结构设计攻略之网壳结构完美设计法

 1、网壳是什么

网壳是一种与平板网架类似的空间杆系结构，系以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体结构布置的空间构架，它兼具杆系和壳体的性质。其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力。此结构是一种国内外颇受关注、有广阔发展前景的空间结构。网壳结构又包括单层网壳结构、预应力网壳结构、板锥网壳结构、肋环型索承网壳结构、单层叉筒网壳结构等。

2、网壳的发展史

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，利用仿生原理，为了有一个更好的生存空间，常常以树枝为骨架、以稻草为蒙皮来模仿如蛋壳、鸟类的头颅、山洞的，搭造穹顶结构，即最初的帐篷。随着建筑材料的发展，穹顶的石料，后面逐渐被砖石取代。穹顶的跨度一般不大，在30m~40m左右，其中建于公元120～124年的罗马万神庙是早期穹顶的典型代表。到19世纪，铁的应用为穹顶的发展开创了一个新纪元，近代钢筋混凝土结构理论的出现及应用开辟了大跨度薄壳穹顶的新领域。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。

耶拿天文馆

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使用各种杆件形式。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构。

施威德勒网壳

3、已建成的网壳赏析

富勒球

1962年11月13日，经过百般周折，加拿大终于获得1967年蒙特利尔世博会的举办权。

蒙特利尔世博会美国馆

在蒙特利尔世博会上，最显眼的设计是一个巨大的圆球建筑，它就是巴克敏斯特•富勒（美国伟大的艺术家、发明家、设计科学家，1895—1983）设计的美国馆。美国馆圆球直径76米，三角形金属网状结构合理地组合成一个球体。整个设计简洁、新颖，没有任何多余的材料，建筑就像一个精致漂亮的水晶球。这个圆球场馆的出现不仅使美国馆成为这届世博会的标志建筑，也令设计者巴克敏斯特•富勒一举成名。

亚斯总督酒店

亚斯总督酒店（YasViceroy Hotel，Abu Dhabi）位于阿拉伯联合酋长国的阿布扎比，由 LEAD 建筑事务所负责，并由 Hani rashid + lise anne couture 两位设计师负责结构设计。酒店一半建于陆地之上一半位于水面之上，看似分离的两半又通过笼罩在外层的网壳的结构融为一体，整幢建筑不仅夜色下优雅梦幻，在白天也能给人留下恢弘大气之感。

同时规整对称却又逐渐变换的结构杆件让人的视线随着线条不断流转，思维也沿着杆件的伸展发散开去。

穆尔岛

网壳结构不仅适用于大跨结构，它因其造型丰富的特点，也可用于搭建出像穆尔岛（Mur Island）人工岛屿一样奇特的建筑，来满足人们强大的想象力。穆尔岛是是为庆祝“格拉茨2003文化之都”建立而成，由美国纽约设计师维多艾肯西（Vito Acconci）设计，主结构屋面为空间网壳结构，两边各有桥梁串联河岸。从河岸俯瞰，整个螺旋状小岛就象一个巨大的银色贝壳，被认为是艺术与建筑、梦幻与现实融为一体的经典之作。 　

深圳湾体育中心

网壳结构因其兼具受力合理、造型优美、可以满足复杂自由三维空间及最小内支撑相互干扰的优点，特别受到大型体育场馆建筑的青睐。

具有“北有鸟巢，南有春茧”之称的“春茧”就是2011年第26届世界大学生运动会的主会场——深圳湾体育中心。整体项目占地约30.74公顷，总建筑面积达25.6万平方米，为深圳市的一座标志性建筑。

深圳湾体育中心钢结构属超大跨复杂空间结构，钢结构屋盖由单层网壳（体育场、大树广场及其他公共区域）、双层曲面网架（体育馆和游泳馆）及竖向支撑系统构成。

层网壳为复杂的空间曲面网格结构，平面长532.7m，宽240.4m，相对于落地点的最大高度42.3m（落地点标高为+6.0m）。除大树广场外，整个屋面网壳由箱型截面构件（高700mm，宽450mm）直接“编织”而成的四边形网格构成，网格的平均尺寸约为4050mm。

杭州奥体中心游泳馆——“银河幻影”独特流线

该体育游泳馆的造型相当独特。从图中可以看出，其造型像蝴蝶的翅膀。但是联系到其为一个游泳场馆，给人感觉像一个巨大的“比基尼”

