网壳结构建筑

山东建筑大学·建筑成规学院·建筑技术科学方向李家男现代建筑体系调研大跨度结构——网壳结构目录网壳结构的引出中国网壳结构的发展网壳结构的形式网壳结构的组成及特点网壳结构的实例参考书目网壳结构的引出网壳结构的引出•网壳结构的雏形---穹顶结构–在人类社会的发展历程中,大跨度空间结构常常是建筑人员追求的梦想和目标。其中,网壳结构的发展经历了一个漫长的历史演变过程。–古代的人类通过详细观察,发现自然界中存在大量受力特性良好、形式简洁美观的天然空间结构,如蛋壳、蜂窝、鸟类的头颅、肥皂泡、山洞等。–利用仿生原理,人类得以更好地理解和发展空间结构。古代的人类为了有一个好的生存空间,常常以树枝为骨架、以稻草为蒙皮来建造穹顶结构,后来又以皮革或布匹代替稻草,即现在常见的帐篷。经过长期的工程实践,人类认识到穹顶能以最小的表面封闭最大的空间,而且所耗用的材料也比较经济。穹顶的发展与建筑材料的发展是密切相关的。建于公元120~124年的罗马万神庙是早期穹顶的典型代表,该穹顶基面为44m的圆。网壳结构的引出–中世纪,木材成为穹顶结构的主要覆盖材料;到19世纪,铁的应用为穹顶的发展开创了一个新纪元,使覆盖大跨度建筑物成为可能。–近代,钢筋混凝土结构理论的出现及应用使穹顶的厚度大大降低,薄壳穹顶受到人们的极大关注,从而开辟了结构工程新领域。网壳结构的引出1922年在德国耶拿建造了土木工程史上第一座钢筋混凝土薄壳结构----耶拿天文馆,其净跨为25m,顶厚为60.3mm,厚跨比大约为1/400.–现代,优质钢材的使用更是影响各种形式大跨穹顶网壳发展的一个重要因素。–钢筋混凝土薄壳结构尽管有诸多优点,但经过若干年工程实践,工程技术人员逐渐发现这种结构的缺点:钢筋混凝土薄壳施工时需要架设大量模板,工作量很大,施工速度较慢,工程造价高。因而人们对之逐渐丧失兴趣,开始寻求新的结构构造形式。随着铁、钢材、铝合金等轻质高强材料出现及应用,富有想象力的工程师开始了对穹顶结构各种杆件形式网壳的发展。网壳结构的引出–公认的穹顶结构之父德国工程师施威德勒对穹顶网壳的诞生与发展起了关键性的作用,他在薄壳穹顶的基础上提出了一种新的构造型式,即把穹顶壳面划分为经向的肋和纬向的水平环线,并连接在一起,而且在每个梯形网格内再用斜杆分成两个或四个三角形,这样穹顶表面的内力分布会更加均匀,结构自身重量也会进一步降低,从而可跨越更大空间。这样的穹顶结构实际上已是真正的网壳结构,即沿某种曲面有规律的布置大致相同的网格或尺寸较小的单元,从而组成空间杆系结。网壳结构的引出·网壳结构的诞生中国网壳结构的发展–我国的空间结构在上世纪50年代末较多地采用薄壳结构、悬索结构，60年代中采用网架结构，80年代较多地采用网壳结构，直到21世纪,这些比较传统的近代空间结构,除薄壳结构外,均获得了长期蓬勃的发展,工程项目遍布全国城镇各地。–网壳结构在我国解放初曾有所应用，当时主要是一类联方型的网状筒壳，材料为型钢或木材跨度在30M左右，如扬州苏北农学院体育馆、南京展览中心(551厂)、上海长宁电影院屋盖结构等。中国网壳结构的发展–作为有影响的我国第一幢大跨度网壳结构是天津人民体育馆屋盖，采用带拉杆的联方型圆柱面网壳，平面尺寸为52mx68m，矢高为8.7m，用钢指标为45kg/时，该网壳1956年建成，1973年因失火而重建。中国网壳结构的发展–到目前为止，据不完全统计，我国已建成各类网壳结构工程100多幢，其中80%是近20年兴建的。1989年建成的北京奥林匹克体育中心体育馆，平面尺寸70mx83.2m，采用人字形截面双层圆柱面斜拉网壳，为目前国内跨度最大的筒状网壳结构;中国网壳结构的发展–1994年建成的第43届世乒赛天津体育中心体育馆双层球型网壳跨度(直径)I08m，覆盖跨度(直径)135m，为我国跨度最大的球面网壳结构。中国网壳结构的发展–中国国家大剧院采用双层椭球形空腹网壳结构，东西跨度212.24m，南北跨度143.64m，弯顶标高46.29m。