浅谈薄壳结构
摘 要：简单介绍了壳体结构的起源与发展，以及在现代建筑当中的使用情况，着重介绍了薄壳结构的主要类型，同时对薄壳结构未来应用的发展做一定阐述。
现代空间结构的出现，应该从20世纪初期兴建的钢筋混凝土薄壳算起，这主要归功于先进建筑材料——钢铁与混凝土的诞生。第二次世界大战之后，百废待兴，使空间结构走向蓬勃发展的康庄大道。
1 薄壳结构的起源与发展
薄壳建筑是早在20世纪20年代就在世界上开始发展起来的一种壳状结构, 像大自然里我们常见到的一种形态如贝壳, 各种坚果, 以及一些动物的甲壳, 它们的壳体外形不仅美观且有一定的承受力, 这种形态给予建筑结构的变化创新很大的启示, 推动了建筑业的发展。
壳体屋盖的发展可以追溯到古代，主要用于宗教建筑。罗马万神殿建于约公元120年～124年，其半球形穹顶利用天然火山灰为主要原材料建成，直径达43.3m，壳体厚度自下向顶逐渐减小以减轻结构的自重，壳顶最薄，厚约1.2 m，万神殿的跨度记录直到20世纪才被打破。位于伊斯坦布尔的圣索菲亚大教堂、建于文艺复兴时期的罗马圣彼得大教堂、建于约300年前的伦敦圣保罗大教堂等。这些结构的建成充分体现了其设计者和建造者的智慧与技巧，但应该说只有在结构力学发展以后，伴随着工业时代的开始，人们才开始对薄壳结构有了真正合理的认识。1922年建成的德国耶拿蔡司天文馆，25 m直径的半球形穹顶通常被认为是第一个真正意义上的现代混凝土壳屋盖，其厚度仅6cm。 二十世纪五六十年代是混凝土薄壳屋盖的黄金时期。意大利著名工程师1950年设计了都灵展览厅73 m×94m薄壳屋盖，整个屋盖由波形预制单元装配而成，预制单元板厚度小于2 in。新中国成立以后，我国也陆续建成了一些各种类型的钢筋混凝土薄壳屋盖，比较有代表性的工程有: 采用双曲扁壳的北京火车站候车大厅(35m×35m，1958年)、北京体育馆网球馆(42m×42m，1960年) 等。 薄壳结构不但可以减轻自重，节约钢材、水泥，而且造型新颖流畅。但是，曲面壳体的显著的缺点是：模版制作复杂，不能重复利用，耗费木材，大跨度结构在高空进行浇筑和吊装也耗工时。美国根赛特人的分析表明，薄壳结构造价的60%耗费在施工成本上，因而影响了薄壳结构的应用。于是，用平面模版代替曲面模版，用折现代替曲线，由薄平板以一定角度相互整体连结而成的折板结构应运而生。
折板结构可认为是薄壳结构的一种，它是由若干狭长的薄板以一定角度相交连成折线形的空间薄壁体系。我国常用为预应力混凝土V形折板，具有制作简单、安装方便与节省材料等优点，最大跨
度可达24m。折板结构的折现形状横截面，大大增加了空间结构刚度，既能做梁受弯，又能作拱受压，且便于预制，因而得到广泛的发展。近年来在园林建筑中运用尤为广泛，在我国园林建筑中也起到不容忽视的作用, 深受园林建筑师的重视。以薄壳结构在我国园林建筑中的应用所取得的成就意义来看主要有三个方面: 1) 在园林建筑中应用新材料代替了木材、砖、石; 2)在结构上趋于计算更合理的利用空间; 3) 适用于形态多样的造型, 结构稳定强度大, 能塑造大型空间建筑, 节省物力、财力。这些薄壳结构所具有的优越性在园林建筑应用发展中具有十分重要的意义。
2 薄壳结构的主要分类
2.1 旋转面对称壳体
旋转面对称壳体由一母线绕一固定轴线旋转生成。
A. 壳体支撑底平面的形状主要有: a. 圆形; b. 矩形; c. 三角形; d. 正多边形等。
B. 壳体表面母线的形状主要有: a. 直线; b. 圆弧线; c. 抛物线; d. 椭圆线; e. 双曲线等。
其支撑面形状以及母线的形状有多种不同的组合( 见图1-图3)。
