRP來建造。桿件直徑42mm、壁厚3.5mm的GFRP管現(xiàn)在地上鋪設(shè)好，隨后僅用兩臺吊車幾天就搞定了。
▲Soliday forum cafe
小結(jié)
看過這篇文章，大家對網(wǎng)殼應(yīng)該有一個大概的了解。有機會做網(wǎng)殼的時候，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
參考文獻(xiàn)
1.點擊查看 www.sbp.de
2. Study on the Assembled Hub joints insingle-layer reticulated domes, IASS2017
3. Past and Future of Grid Shell Structures-MIT
4. Stability of elastic grid shells-MIT
5. Construction of the Downland Gridshell
6. Form-Finding of Elastic Gridshells-MIT
7. Shell structure for architecture.
8. 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，沈世釗、陳昕等，1999
