网壳结构的历史

　　网壳结构的历史

　　1、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。网壳结构的发展是和人类社会的生活、生产劳动密切相关的,并且与当时的科技水平及物质条件紧密相连。

　　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。古代,穹顶用石料建造,后来逐渐被砖石结构取代。例如,古罗马人就利用石料或砖建造了大量圆形或圆柱形穹顶,用来作为宗教活动的场所。这些穹顶的跨度都不大,一般为30～40m左右,穹顶的厚度与跨度之比为1/10左右,因此早期的穹顶自重很大。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,该穹顶基面为44m的圆。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。薄壳穹顶以其结构自重较小,受力性能良好,可以覆盖大跨度空间和造型优美等优点,得到广泛应用和发展。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。

耶拿天文馆

　　2、网壳结构的诞生

　　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。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。

　　3、网壳结构的特点

　　半个世纪以来,网壳结构作为大跨度空间结构的优秀代表,得到快速发展和广泛应用,这与其下述特点是密切相关的。

　　(1)网壳结构的计算原理成熟、计算方法简便。以前计算机技术相对落后的年代,如果直接分析网壳结构的应力、应变及研究其稳定性问题,计算工作是相当繁琐和费时的。但工程技术人员发现当单元构件的尺寸与结构整体尺寸相比很小时,网壳结构基本上就可视为匀质连续体,其受力特性与连续体的非常接近,这样就可用薄壳结构的分析方法来分析和计算网壳结构,也就是拟壳法,这种方法对于网壳结构的发展有极大的推动作用。随着计算机技术的飞速发展,目前已有多种计算网壳结构的大型通用程序,使网壳结构的计算、设计、制造和应用变得更加简捷,更加实用。

　　(2)网壳结构具有轻型化的特征。传统结构中各类构件的截面大小、分担职能的轻重均不相同,相互之间形成明显的“主次”关系。而网壳结构中各个构件作为整体结构中的一部分,几乎均衡的承受各类荷载的作用,其杆件内力一般为轴力,因此各杆件的内力分布比较均匀,最大应力值也较小。网壳结构的各根杆件是作为一个整体在协同工作,其整体作用远大于单根杆件的作用之和,所以,就能够用小构件构成大空间,结构轻型化是网壳结构的一个重要特征。这就使网壳结构可以跨越更大的空间。

　　(3)网壳结构的制作具有标准化、规格化特征。网壳结构的杆件可以用型钢、铝材、木材、钢筋混凝土和玻璃钢等建材制成,容易实现建筑构件的大批量工业化生产,多种节点体系的发明及生产方法的高度自动化,可以提高生产效率,降低生产成本,从而使网壳结构的力学合理性与生产经济性完美结合起来,使大跨度网壳结构的广泛应用成为现实。

　　(4)优美的建筑造型是网壳结构的又一特征。大跨度空间结构往往对其所在区域的景观有极大的影响,在方案设计时,既要考虑结构的力学性能和材料的充分利用,又要从美学观点选择结构类型。网壳结构在这方面比其他类型的空间结构有更多的优越性,因为网壳结构无论在平面还是立体型面都可以给建筑师充分的想象力和创作自由。钢筋混凝土薄壳结构不能实现的形态,网壳结构几乎均可实现。另外,由于网壳结构的曲面外形,还可以使其形成天然的排水功能。

本文由大地云龙钢构转载，原文作者：符立勇，杨从娟