1,、網殼是什么

網殼是一種與平板網架類似的空間桿系結構，系以桿件為基礎,，按一定規(guī)律組成網格,，按殼體結構布置的空間構架，它兼具桿系和殼體的性質,。其傳力特點主要是通過殼內兩個方向的拉力,、壓力或剪力逐點傳力。此結構是一種國內外頗受關注,、有廣闊發(fā)展前景的空間結構。網殼結構又包括單層網殼結構,、預應力網殼結構,、板錐網殼結構、肋環(huán)型索承網殼結構,、單層叉筒網殼結構等,。

2、網殼的發(fā)展史

網殼結構的雛形——穹頂結構,。在人類社會的發(fā)展歷程中,大跨度空間結構常常是建筑人員追求的夢想和目標,。其中,網殼結構的發(fā)展經歷了一個漫長的歷史演變過程。古代的人類通過詳細觀察,，利用仿生原理,，為了有一個更好的生存空間，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,，搭造穹頂結構,，即最初的帳篷。隨著建筑材料的發(fā)展,，穹頂的石料,，后面逐漸被磚石取代。穹頂的跨度一般不大,，在30m~40m左右,，其中建于公元120～124年的羅馬萬神廟是早期穹頂的典型代表。到19世紀,，鐵的應用為穹頂的發(fā)展開創(chuàng)了一個新紀元,，近代鋼筋混凝土結構理論的出現及應用開辟了大跨度薄殼穹頂的新領域。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構———耶拿天文館。

耶拿天文館

隨著鐵,、鋼材,、鋁合金等輕質高強材料出現及應用,富有想象力的工程師開始了對穹頂結構使用各種桿件形式。公認的“穹頂結構之父”—德國工程師施威德勒對穹頂網殼的誕生與發(fā)展起了關鍵性的作用, 他在薄殼穹頂的基礎上提出了一種新的構造型式,即把穹頂殼面劃分為經向的肋和緯向的水平環(huán)線,并連接在一起,，而且在每個梯形網格內再用斜桿分成兩個或四個三角形,這樣穹頂表面的內力分布會更加均勻,結構自身重量也會進一步降低,從而可跨越更大空間,。這樣的穹頂結構實際上已是真正的網殼結構,即沿某種曲面有規(guī)律的布置大致相同的網格或尺寸較小的單元,從而組成空間桿系結構。

施威德勒網殼

3,、已建成的網殼賞析

富勒球

1962年11月13日,，經過百般周折，加拿大終于獲得1967年蒙特利爾世博會的舉辦權,。

蒙特利爾世博會美國館

在蒙特利爾世博會上,，最顯眼的設計是一個巨大的圓球建筑，它就是巴克敏斯特•富勒（美國偉大的藝術家,、發(fā)明家,、設計科學家，1895—1983）設計的美國館,。美國館圓球直徑76米,，三角形金屬網狀結構合理地組合成一個球體。整個設計簡潔,、新穎,，沒有任何多余的材料，建筑就像一個精致漂亮的水晶球,。這個圓球場館的出現不僅使美國館成為這屆世博會的標志建筑,，也令設計者巴克敏斯特•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 建筑事務所負責，并由 Hani rashid + lise anne couture 兩位設計師負責結構設計,。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殼的結構融為一體，整幢建筑不僅夜色下優(yōu)雅夢幻,，在白天也能給人留下恢弘大氣之感,。

同時規(guī)整對稱卻又逐漸變換的結構桿件讓人的視線隨著線條不斷流轉，思維也沿著桿件的伸展發(fā)散開去,。

穆爾島

網殼結構不僅適用于大跨結構,，它因其造型豐富的特點，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,，由美國紐約設計師維多艾肯西（Vito Acconci）設計，主結構屋面為空間網殼結構,，兩邊各有橋梁串聯(lián)河岸,。從河岸俯瞰，整個螺旋狀小島就象一個巨大的銀色貝殼,，被認為是藝術與建筑,、夢幻與現實融為一體的經典之作。 　

深圳灣體育中心

網殼結構因其兼具受力合理,、造型優(yōu)美,、可以滿足復雜自由三維空間及最小內支撐相互干擾的優(yōu)點，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屆世界大學生運動會的主會場——深圳灣體育中心。整體項目占地約30.74公頃,，總建筑面積達25.6萬平方米,，為深圳市的一座標志性建筑。

