1、網(wǎng)殼是什么
網(wǎng)殼是一種與平板網(wǎng)架類似的空間桿系結(jié)構(gòu)，系以桿件為基礎(chǔ)，按一定規(guī)律組成網(wǎng)格，按殼體結(jié)構(gòu)布置的空間構(gòu)架，它兼具桿系和殼體的性質(zhì)。其傳力特點(diǎn)主要是通過殼內(nèi)兩個(gè)方向的拉力、壓力或剪力逐點(diǎn)傳力。此結(jié)構(gòu)是一種國內(nèi)外頗受關(guān)注、有廣闊發(fā)展前景的空間結(jié)構(gòu)。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)又包括單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、肋環(huán)型索承網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、單層叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等。
2、網(wǎng)殼的發(fā)展史
網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的雛形——穹頂結(jié)構(gòu)。在人類社會(huì)的發(fā)展歷程中,大跨度空間結(jié)構(gòu)常常是建筑人員追求的夢(mèng)想和目標(biāo)。其中,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)漫長的歷史演變過程。古代的人類通過詳細(xì)觀察，利用仿生原理，為了有一個(gè)更好的生存空間，常常以樹枝為骨架、以稻草為蒙皮來模仿如蛋殼、鳥類的頭顱、山洞的，搭造穹頂結(jié)構(gòu)，即最初的帳篷。隨著建筑材料的發(fā)展，穹頂?shù)氖?，后面逐漸被磚石取代。穹頂?shù)目缍纫话悴淮?，?0m~40m左右，其中建于公元120～124年的羅馬萬神廟是早期穹頂?shù)牡湫痛?。?9世紀(jì)，鐵的應(yīng)用為穹頂?shù)陌l(fā)展開創(chuàng)了一個(gè)新紀(jì)元，近代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理論的出現(xiàn)及應(yīng)用開辟了大跨度薄殼穹頂?shù)男骂I(lǐng)域。1922年在德國耶拿建造了土木工程史上第一座鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)———耶拿天文館。
耶拿天文館
隨著鐵、鋼材、鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)材料出現(xiàn)及應(yīng)用,富有想象力的工程師開始了對(duì)穹頂結(jié)構(gòu)使用各種桿件形式。公認(rèn)的“穹頂結(jié)構(gòu)之父”—德國工程師施威德勒對(duì)穹頂網(wǎng)殼的誕生與發(fā)展起了關(guān)鍵性的作用, 他在薄殼穹頂?shù)幕A(chǔ)上提出了一種新的構(gòu)造型式,即把穹頂殼面劃分為經(jīng)向的肋和緯向的水平環(huán)線,并連接在一起，而且在每個(gè)梯形網(wǎng)格內(nèi)再用斜桿分成兩個(gè)或四個(gè)三角形,這樣穹頂表面的內(nèi)力分布會(huì)更加均勻,結(jié)構(gòu)自身重量也會(huì)進(jìn)一步降低,從而可跨越更大空間。這樣的穹頂結(jié)構(gòu)實(shí)際上已是真正的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),即沿某種曲面有規(guī)律的布置大致相同的網(wǎng)格或尺寸較小的單元,從而組成空間桿系結(jié)構(gòu)。
施威德勒網(wǎng)殼
3、已建成的網(wǎng)殼賞析
富勒球
1962年11月13日，經(jīng)過百般周折，加拿大終于獲得1967年蒙特利爾世博會(huì)的舉辦權(quán)。
蒙特利爾世博會(huì)美國館
在蒙特利爾世博會(huì)上，最顯眼的設(shè)計(jì)是一個(gè)巨大的圓球建筑，它就是巴克敏斯特•富勒（美國偉大的藝術(shù)家、發(fā)明家、設(shè)計(jì)科學(xué)家，1895—1983）設(shè)計(jì)的美國館。美國館圓球直徑76米，三角形金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)合理地組合成一個(gè)球體。整個(gè)設(shè)計(jì)簡潔、新穎，沒有任何多余的材料，建筑就像一個(gè)精致漂亮的水晶球。這個(gè)圓球場館的出現(xiàn)不僅使美國館成為這屆世博會(huì)的標(biāo)志建筑，也令設(shè)計(jì)者巴克敏斯特•富勒一舉成名。
亞斯總督酒店