图1 圆柱面 图2 二次锥面
图3 单叶双曲面 图4 双曲面扁壳
2.2 移动面壳体
由一直线或曲线作为母线, 在空间沿着一对作为基准线的直线或曲线移动而生成, 主要有以下
几种:
A. 双曲面扁壳。抛物线母线AEB沿着抛物线基准线AFD,BKC 移动而生成(见图4)。为了施工方便, 有用圆弧线代替抛物线, 也有用旋转对称的扁球壳截切后的壳体代替。
B. 圆柱面壳。由直线EF 作为母线, 沿AEB 与DFC 半圆弧基准线移动而形成的。这种结构形式的建筑易施工, 造价低廉, 常用于大跨度的建筑(见图5)。
图5 圆柱面壳 图6 直线母线沿直线与曲线二基准移动形成的壳体 圆柱面壳体的变体: 横断面的形状由圆柱面壳体与平面组合而成。平面既作为一个支撑面, 又多作采光之用, 是园林建筑中常采用的结构, 这种结构通过变化组合可以有多种用途, 一方面降低了造价, 一方面又解决了大跨度空间的采光等问题。
C. 直线母线沿直线与曲线二基准移动而形成的壳体, 每一个单独壳体如横向连接, 就可组合成一个庞大的建筑空间( 见图6)。母线AB, 基准线EF如也采用曲线, 则产生其变体, 能抗更大的外力。
D. 双曲抛物面壳体(马鞍面) (见图
7)
图7 双曲抛物面壳体 图8 波形壳体
E.波形壳体: 母线为波浪形曲线, 二基准线为正高斯曲率曲线( 见图8) 。
2.3 组合式壳体
A. 圆柱面壳体沿对角线切开后重组(见图9)。
B. 双曲抛物面切割重组( 见图10)。
图9 圆柱面壳体沿对角线切开后重组示意图 图10 双曲抛物面切割重组示意图
3 薄壳结构所采用的材料
从经济上考虑, 优先考虑采用钢筋混凝土作为材料, 为改进其抗裂性能差的缺点, 可采用钢丝网加高标号水泥砂浆作粘结剂, 使其达到较高的力学性能, 由此还可减少壳体的厚度。如进一步采用现代材料科学的成果, 使用高强度钢丝或其他高强度纤维组织物, 并在水泥中添加高分子聚合物, 其性能尚可进一步提高。采用薄钢板作为薄壳结构材料或用玻璃钢材料, 这些材料的各项力学性能好, 而且耐大气的侵蚀, 外形呈多种曲面的壳体, 以弥补材料弹性模量的不足。
4 薄壳结构的工程实例
例1 北京火车站屋面双曲抛物面薄壳（图11）
图11 北京火车站屋面双曲抛物面薄壳
例2——高雄圣保罗教堂反曲薄壳屋顶（图12）
图12 高雄圣保罗教堂反曲薄壳屋顶
例3——福州长乐国际机场折板结构（图13）
图13 福州长乐国际机场折板结构
5 薄壳结构应用发展前景
现代公园是人们休闲活动的场所, 往往人流大, 活动内容丰富, 其建筑也是多种多样, 在造型上要求美观新颖独特又能整体统一而又有变化的新型空间结构, 薄壳这一结构就能充分发挥它的作用, 它适合规则的正方形、长方形、圆形、椭圆形, 也适合三角形和多边形及一些不规则的形状, 使用灵活。其次还可做成形式多样的悬挑结构, 经济、实用、美观、安全是它可发展的优势。再次就是材料上的应用, 重视复合材料的应用, 变化创新结构形式,注重结构的减轻, 是薄壳结构发展的前景, 比如在材料方面当前所大量采用的套箍混凝土由于它强度高, 重量轻、塑性好, 延性大的特点, 通过它可塑出造型优美、体型轻巧的薄壳建筑, 像轻骨料混凝土, 高强混凝土, 纤维混凝土, 预应力混凝土等都很适宜薄壳结构的建筑应用, 再就是采用压型钢板, 组合构件又可形成多种不同的圆形、弧形、拆扇状屋盖, 造型可形成多种变化, 建筑施工又快又好。