深圳灣體育中心鋼結構屬超大跨復雜空間結構,，鋼結構屋蓋由單層網殼（體育場,、大樹廣場及其他公共區(qū)域）,、雙層曲面網架（體育館和游泳館）及豎向支撐系統(tǒng)構成,。

層網殼為復雜的空間曲面網格結構，平面長532.7m,，寬240.4m,，相對于落地點的最大高度42.3m（落地點標高為+6.0m）。除大樹廣場外,，整個屋面網殼由箱型截面構件（高700mm,，寬450mm）直接“編織”而成的四邊形網格構成，網格的平均尺寸約為4050mm,。

杭州奧體中心游泳館——“銀河幻影”獨特流線

該體育游泳館的造型相當獨特,。從圖中可以看出，其造型像蝴蝶的翅膀,。但是聯(lián)系到其為一個游泳場館,，給人感覺像一個巨大的“比基尼”

杭州奧體中心游泳館覆蓋下部混凝土結構三個單元的屋蓋為一個完整的鋼網殼結構，自然延伸到8m平臺,，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殼結構，網殼菱形網格邊長5m左右,、對角線長度6.3mx9.2m左右,。

4,、網殼結構找形

看完網殼結構的一些建筑案例，我們從結構方面談談網殼結構找形,。關于結構找形,，網上可以搜索出大量的內容，通常主流的分為三種：力密度法,，動力松弛法,、非線性有限元法。關于這三種方法小編平時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,。假如建筑給你一個屋面的表皮，例如一個圓形的表皮,，見下圖,。

建筑表皮

我們假設它四周均有混凝土屋面支撐，整個屋面為一個圓形的網殼結構,。我們將其導入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,，殼內只有拉應力沒有彎矩,。這樣我們找到的形狀在均布壓力下殼體內只有純壓力，沒有因為跨度所帶來的彎矩,。

殼體結構因為薄,，所以整體的抗彎性能很差，而通常其都是應用于較大跨度的空間結構,，因此需要通過找形來解決因為跨度而帶來的彎矩,，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，形成的空間網殼結構就是我們最終需要的結構計算模型,，整個流程比較簡單就不詳細演示了,。

找形結果

結構實際受力圖

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,，即根據建筑體的表皮,，直接布置桿件,，對平面網殼進行非線性有限元分析得到網殼最終的形狀，同樣舉例說明,。假如采用單層凱威特型球面網殼來模擬上面那個屋頂,，用小編團隊編的工具箱，直接對其桿件找形,，將其導入SAP2000中（大家比較認可的分析軟件）,，對面施加5KN/m2的面荷載，得到計算結果如下,圖中的3K選自.投標書代寫網 yipai178.com N.m是由于雙向導荷導到桿件上,，在每節(jié)桿件上產生的附加彎矩,，而由于大跨形成的彎矩基本沒有,從每個節(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桿件均以軸力為主,。

網殼桿件彎矩圖

網殼桿件軸力圖

5,、結構臆想之小蘋果

小編最近看到蘋果總部大樓的照片，突然想做一回建筑師,，提點別的造型方案,，可以做一個大的中庭，中庭上部為一個大跨度的網殼結構屋頂,，網殼的形狀即蘋果的logo,。

蘋果總部大樓

小編說干就干，將蘋果logo導入abaqus中,，在這里要說明一下,，由于蘋果logo不對稱，還不知道被誰咬了一口,，因此第一步將其導入abaqus中計算分析,，找出殼體結構的主應力流,，這樣給我們后續(xù)布置殼體桿件時提供思路和指導,。

蘋果logo的abaqus模型

經過計算和分析，主體結構的主應力流見下圖,，然后開始根據蘋果的logo邊界尺寸布置結構網殼桿件,，結構布置的原則就是沿著主應力流的方向，這些應力流最終都將變?yōu)闅んw桿件的軸力,。

蘋果logo網殼找形結果

找形分析得到的主應力流

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,。本結構最大跨度約80m,，初始起拱標高約6m，對其找形,，然后對其進行計算分析,，得到殼體桿件的彎矩約為1.3kN.m,，基本為純受壓構件。

蘋果網殼桿件彎矩圖

蘋果網殼桿件軸力圖

網殼結構具有其獨特的造型優(yōu)美,，簡潔,，具有條理，極致超薄,，讓人看得賞心悅目,，但作為結構工程師遇到大跨網殼結構應該從多方面對其計算分析，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,。但隨著計算軟件的越來越成熟,，網殼結構勢必會在以后的工程中得到更多的應用。

>結構設計攻略之網殼結構完美設計法