亞斯總督酒店（yasviceroy hotel，abu dhabi）位于阿拉伯聯(lián)合酋長國的阿布扎比，由 lead 建筑事務(wù)所負(fù)責(zé)，并由 hani rashid + lise anne couture 兩位設(shè)計(jì)師負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。酒店一半建于陸地之上一半位于水面之上，看似分離的兩半又通過籠罩在外層的網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)融為一體，整幢建筑不僅夜色下優(yōu)雅夢(mèng)幻，在白天也能給人留下恢弘大氣之感。
同時(shí)規(guī)整對(duì)稱卻又逐漸變換的結(jié)構(gòu)桿件讓人的視線隨著線條不斷流轉(zhuǎn)，思維也沿著桿件的伸展發(fā)散開去。
穆爾島
網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)不僅適用于大跨結(jié)構(gòu)，它因其造型豐富的特點(diǎn)，也可用于搭建出像穆爾島（mur island）人工島嶼一樣奇特的建筑，來滿足人們強(qiáng)大的想象力。穆爾島是是為慶祝“格拉茨2003文化之都”建立而成，由美國紐約設(shè)計(jì)師維多艾肯西（vito acconci）設(shè)計(jì)，主結(jié)構(gòu)屋面為空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，兩邊各有橋梁串聯(lián)河岸。從河岸俯瞰，整個(gè)螺旋狀小島就象一個(gè)巨大的銀色貝殼，被認(rèn)為是藝術(shù)與建筑、夢(mèng)幻與現(xiàn)實(shí)融為一體的經(jīng)典之作。
深圳灣體育中心
網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)因其兼具受力合理、造型優(yōu)美、可以滿足復(fù)雜自由三維空間及最小內(nèi)支撐相互干擾的優(yōu)點(diǎn)，特別受到大型體育場館建筑的青睞。
具有“北有鳥巢，南有春繭”之稱的“春繭”就是2011年第26屆世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)的主會(huì)場——深圳灣體育中心。整體項(xiàng)目占地約30.74公頃，總建筑面積達(dá)25.6萬平方米，為深圳市的一座標(biāo)志性建筑。
深圳灣體育中心鋼結(jié)構(gòu)屬超大跨復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋由單層網(wǎng)殼（體育場、大樹廣場及其他公共區(qū)域）、雙層曲面網(wǎng)架（體育館和游泳館）及豎向支撐系統(tǒng)構(gòu)成。
層網(wǎng)殼為復(fù)雜的空間曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，平面長532.7m，寬240.4m，相對(duì)于落地點(diǎn)的最大高度42.3m（落地點(diǎn)標(biāo)高為+6.0m）。除大樹廣場外，整個(gè)屋面網(wǎng)殼由箱型截面構(gòu)件（高700mm，寬450mm）直接“編織”而成的四邊形網(wǎng)格構(gòu)成，網(wǎng)格的平均尺寸約為4050mm。
杭州奧體中心游泳館——“銀河幻影”獨(dú)特流線
該體育游泳館的造型相當(dāng)獨(dú)特。從圖中可以看出，其造型像蝴蝶的翅膀。但是聯(lián)系到其為一個(gè)游泳場館，給人感覺像一個(gè)巨大的“比基尼”
杭州奧體中心游泳館覆蓋下部混凝土結(jié)構(gòu)三個(gè)單元的屋蓋為一個(gè)完整的鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，自然延伸到8m平臺(tái)，屋頂曲面為自由曲面。
游泳館和體育館區(qū)域的屋蓋采用斜交斜放的變厚度雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼菱形網(wǎng)格邊長5m左右、對(duì)角線長度6.3mx9.2m左右。
4、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)找形
看完網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的一些建筑案例，我們從結(jié)構(gòu)方面談?wù)劸W(wǎng)殼結(jié)構(gòu)找形。關(guān)于結(jié)構(gòu)找形，網(wǎng)上可以搜索出大量的內(nèi)容，通常主流的分為三種：力密度法，動(dòng)力松弛法、非線性有限元法。關(guān)于這三種方法小編平時(shí)更喜歡用第三種即非線性有限元法，下面要著重介紹下非線性有限元法。
非線性有限元法的基本原理簡單來說就是采用逆吊的方式來完成找形，文字描述太枯燥，話不多說直接上例子。假如建筑給你一個(gè)屋面的表皮，例如一個(gè)圓形的表皮，見下圖。
建筑表皮
