【門窗幕墻網(wǎng)】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(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”。上期期中國(guó)幕墻網(wǎng)ALwindoor.com小編就給大家介紹網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)：特點(diǎn)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)elixCandela，NicolasEsquillan,HeinzIsler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(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(zhǎng)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(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(duì)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  

▲GalleriaVittorioEmanueleII(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(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(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(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(duì)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(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(RooffortheMultihalle(multi-purposehall)，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(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)。

▲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DownlandMuseum。采用的也是類似的施工方式。  

▲DownlandMuseum施工過程  

▲DownlandMuseum的節(jié)點(diǎn)  

2011年，SolidayforumCafe，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(tái)吊車幾天就搞定了。  

▲Solidayforumcafe  

小結(jié)  

看過這篇文章，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。  

▲SteelgridshelloverthecourtyardoftheNationalMaritimeMuseum,Amsterdam,2011  

▲MineralspasinStuttgart  

▲PsychosomaticClinicBadNeustadt  

▲GlassroofforDZ-bank1998  

▲Thedouble-layergridshellwithexternalbracingoftheChiddingstoneOrangeryinKent,UK,2007  

參考文獻(xiàn)  

1.點(diǎn)擊查看www.sbp.de  

2.StudyontheAssembledHubjointsinsingle-layerreticulateddomes,IASS2017  

3.PastandFutureofGridShellStructures-MIT  

4.Stabilityofelasticgridshells-MIT  

5.ConstructionoftheDownlandGridshell  

6.Form-FindingofElasticGridshells-MIT  

7.Shellstructureforarchitecture.  

8.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，沈世釗、陳昕等，1999