建筑结构：薄壳结构课件.ppt

1、启发 自然界某些动植物的种子外壳、蛋壳、贝壳，可以说是天然的薄壳结构，它们的外形符合力学原理，以最少的材料获得坚硬的外壳，以抵御外界的侵袭。 以蛋壳为例，由于工程中结构自重是以均布荷载的形式存在，在蛋壳上施加均布力，一般认为在蛋壳中部为最脆弱的部位，但实际情况结构产生应力均匀，而在两端较大。通常情况，如果一枚鸡蛋的横径在4厘米左右，那么蛋壳厚度就只有0.38毫米，二者的比值接近1：105。这么薄的蛋壳，简直不堪一击。然而，蛋壳的形状可以影响它的受力，凸出向外的曲面能把力均匀散开。特别是当它均匀受力时，抗压性就更大了，远不是看上去的那么脆弱。可见薄壳结构运用到大跨度建筑中，能够达到满应力设计准则

2、的要求。人们从这些天然壳体中受到启发，利用混凝土以及其他合金材料的可塑性，创造出各种形式的薄壳结构。建筑工程中的壳体结构多属薄壳结构（学术上把满足t/R1/20的壳体定义为薄壳）。悉尼歌剧院有湖北“鸟巢”之称的黄石新体育馆新近亮相。它像一颗大“钻石”，43个切面在冬日阳光下熠熠生辉，成为黄石的“新地标”。湖北“鸟巢”总建筑面积38000平方米，可容纳6000名观众，乒乓球馆、羽毛球馆、游泳馆等，是一座集体育比赛、体育休闲、体育商业等于一体的综合性室内体育中心。据施工方中建三局一公司介绍，这颗“钻石”有43个切面，形态各异。其屋盖为空间折板式结构，最大跨度111米，“建造难度甚至大于鸟巢”。该体

3、育馆造型具有不规则、多面、薄壳的特点，是全国第二座薄壳结构设计建筑。薄膜薄壳结构薄膜薄壳结构组长；王娜组长；王娜组员；程宇驰组员；程宇驰 李宏龙李宏龙 王王娜娜 萧逸飞萧逸飞 张磊张磊 朱昌伟朱昌伟目录1.薄壳结构的概述2.薄壳结构的形态分类3.几种主要薄壳结构的受力特点4.薄壳结构的应用与发展5.案例研究1.薄壳结构的概述 大跨建筑中的壳体结构通常为薄壳结构，即壳体厚度于其中的最小曲率半径之比小于1/20，为薄壁空间结构的一种，它包括球壳、筒壳、双曲扁壳和扭壳等多种形式。他们的共同特点在于通过发挥结构的空间作用，把垂直于壳体表面的外力分解为壳体面内的薄膜力，再传递给支座，弥补了板、壳等薄壁构

4、件的面外薄弱性质，以比较轻的结构自重和较大的结构刚度及较高的承载能力实现结构的大跨度。2.薄壳结构的形态分类薄壳的曲面形式有很多，为了进行建筑创作和结构选型，我们曲率来描述曲线和曲面上某处形态特征。假定曲面上任一点的两个主曲率分别是K1、K2，则K1、K2的乘积称为该点的高斯曲率，即高斯曲率K=K1K2。这样，对于各点具有相同几何特征的曲面，我们就可以用曲面上某一点的高斯曲率来描述其基本形态特征：K=0为单曲面或零高斯曲面（如柱面、圆锥面），K0为双曲面。在双曲面中，若K1、K2同号（在两个主曲率方向上，去面向同一侧弯曲），即K，为正高斯曲面（如球面、椭球面）；若K1、K2异号（在两个主曲率方