我們假設(shè)它四周均有混凝土屋面支撐，整個(gè)屋面為一個(gè)圓形的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。我們將其導(dǎo)入abaqus中，由于屋面通常受到均布的豎向面荷載，我們采用逆吊的方案，對(duì)其施加反向面荷載。
abaqus有限元模型
我們采用5mm厚的鋼板來模擬該殼體，這樣其抗彎剛度極小可以忽略不計(jì)，殼內(nèi)只有拉應(yīng)力沒有彎矩。這樣我們找到的形狀在均布?jí)毫ο職んw內(nèi)只有純壓力，沒有因?yàn)榭缍人鶐淼膹澗亍?br>
殼體結(jié)構(gòu)因?yàn)楸?，所以整體的抗彎性能很差，而通常其都是應(yīng)用于較大跨度的空間結(jié)構(gòu)，因此需要通過找形來解決因?yàn)榭缍榷鴰淼膹澗?，這也是找形的目的之一。接下來就是將abaqus算出來的殼體形狀導(dǎo)入犀牛，然后在平面上布置好殼桿件，將其投影到曲面上，形成的空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)就是我們最終需要的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，整個(gè)流程比較簡單就不詳細(xì)演示了。
找形結(jié)果
結(jié)構(gòu)實(shí)際受力圖
上述提到的找形方法屬于面找形法，小編本文想提到的是可以直接采用桿件找形法，即根據(jù)建筑體的表皮，直接布置桿件，對(duì)平面網(wǎng)殼進(jìn)行非線性有限元分析得到網(wǎng)殼最終的形狀，同樣舉例說明。假如采用單層凱威特型球面網(wǎng)殼來模擬上面那個(gè)屋頂，用小編團(tuán)隊(duì)編的工具箱，直接對(duì)其桿件找形，將其導(dǎo)入sap2000中（大家比較認(rèn)可的分析軟件），對(duì)面施加5kn/m2的面荷載，得到計(jì)算結(jié)果如下,圖中的3kn.m是由于雙向?qū)Ш蓪?dǎo)到桿件上，在每節(jié)桿件上產(chǎn)生的附加彎矩，而由于大跨形成的彎矩基本沒有,從每個(gè)節(jié)間桿件的彎矩圖就可以看出來。桿件的軸力圖看起來各個(gè)桿件均以軸力為主。
網(wǎng)殼桿件彎矩圖
網(wǎng)殼桿件軸力圖
5、結(jié)構(gòu)臆想之小蘋果
小編最近看到蘋果總部大樓的照片，突然想做一回建筑師，提點(diǎn)別的造型方案，可以做一個(gè)大的中庭，中庭上部為一個(gè)大跨度的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)屋頂，網(wǎng)殼的形狀即蘋果的logo。
蘋果總部大樓
小編說干就干，將蘋果logo導(dǎo)入abaqus中，在這里要說明一下，由于蘋果logo不對(duì)稱，還不知道被誰咬了一口，因此第一步將其導(dǎo)入abaqus中計(jì)算分析，找出殼體結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力流，這樣給我們后續(xù)布置殼體桿件時(shí)提供思路和指導(dǎo)。
蘋果logo的abaqus模型
經(jīng)過計(jì)算和分析，主體結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力流見下圖，然后開始根據(jù)蘋果的logo邊界尺寸布置結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼桿件，結(jié)構(gòu)布置的原則就是沿著主應(yīng)力流的方向，這些應(yīng)力流最終都將變?yōu)闅んw桿件的軸力。
蘋果logo網(wǎng)殼找形結(jié)果
找形分析得到的主應(yīng)力流
本文只布置蘋果部分，葉子部分跨度較小比較簡單，本文就不分析了。本結(jié)構(gòu)最大跨度約80m，初始起拱標(biāo)高約6m，對(duì)其找形，然后對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析，得到殼體桿件的彎矩約為1.3kn.m，基本為純受壓構(gòu)件。
蘋果網(wǎng)殼桿件彎矩圖
蘋果網(wǎng)殼桿件軸力圖
網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有其獨(dú)特的造型優(yōu)美，簡潔，具有條理，極致超薄，讓人看得賞心悅目，但作為結(jié)構(gòu)工程師遇到大跨網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)應(yīng)該從多方面對(duì)其計(jì)算分析，其初始缺陷、整體穩(wěn)定、殼腳支座的推力、施工模擬分析等都是需要注意的地方。但隨著計(jì)算軟件的越來越成熟，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)勢(shì)必會(huì)在以后的工程中得到更多的應(yīng)用。