杭州奥体中心游泳馆覆盖下部混凝土结构三个单元的屋盖为一个完整的钢网壳结构，自然延伸到8m平台，屋顶曲面为自由曲面。

游泳馆和体育馆区域的屋盖采用斜交斜放的变厚度双层网壳结构，网壳菱形网格边长5m左右、对角线长度6.3mx9.2m左右。

4、网壳结构找形

看完网壳结构的一些建筑案例，我们从结构方面谈谈网壳结构找形。关于结构找形，网上可以搜索出大量的内容，通常主流的分为三种：力密度法，动力松弛法、非线性有限元法。关于这三种方法小编平时更喜欢用第三种即非线性有限元法，下面要着重介绍下非线性有限元法。

非线性有限元法的基本原理简单来说就是采用逆吊的方式来完成找形，文字描述太枯燥，话不多说直接上例子。假如建筑给你一个屋面的表皮，例如一个圆形的表皮，见下图。

建筑表皮

我们假设它四周均有混凝土屋面支撑，整个屋面为一个圆形的网壳结构。我们将其导入ABAQUS中，由于屋面通常受到均布的竖向面荷载，我们采用逆吊的方案，对其施加反向面荷载。

abaqus有限元模型

我们采用5mm厚的钢板来模拟该壳体，这样其抗弯刚度极小可以忽略不计，壳内只有拉应力没有弯矩。这样我们找到的形状在均布压力下壳体内只有纯压力，没有因为跨度所带来的弯矩。

壳体结构因为薄，所以整体的抗弯性能很差，而通常其都是应用于较大跨度的空间结构，因此需要通过找形来解决因为跨度而带来的弯矩，这也是找形的目的之一。接下来就是将ABAQUS算出来的壳体形状导入犀牛，然后在平面上布置好壳杆件，将其投影到曲面上，形成的空间网壳结构就是我们最终需要的结构计算模型，整个流程比较简单就不详细演示了。

找形结果

结构实际受力图

上述提到的找形方法属于面找形法，小编本文想提到的是可以直接采用杆件找形法，即根据建筑体的表皮，直接布置杆件，对平面网壳进行非线性有限元分析得到网壳最终的形状，同样举例说明。假如采用单层凯威特型球面网壳来模拟上面那个屋顶，用小编团队编的工具箱，直接对其杆件找形，将其导入SAP2000中（大家比较认可的分析软件），对面施加5KN/m2的面荷载，得到计算结果如下,图中的3KN.m是由于双向导荷导到杆件上，在每节杆件上产生的附加弯矩，而由于大跨形成的弯矩基本没有,从每个节间杆件的弯矩图就可以看出来。杆件的轴力图看起来各个杆件均以轴力为主。

网壳杆件弯矩图

网壳杆件轴力图

5、结构臆想之小苹果

小编最近看到苹果总部大楼的照片，突然想做一回建筑师，提点别的造型方案，可以做一个大的中庭，中庭上部为一个大跨度的网壳结构屋顶，网壳的形状即苹果的logo。

苹果总部大楼

小编说干就干，将苹果logo导入abaqus中，在这里要说明一下，由于苹果logo不对称，还不知道被谁咬了一口，因此第一步将其导入abaqus中计算分析，找出壳体结构的主应力流，这样给我们后续布置壳体杆件时提供思路和指导。

苹果logo的abaqus模型

经过计算和分析，主体结构的主应力流见下图，然后开始根据苹果的logo边界尺寸布置结构网壳杆件，结构布置的原则就是沿着主应力流的方向，这些应力流最终都将变为壳体杆件的轴力。

苹果logo网壳找形结果

找形分析得到的主应力流

本文只布置苹果部分，叶子部分跨度较小比较简单，本文就不分析了。本结构最大跨度约80m，初始起拱标高约6m，对其找形，然后对其进行计算分析，得到壳体杆件的弯矩约为1.3kN.m，基本为纯受压构件。

苹果网壳杆件弯矩图

苹果网壳杆件轴力图

网壳结构具有其独特的造型优美，简洁，具有条理，极致超薄，让人看得赏心悦目，但作为结构工程师遇到大跨网壳结构应该从多方面对其计算分析，其初始缺陷、整体稳定、壳脚支座的推力、施工模拟分析等都是需要注意的地方。但随着计算软件的越来越成熟，网壳结构势必会在以后的工程中得到更多的应用。