5、向上，曲面向两侧弯曲），即K1的筒壳为长壳。长壳的受力状态与曲线截面梁相似。特别是当I1/I23时，计算中可以不考虑空间作用效用，梁的弯曲理论可以完全适用。为适应建筑平面，工程应用时，多采用多波形式。I1/I21的筒壳为短壳。通常I1/I20.5。用于屋盖结构时，板壳矢高f应不小于I1/8。由于短壳的横隔间距较小，与肋形拱相似，壳体内部以薄膜力为主，弯矩很小，拱的作用十分明显。3.3扁壳扁壳又称双曲扁壳，为正高斯曲面。与旋转曲面不同的是，由于扁壳可以通过母线的移动来形，两个主曲率可以不同，因而裁切后，可适应各种长宽比的矩形建筑平面。此外，扁壳要求壳体躯面的矢跨比要很小，通常矢高f与底部平面较小

6、边长l之比f/l1/5，这样，从前面所述球面壳的内力分布可知，幅角较小的区域，壳体内部的经向与纬向均为压力，这就能更好的发挥材料的抗压性能，而且降低矢高，可以相应的建校内部不必要的空间，提高建筑与结构的使用效率。扁壳由于起鼓不大，为双向微弯平板。但与平板相比，在均布荷载作用下，面内仍以薄膜力为主，只是在边缘部位须考虑面外弯矩作用。此外，扁壳的周边顺剪力较大，要通过设置边缘构件予以传递。这里的边缘构件可采用拉杆拱或拱形桁架、框架，以限制四角支点的相对位移，维持壳体形态稳定。3.4扭壳扭壳为反向双曲抛物面，又称双曲抛物面扭壳。它是负高斯曲面，又是双直纹曲面，可通过一条直母线沿着两条即不平行也不相交

7、的直导线滑动，且滑动时母线须始终保持平行于某一参照平面，以此形成扭面，还可以用两个凹凸方向相反的抛物线分别作为母线与导线，通过平移方法而形成。扭壳的受力状态比较理想。在均布荷载作用下，壳体中的各点应力相同，处于纯剪力状态，且为常数。顺剪力方向与直纹方向一致，主拉应力与主压应力分别位于两个主曲率方向，且大小相等。这样，使整个壳体在下凹的方向呈索的作用，再上凸的方向起拱的作用，从而能够保持结构的形态稳定。从扭壳的边缘受力情况看，由于直纹边缘只存在沿直线均匀分布的顺剪力，只要配置单向收压杆作边缘构件即可。从整个壳体的支座受力情况看，由于两对边缘构件在底部交汇处形成合力后，在“拱”的面内会产生水平推力

8、，因此，支座须提供足够的平衡反力，以限制两个支座点的相对位移。此外，对于单块扭壳，由于仅两点着地，支座在“索”的方向上应处理为固接，以提供一定的整体抗倾覆能力。4.薄壳结构的应用与发展 4.1薄壳结构技术的应用 早在一两千年前就有了罗马万神庙为砖石圆顶一种壳体结构，但是壳体结构发展缓慢。而到了19世纪后半叶，由于新材料的出现，尤其是钢筋混凝土的出现，使得壳体结构有了大的发展。在意大利、法国、西班牙以及墨西哥等国对钢筋混凝土壳体结构的发展做出了重要贡献。 意大利奈尔维发明了钢丝网水泥薄壳，其断面很薄，并具有很好的弹性。他于1960年建成的罗马奥运会大小体育馆其壳体折算厚度仅6cm，壳体重量为0.

9、15t/m2，堪称结构与建筑有机结合的典范。 意大利奈尔维发明了钢丝网水泥薄壳，其断面很薄，并具有很好的弹性。他于1960年建成的罗马奥运会大小体育馆其壳体折算厚度仅6cm，壳体重量为0.15t/m2，堪称结构与建筑有机结合的典范。 墨西哥工程师坎德拉在钢筋混凝土薄壳方面也做出了杰出的贡献。他设计出很薄的双曲抛物面薄壳，如墨西哥大学宇宙线实验室和优美的餐厅，并在扭壳结构方面做出了非凡的成就。利用直纹双曲抛物面薄壳的周边构件仅受轴向压力的特点，以最少的支柱做出较大的悬挑，这为建筑师创造新颖轻快的建筑形象和随意在墙上开出门窗提供了极大的方便。他同时又提出了扭壳结构的许许多多可行的组合方案，为建筑师