园林建筑师首先是结构方案的创作者, 使建筑的受力结构以简图方案为基础正确进行设计, 又能做到以最简单和最自然的方式把载荷和应力传递到柱子和基础上, 仅有一个方案是不够的, 特别在结构尺寸很大, 必须将结构外露的时候, 就需要通过各部分的比例, 充分发挥材料的承载能力, 并在材料承载允许范围内, 使结构骨架构成结构的主体, 使整个结构完美实在。建筑设计的精髓在于以简化的方式基础针对性的估算, 也就是说要具有将复杂体系分解为几个基本部分的能力, 如果仅有实践经验, 而不具有这些基本的掌握和控制能力, 即使是一个中等大小的结构物也无法确定它的尺寸, 这也是需要我们在薄壳结构时予以重视的。
近代人们对审美的新认识, 材料科学的进步及力学计算的发展使得薄壳建筑的高度特别是跨度和造型上得到了充分的认识与实际应用, 这种类型的建筑不但在空间上能满足要求, 而且在经济性上以及冲击性的视觉感受方面都能达到满意的效果, 所以在园林建筑中这种结构形式也被灵活的采用, 薄壳结构不仅在仿古园林建筑应用中起到了重要的作用, 而且在现代园林建筑中也将有着更加辉煌的发展前景。
6 总结
通过本学期对本课程的学习，我了解到了很多新型的建筑结构包括索、膜、网架、高层、薄壳等，让我认识到生活中的各种建筑物都是经过精密测量、施工才得到的，它们不仅仅运用了很多建筑知识，还体现了空间结构的艺术之美，我为之感到十分震撼。
参考文献
[ 1 ]张维狱. 双曲壳边拱的简捷计算[ J]. 建筑学报, 1961( 12): 21.
[ 2 ][美] ASCE. 圆柱形混凝土壳体屋顶设计[M ]. 张秋波, 译.北京: 中国建筑工业出版社, 1962.
[ 3 ]张维狱. 四块组合型双扁扭壳的内力分析[ J]. 土木工程学报, 1964( 1): 13-14.
[ 4 ]张恒． 单层球面网壳的静力稳定性分析［J］． 山西建筑，2010，36( 7) : 57-58．
浅谈薄壳结构
摘 要：简单介绍了壳体结构的起源与发展，以及在现代建筑当中的使用情况，着重介绍了薄壳结构的主要类型，同时对薄壳结构未来应用的发展做一定阐述。
现代空间结构的出现，应该从20世纪初期兴建的钢筋混凝土薄壳算起，这主要归功于先进建筑材料——钢铁与混凝土的诞生。第二次世界大战之后，百废待兴，使空间结构走向蓬勃发展的康庄大道。
1 薄壳结构的起源与发展
薄壳建筑是早在20世纪20年代就在世界上开始发展起来的一种壳状结构, 像大自然里我们常见到的一种形态如贝壳, 各种坚果, 以及一些动物的甲壳, 它们的壳体外形不仅美观且有一定的承受力, 这种形态给予建筑结构的变化创新很大的启示, 推动了建筑业的发展。
壳体屋盖的发展可以追溯到古代，主要用于宗教建筑。罗马万神殿建于约公元120年～124年，其半球形穹顶利用天然火山灰为主要原材料建成，直径达43.3m，壳体厚度自下向顶逐渐减小以减轻结构的自重，壳顶最薄，厚约1.2 m，万神殿的跨度记录直到20世纪才被打破。位于伊斯坦布尔的圣索菲亚大教堂、建于文艺复兴时期的罗马圣彼得大教堂、建于约300年前的伦敦圣保罗大教堂等。这些结构的建成充分体现了其设计者和建造者的智慧与技巧，但应该说只有在结构力学发展以后，伴随着工业时代的开始，人们才开始对薄壳结构有了真正合理的认识。1922年建成的德国耶拿蔡司天文馆，25 m直径的半球形穹顶通常被认为是第一个真正意义上的现代混凝土壳屋盖，其厚度仅6cm。 二十世纪五六十年代是混凝土薄壳屋盖的黄金时期。意大利著名工程师1950年设计了都灵展览厅73 m×94m薄壳屋盖，整个屋盖由波形预制单元装配而成，预制单元板厚度小于2 in。