中国网壳结构的发展网壳结构的组成及特点网壳结构的组成及特点•网壳的定义–指用较短的杆件，以一定的规律和足够的密度组成网格，按实体壳体的形状进行布置的空间构架，兼具杆系和壳体的性质。网壳结构承载的特点和薄壳相似，主要承载方式是薄膜作用。作用力通过壳面内两个方向拉力或压力以及剪力逐点传递，除薄膜力外，壳体结构还存在弯曲内力。短杆件外界的力组成网格外界的力网壳结构的组成及特点•网壳结构的特点–兼有平板网架结构和薄壳结构的优点–构造和施工方法简单–造型优美，受力合理惠州市体育馆哈尔滨工业大学逸夫楼体育馆天津博物馆•天津博物馆–天津博物馆占地面积约3万平方米，共分为三层，从外面看建筑设计整体就像一只正在展翅高飞的天鹅。据介绍，天津博物馆是天津市规模最大、种类最为齐全的博物馆，也将是天津市文物精品的大荟萃。网壳结构的组成及特点网壳结构的组成及特点·网壳结构的支撑•网壳结构的支撑–网壳结构的支撑有很多种类型，根据支撑的体系可以大概分为混凝土柱支撑、混凝土框架体系支撑、悬索结构支撑、网壳支撑、拱结构支撑等等。–李渡体育中心位于重庆直辖市涪陵区，采用“两馆一场”（体育馆、游泳馆和体育场）的设计布局。其中游泳馆屋顶的凹网壳和凸网壳采用混凝土框架支撑，而体育馆的观众部分的屋顶则采用悬索支撑。网壳结构的组成及特点·网壳结构的支撑李渡体育中心网壳结构的组成及特点·网壳结构的支撑天津极地海洋世界–天津极地海洋馆钢结构屋盖采用仿生学原理模拟鲸鱼的外形。鲸鱼鱼身长为275m，宽为117m，高为45.6m，采用双层网壳结构。尾部背鳍高694m，采用空间管析架结构。结构多支承于混凝土柱顶整体结构共设置74个支座，包括66个网壳支座和8个背鳍落地支座，其中网壳支座采用带有一定弹性刚度的盆式橡胶支座，背鳍落地支座采用固定铰支座。网壳结构的分类网壳结构的形式按层数分类单层网壳双层网壳三层网壳按曲面外形筒网壳球面网壳扭网壳按形成材料木网壳、玻璃网壳、钢筋混凝土网壳（老山自行车馆）、钢网壳、铝合金网壳、塑料网壳等网壳结构的形式•单层网壳结构–指用较短的杆件，以一定的规律和足够的密度组成网格只有一层，这种网壳结构适用于中小跨度(≤40米)–上海科技馆位于上海浦东花木行政中心区,场地面积68726㎡,主楼建筑面积88000㎡,最高层数4层,最高点49m,层高10m。在建筑物中轴线上有一由单层网壳和通透玻璃组成的椭圆球体大厅。网壳结构的形式·单层网壳网壳结构的形式·双层网壳•双层网壳结构–比单层网壳具有更高的稳定性和承载力，可有效利用空间，方便天花或吊顶构造。–四川省德阳市体育馆是四川省运动会的主要比赛场馆之一。该馆位于德阳市中心区，建筑面积11200㎡，屋盖结构为双曲抛物面正交斜放双层钢网壳。网壳曲面矢高14.5m，最高点上弦球中心标高32.10m，屋盖复盖平面面积为5575.680㎡。网壳结构的形式·三层网壳•三层网壳结构–比双层网壳具有更高的稳定性和承载力，跨度可达100米以上。–右图为某体育场某体育场馆长轴114m，柱轴线90m，网壳矢高21m，网壳厚度为2m。建筑考虑了多功能，平时练习用4个篮球场，屋盖平面为各边为圆弧线六边形，投影面积约为7800m2，由六块正高斯曲率的双曲网壳组成双曲组合网壳。屋盖支承在六根钢管混凝土柱上，柱的连线组成六边形。屋盖采用两向桁架三层网壳。网壳结构的形式·筒网壳筒网壳单层筒网壳双层筒网壳平面体系双层筒网壳四角锥体系双层筒网壳三角锥体系双层筒网壳网壳结构的形式·单层筒网壳•单层筒网壳–新青岛火车站的屋面结构而整个站台上空将有5500㎡的无柱风雨棚，旅客在站台上就能看到明朗的天空。新青岛火车站网壳结构的形式·双层筒网壳•平面体系双层筒网壳–同济大学大礼堂建成于1962年，原建筑面积3600平方米，为装配式现浇钢筋混凝土联方网架结构。该建筑1999年10月获“新中国50年上海经典建筑”提名奖，近年被列入上海市第四批优秀历史建筑名单。。