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          網殼結構(下):未來與創新

          來源:iStructure  作者:編輯  日期:2019-9-4
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              說到網殼結構,首先我們看下定義。“網殼結構是將杆件沿著某個曲面有規律地布置而形成的空間結構體系,其受力特點與薄殼結構類似,是以“薄膜”作用爲主要受力特征的,即大部分荷載由網殼杆件的軸向力承受”。上期期中國幕牆網ALwindoor.com小編就給大家介紹網殼結構:特點及失敗案例。本期我們來看看網殼結構:未來與創新!

            本篇文章內容由[中國幕牆網]編輯部整理發布:

            說到網殼結構,首先我們看下定義。“網殼結構是將杆件沿著某個曲面有規律地布置而形成的空間結構體系,其受力特點與薄殼結構類似,是以“薄膜(詞條“薄膜”由行業大百科提供)”作用爲主要受力特征的,即大部分荷載由網殼杆件的軸向力承受”。上期期中國幕牆網ALwindoor.com小編就給大家介紹網殼結構:特點及失敗案例。本期我們來看看網殼結構:未來與創新

            網殼結構的未來

            說網殼結構,就得從混凝土(詞條“混凝土”由行業大百科提供)薄殼開始說起。在20世紀中葉,混凝土薄殼蓬勃發展。EduardoTorroja,Felix Candela,Nicolas Esquillan,Heinz Isler等在世界各地都實踐了很多混凝土薄殼作品。他們的殼體纖薄明快,放到現在看也都是建築與結構融合的精品。

          ▲混凝土薄殼案例

            雖然混凝土薄殼效率很高、外形優美,但現今已基本上淘汰了。究其原因,建造一個混凝土薄殼之前,先要用模板把異形、複雜的曲面搭建出來,而且模板僅能用一次,無法重複利用。

            這導致施工需要耗費大量的模板和人工,在20世紀中葉,節省的材料費可以抵消這部分費用。但隨著進入21世紀,人工費急速增長,因此,混凝土薄殼結構的經濟性急劇下降。

          ▲單層網殼

            于是人們開始用效率更高的單層網殼來代替混凝土薄殼。但網殼同樣制作、安裝同樣比價困難,那網殼發展的方向在哪裏呢?

            1)杆件的輕型化和標准化。

            網架的傳力效率高,所以可以用最少的材料來完成覆蓋。

            同時,如果所有的杆件長度均相同,節點(詞條“節點”由行業大百科提供)也標准化,那麽網架的制造過程將會大大節省。這方面施萊希做了很多探索。

            2)利用材料的韌性,將複雜的曲面殼體建造轉換爲簡單的平面網格來制造。

            這是Otto在20世紀60年代應用在曼海姆多功能廳的思路。

            3)數字化建造的發展。

            未來如果機器人參與建造,那麽曲面對它們來說不過是一個個節點坐標組合而成。彼時,建造成本將大大下降。

            輕型網殼的探索

          ▲Galleria Vittorio Emanuele II(Milan,1865-1877)

            這是一個古老的鑄鐵網殼,建于19世紀後期。可以看出,這個網殼沒有斜杆,它是利用杆件的抗彎能力來抵抗平面的扭轉。

            提高平面內剛度的直接方式是采用三角形網格。富勒發明了短線呈穹頂,並應用于1967年蒙特利爾國際博覽會上的美國館——一座直徑爲76m的3/4球形建築。

          ▲蒙特利爾世博會美國館(1967)