新中国成立以后，我国也陆续建成了一些各种类型的钢筋混凝土薄壳屋盖，比较有代表性的工程有: 采用双曲扁壳的北京火车站候车大厅(35m×35m，1958年)、北京体育馆网球馆(42m×42m，1960年) 等。 薄壳结构不但可以减轻自重，节约钢材、水泥，而且造型新颖流畅。但是，曲面壳体的显著的缺点是：模版制作复杂，不能重复利用，耗费木材，大跨度结构在高空进行浇筑和吊装也耗工时。美国根赛特人的分析表明，薄壳结构造价的60%耗费在施工成本上，因而影响了薄壳结构的应用。于是，用平面模版代替曲面模版，用折现代替曲线，由薄平板以一定角度相互整体连结而成的折板结构应运而生。
折板结构可认为是薄壳结构的一种，它是由若干狭长的薄板以一定角度相交连成折线形的空间薄壁体系。我国常用为预应力混凝土V形折板，具有制作简单、安装方便与节省材料等优点，最大跨
度可达24m。折板结构的折现形状横截面，大大增加了空间结构刚度，既能做梁受弯，又能作拱受压，且便于预制，因而得到广泛的发展。近年来在园林建筑中运用尤为广泛，在我国园林建筑中也起到不容忽视的作用, 深受园林建筑师的重视。以薄壳结构在我国园林建筑中的应用所取得的成就意义来看主要有三个方面: 1) 在园林建筑中应用新材料代替了木材、砖、石; 2)在结构上趋于计算更合理的利用空间; 3) 适用于形态多样的造型, 结构稳定强度大, 能塑造大型空间建筑, 节省物力、财力。这些薄壳结构所具有的优越性在园林建筑应用发展中具有十分重要的意义。
2 薄壳结构的主要分类
2.1 旋转面对称壳体
旋转面对称壳体由一母线绕一固定轴线旋转生成。
A. 壳体支撑底平面的形状主要有: a. 圆形; b. 矩形; c. 三角形; d. 正多边形等。
B. 壳体表面母线的形状主要有: a. 直线; b. 圆弧线; c. 抛物线; d. 椭圆线; e. 双曲线等。
其支撑面形状以及母线的形状有多种不同的组合( 见图1-图3)。
图1 圆柱面 图2 二次锥面
图3 单叶双曲面 图4 双曲面扁壳
2.2 移动面壳体
由一直线或曲线作为母线, 在空间沿着一对作为基准线的直线或曲线移动而生成, 主要有以下
几种:
A. 双曲面扁壳。抛物线母线AEB沿着抛物线基准线AFD,BKC 移动而生成(见图4)。为了施工方便, 有用圆弧线代替抛物线, 也有用旋转对称的扁球壳截切后的壳体代替。
B. 圆柱面壳。由直线EF 作为母线, 沿AEB 与DFC 半圆弧基准线移动而形成的。这种结构形式的建筑易施工, 造价低廉, 常用于大跨度的建筑(见图5)。
图5 圆柱面壳 图6 直线母线沿直线与曲线二基准移动形成的壳体 圆柱面壳体的变体: 横断面的形状由圆柱面壳体与平面组合而成。平面既作为一个支撑面, 又多作采光之用, 是园林建筑中常采用的结构, 这种结构通过变化组合可以有多种用途, 一方面降低了造价, 一方面又解决了大跨度空间的采光等问题。
C. 直线母线沿直线与曲线二基准移动而形成的壳体, 每一个单独壳体如横向连接, 就可组合成一个庞大的建筑空间( 见图6)。母线AB, 基准线EF如也采用曲线, 则产生其变体, 能抗更大的外力。
D. 双曲抛物面壳体(马鞍面) (见图
7)
图7 双曲抛物面壳体 图8 波形壳体
E.波形壳体: 母线为波浪形曲线, 二基准线为正高斯曲率曲线( 见图8) 。
2.3 组合式壳体
A. 圆柱面壳体沿对角线切开后重组(见图9)。
B. 双曲抛物面切割重组( 见图10)。
图9 圆柱面壳体沿对角线切开后重组示意图 图10 双曲抛物面切割重组示意图
3 薄壳结构所采用的材料