网壳结构的形式·双层筒网壳•四角锥体系双层筒网壳–北京体育大学网球竞技馆力求体现出一种源于生态环境下的运动与生命，构思源于网球球拍的形状，或者像网球飞跃的弧线。网壳结构的形式·双层筒网壳•四角锥体系双层筒网壳–首都国际机场职工体育活动综合馆总建筑面积4492㎡，由清华大学建筑设计院设计，该屋盖钢网壳下弦支承在不等高的24根钢筋混凝土柱顶上。钢网壳的平面尺寸为56m×56m的正方形，跨度为48m，矢高3.85m.采用正放四角锥形式，节点采用螺栓球。球面网壳单层筒网壳双层筒网壳网壳结构的形式·球面网壳网壳结构的形式·球面网壳单层球面网壳肋环型网格施伟特勒型网格联方型网格凯威特型网格三向网格短程线型网格•肋环型网格–只有径向杆和纬向杆，网格呈四边形，似蜘蛛网•施伟特勒型网格–由径向网肋、环向网肋和斜向网肋构成•联方型网格–由左斜肋和右斜肋构成的菱形网格，两斜肋交角30°～50°网壳结构的形式·单层球面网壳•凯威特型网格–用n根径向杆将球面划分成n个扇形曲面，再在每个扇形曲面内用纬线杆和斜向杆划分成比较均匀的三角形网格.•三向网格型–由竖平面相交成60°的三族竖向网肋构成；适合中小跨度穹顶•短程线型球壳–圆球内接的最大正多面体是正二十面体；杆长规格最少且杆长最短的球壳网格。网壳结构的形式·单层球面网壳•双层球网壳：–用由两个同心的单层球面通过腹杆连接而成；其形成与单层网壳相同。–北京2008奥运会老山自行车赛馆位于北京石景山区老山街，屋盖采用双层球面网壳结构，覆盖直径149.536,m，矢高14.69,m，矢跨比约为1/10，表面积约为18,240㎡．网壳支承于倾斜人字形钢柱及柱顶环形桁架之上，柱顶支承跨度为133.06,m．网壳厚度2.8m，为跨度的1/47.5．屋盖以金属屋面板为主，中部设玻璃采光带．钢结构总用钢量为2,040,t，合112,kg/㎡，其中双层球面网壳用钢量约70,kg/㎡．该网壳为目前我国跨度最大的双层球面网壳结构。网壳结构的形式·双层球面网壳网壳结构的形式·双层球面网壳扭网壳单层扭网壳双层扭网壳两向正交正放网格两相正交斜放网格正交正放网格正交斜放网格网壳结构的形式·扭网壳网壳结构的形式·扭网壳•单层正交正放扭网壳：–杆件沿两个直纹方向设置•益阳市人民法院公判厅–屋盖由四个扭壳组成，扭壳周边为支撑，水平投影尺寸为18×24M,失高3m.网壳拼装时需注意荷载的对称性。本工程采取从十字脊线交点开始向四角方向同时拼装,而星而板则山四角同时向卜字脊线交点方向铺设。这样便保证了施工时荷载的均匀性。网壳结构的形式·扭网壳•单层正交斜放扭网壳：–杆件沿曲面最大曲率方向设置，杆件受力最直接•双层正交正放扭网壳：–两组桁架垂直相交且平行或垂直于边界•双层正交斜放扭网壳：–两组桁架垂直相交但于边界成45°斜交–北京石景山体育馆网壳结构的形式·双层扭网壳•北京石景山体育馆：–石景山体育馆屋盖平面为正三角形，边长99.7m。屋盖的三个角悬挑在外墙面之外13.35m。体育馆是一个每边长99米的等三角形，三面屋檐高高挑起，象一架跃跃欲试的航天飞机，造型别致新颖，使人浮想联翩，在这里曾多次举办国内外大型比赛。•木结构网壳---球面木网壳–就大跨空间结构而言，使用钢材能达到的跨度，使用木材同样可以达到，世界各国采用空间结构形式已建成了众多的大型木结构建筑。–日本秋田县大馆市体育馆，建筑外观呈半个巨卵形状，长向跨度达178m,短向跨度为157m,两个方向均采用胶合木拱交叉布置，系现知跨度最大的木结构网壳。网壳结构的形式·木网壳•木结构网壳---球面木网壳–1980年，美国塔科马市为了刺激经济，决定建造一个多功能赛场和一个会议中心。最终塔科马穹顶公司的木结构穹顶方案从众方案中脱颖而出。–穹顶屋面的主要受力构件为414根截面尺寸为200mm×762mm的胶合木梁。每根胶合木梁均根据穹顶表面的曲线被弯成曲线形，进而通过金属连接件将其连接，形成球形的单层网壳结构。网壳结构的形式·木网壳•玻璃网壳结构–自密斯起，钢结构和玻璃一直是德国建筑师的偏爱。其优美．轻盈