            三角形網格固然穩定,但是不夠通透不夠輕。而施萊希想做四邊形網格。第一個機會是在Neckarsulm遊泳館。建築師希望遊泳館的頂蓋是球體的一部分。

          ▲Neckarsulm遊泳館

            施萊希采用了四邊形網格劃分的球殼。網格杆件承擔軸力,增設拉索拉結對角節點,保證四邊形網格的穩定性。

          ▲屋頂節點

            爲了運輸和安裝的方便,所有的杆件被設計成了1m的標准長度,在節點處由螺栓連接。

            爲了保證球面的光順,杆件不能太剛,需要可以微小地彎曲和扭轉。但也不能太柔,否則無法承受荷載。最終,杆件的截面確定爲6cmx4cm。

          ▲施工過程

            拉索被安排在杆件形成網格殼體以後張拉。經過試驗和計算分析,可以看到,增加拉索後結構的變形(詞條“變形”由行業大百科提供)大大減小。

          ▲試驗結果

            施萊希對上這個工程並不十分滿意,覺得建築跟結構結合地很生硬。他認爲這種網殼體系可以適應任何形狀。很快他的下一個機會來了。

          ▲漢堡博物館中庭的建築師草圖

            漢堡博物館中庭要加建一個頂棚。中庭平面呈L形,一端寬度14m、一端寬度17m。

            這個項目有兩個主要訴求。首先,該項目資金來自私人捐贈,預算有限;其次,博物館方面希望屋頂對原有建築盡量少地産生影響。所以,屋面需要盡可能地輕、少用材料,同時看上去要輕盈。

          ▲中庭加建的屋面

            屋面結構在L形的兩部分采用了單曲的筒殼,交彙處采用了雙曲殼體。殼體采用四邊形網格劃分,這樣的網格劃分形式可以看作一榀榀拱排列著,拱之間用縱向用杆件聯系。

          ▲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點變形很大,但相鄰的b、c點則變形迅速收小。

          ▲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筒殼。

          ▲拉索隔板對剛度的加強

            杆件通過螺栓與中間圓柱形節點相連,正交拉索連接網格的對角節點,以增加網格剛度。拉索不僅增加了剛度,也減小了杆件承受的彎矩。

          ▲網殼連接節點

            網殼底部放置鋼梁,將荷載盡量均勻傳遞到下部原有建築上。

          ▲網殼底部節點

            一類特殊網殼的發展

            曼海姆多功能大廳屋頂(Roof for the Multihalle (multi-purpose hall) , Mannheim, Germany/1970–1975)

            曼海姆多功能的形狀是通過逆吊法找出來的。該結構的最大跨度約爲60mx80m。如果將結構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:首先將木條鋪設成水平正方形網格,網格節點處通過可調節孔用銷釘不緊密地連接,以確保木條之間能發生轉動。然後將網格的若幹點向上頂升直到呈現出設計的形狀。

            最終形態與初始形態相比,原來的正方形網格轉變爲菱形。同時,單根5cmx5cm木條剛度很小,允許發生足夠大的彎曲變形(詞條“彎曲變形”由行業大百科提供)。在達到設計形狀後,需要修整外殼的邊緣;並且在菱形網格中增設交叉拉索,使柔軟的網格成爲堅固的結構。

          ▲曼海姆大廳施工中

          ▲曼海姆大廳完成後

            2000年,奧托和與坂茂合作了漢諾威世博會日本館,采用了與曼海姆大廳類似的網殼結構,只是屋面網格的木材換成了紙卷。

            2002年,在英國星格爾頓建造了Downland Museum。采用的也是類似的施工方式。

          Downland Museum施工過程

          ▲Downland Museum的節點

            2011年,Soliday forum Cafe,Paris采用了GFRP來建造。杆件直徑42mm、壁厚3.5mm的GFRP管現在地上鋪設好,隨後僅用兩台吊車幾天就搞定了。

          ▲Soliday forum cafe

            小結

            看過這篇文章,大家對網殼應該有一個大概的了解。有機會做網殼的時候,不妨嘗試一下。

            限于篇幅,還有一些案例僅羅列圖片。

           

          ▲Steel gridshell over the courtyard of theNational Maritime Museum, Amsterdam, 2011

          ▲Mineral spas in Stuttgart

          ▲Psychosomatic Clinic Bad Neustadt

          ▲Glass roof for DZ-bank 1998

          ▲The double-layer gridshell with external bracing of the Chiddingstone Orangery in Kent, UK, 2007

            參考文獻

            1.點擊查看 www.sbp.de

            2. Study on the Assembled Hub joints insingle-layer reticulated domes, IASS2017

            3. Past and Future of Grid Shell Structures-MIT

            4. Stability of elastic grid shells-MIT

            5. Construction of the Downland Gridshell

            6. Form-Finding of Elastic Gridshells-MIT

            7. Shell structure for architecture.

            8. 網殼結構穩定性,沈世钊、陳昕等,1999

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          原文地址:http://www.52mqw.com/info/2019-9-4/46315-1.htm
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