从经济上考虑, 优先考虑采用钢筋混凝土作为材料, 为改进其抗裂性能差的缺点, 可采用钢丝网加高标号水泥砂浆作粘结剂, 使其达到较高的力学性能, 由此还可减少壳体的厚度。如进一步采用现代材料科学的成果, 使用高强度钢丝或其他高强度纤维组织物, 并在水泥中添加高分子聚合物, 其性能尚可进一步提高。采用薄钢板作为薄壳结构材料或用玻璃钢材料, 这些材料的各项力学性能好, 而且耐大气的侵蚀, 外形呈多种曲面的壳体, 以弥补材料弹性模量的不足。
4 薄壳结构的工程实例
例1 北京火车站屋面双曲抛物面薄壳（图11）
图11 北京火车站屋面双曲抛物面薄壳
例2——高雄圣保罗教堂反曲薄壳屋顶（图12）
图12 高雄圣保罗教堂反曲薄壳屋顶
例3——福州长乐国际机场折板结构（图13）
图13 福州长乐国际机场折板结构
5 薄壳结构应用发展前景
现代公园是人们休闲活动的场所, 往往人流大, 活动内容丰富, 其建筑也是多种多样, 在造型上要求美观新颖独特又能整体统一而又有变化的新型空间结构, 薄壳这一结构就能充分发挥它的作用, 它适合规则的正方形、长方形、圆形、椭圆形, 也适合三角形和多边形及一些不规则的形状, 使用灵活。其次还可做成形式多样的悬挑结构, 经济、实用、美观、安全是它可发展的优势。再次就是材料上的应用, 重视复合材料的应用, 变化创新结构形式,注重结构的减轻, 是薄壳结构发展的前景, 比如在材料方面当前所大量采用的套箍混凝土由于它强度高, 重量轻、塑性好, 延性大的特点, 通过它可塑出造型优美、体型轻巧的薄壳建筑, 像轻骨料混凝土, 高强混凝土, 纤维混凝土, 预应力混凝土等都很适宜薄壳结构的建筑应用, 再就是采用压型钢板, 组合构件又可形成多种不同的圆形、弧形、拆扇状屋盖, 造型可形成多种变化, 建筑施工又快又好。园林建筑师首先是结构方案的创作者, 使建筑的受力结构以简图方案为基础正确进行设计, 又能做到以最简单和最自然的方式把载荷和应力传递到柱子和基础上, 仅有一个方案是不够的, 特别在结构尺寸很大, 必须将结构外露的时候, 就需要通过各部分的比例, 充分发挥材料的承载能力, 并在材料承载允许范围内, 使结构骨架构成结构的主体, 使整个结构完美实在。建筑设计的精髓在于以简化的方式基础针对性的估算, 也就是说要具有将复杂体系分解为几个基本部分的能力, 如果仅有实践经验, 而不具有这些基本的掌握和控制能力, 即使是一个中等大小的结构物也无法确定它的尺寸, 这也是需要我们在薄壳结构时予以重视的。
近代人们对审美的新认识, 材料科学的进步及力学计算的发展使得薄壳建筑的高度特别是跨度和造型上得到了充分的认识与实际应用, 这种类型的建筑不但在空间上能满足要求, 而且在经济性上以及冲击性的视觉感受方面都能达到满意的效果, 所以在园林建筑中这种结构形式也被灵活的采用, 薄壳结构不仅在仿古园林建筑应用中起到了重要的作用, 而且在现代园林建筑中也将有着更加辉煌的发展前景。
6 总结
通过本学期对本课程的学习，我了解到了很多新型的建筑结构包括索、膜、网架、高层、薄壳等，让我认识到生活中的各种建筑物都是经过精密测量、施工才得到的，它们不仅仅运用了很多建筑知识，还体现了空间结构的艺术之美，我为之感到十分震撼。
参考文献
[ 1 ]张维狱. 双曲壳边拱的简捷计算[ J]. 建筑学报, 1961( 12): 21.
[ 2 ][美] ASCE. 圆柱形混凝土壳体屋顶设计[M ]. 张秋波, 译.北京: 中国建筑工业出版社, 1962.
[ 3 ]张维狱. 四块组合型双扁扭壳的内力分析[ J]. 土木工程学报, 1964( 1): 13-14.
[ 4 ]张恒． 单层球面网壳的静力稳定性分析［J］． 山西建筑，2010，36( 7) : 57-58．