现代建筑体系调研
大跨度结构——网壳结构
山东建筑大学· 建筑成规学院· 建筑技术科学方向 李家男
目录
网壳结构的引出 中国网壳结构的发展 网壳结构的组成及特点 网壳结构的形式
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。
中国网壳结构的发展
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。
网壳结构的形式· 球面网壳
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
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
网壳结构的形式· 单层球面网壳
• 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。 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.
天津极地海洋世界
网壳结构的分类
网壳结构的形式
单层网壳 按层数分类 双层网壳 三层网壳 网 壳 结 构 的 形 式
筒网壳 按曲面外形 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 • 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88 000 ㎡, 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· 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。
网壳结构的引出
– 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。
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 。
网壳结构的引出· 网壳结构的诞生
– 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。
网壳结构的形式· 双层球面网壳
网壳结构的形式· 扭网壳
扭网壳
单层扭 网壳
双层扭 网壳
正交正放 网格
正交斜放 网格
两向正交正放 网格
两相正交斜放 网格
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· 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。
网壳结构的引出
– 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。
外界的力 外界的力 组成网格 短杆件
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
网壳结构的组成及特点 • 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。
网壳结构的形式· 双层球面网壳
• 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。
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;
网壳结构的形式· 扭网壳