10、应用这类结构留有较大的创造余地。 此外，1976年蒙特利尔奥运会由泰雷伯尔设计的装配式钢筋混凝土雨篷的体育场和薄壳屋盖的自行车比赛馆，以及法国格勒诺布尔冬奥会的双层钢筋混凝土薄壳交叉组合屋盖的冰球馆，1988年卡尔加里冬奥会的装配式钢筋混凝土格构式薄壳速滑馆，意大利都灵展览馆，伊利诺伊大学钢筋混凝土薄壳结构的圆顶体育馆，美国麻省理工学院小礼堂，法国德方斯展览馆等，这些杰出的建筑作品在基于薄壳结构的基础上实现了设计创新，有力的推动了现代薄壳建筑艺术和技术的发展。 4.2薄壳结构的发展网壳结构 网壳结构源于薄壳并具有网架结构的一种新的空间结构形式，又称曲面网架。它既有靠空间体形受力的优点，又有工厂

11、生产构件现场安装的施工简便、快速的长处，因而它以受力合力，刚度大、自重轻、体形美观多变，技术经济指标好而成为大跨结构中备受关注的一种结构形式。从外观形态上通也常将其分为筒壳、球壳、扭壳等形式。 网壳结构的结构材料可以是钢材、钢筋混凝土、铝合金、木材（或胶合板）和其他复合材料。 网壳结构可以设计成单层或者双层的。单层网壳、特别是钢网壳的面外刚度较弱，对受压失稳较为敏感。双层网壳较单层网壳具有较好的面外抗弯性能，能够降低非均布荷载和结构几何缺陷等因素带来的不利影响，提高结构的抗压稳定性和承载力，因此当跨度大或有较大不对称荷载作用时，宜采用双层网壳。5.案例研究 5.1球壳案例克斯吉体育馆 此体育馆

12、1955年建于麻省理工，建筑师为埃罗.沙里宁（EeroSaarinen）。此建筑的基本构成为以三点支撑的1/8圆。三点间的拱高18.6m，其平面投影为曲形，并装上玻璃，大面玻璃后的空间恰好可以作为聚集观众的休息平台。它的外观充分表达其结构性，但是室内音响效果并不好，曲墙会造成音焦点。穹顶半径为34m，薄壳平均厚度8.7cm，但在底部加厚为50cm，以抵抗此处的力。薄壳与窗户交界处，则以边梁收边，并可容纳雨水排水沟，支撑点特意加强其配筋，对弯曲应力而言，其作用有如旋转接头，并以混凝土扶壁支撑。 薄壳附有50mm的保温层，以现在的标准来看并不够，为了隔音，此保温层又另外覆以一层混凝土。如此，原先薄

13、壳在材料上的经济性便大打折扣。 5.2筒壳案例金贝尔美术馆 此美术馆建于1972年，建筑师路易斯.康。美术馆服务空间小跨距和被服务空间大跨距。屋顶包括14块筒壳，跨距为30.5m7m，其中两片恰好为室外的雨披，这些筒壳的剖面为摆线形。筒壳由方柱支撑，墙均为非承重墙。大部分的筒壳屋顶在中央都有一道91cm宽的天窗，筒壳屋顶所受的压力则经由分持屋顶两半的混凝土块传递至两端。混凝土块间的筒壳，作用如水平梁。天窗附近的混凝土块则加厚，以维持稳定。筒壳边缘以混凝土边梁加厚，很多人以为这些筒壳的结构机制和拱一般，其实是错误的，否则混凝土边梁会更加厚。 筒壳底部除却钢筋外还加上收拉钢索加强，只有在端部才加强

14、为拱，拱与端墙间则为玻璃，强调端墙为非承重墙。 5.3扭壳案例扎努拉体育馆 此体育馆建于1935年的马德里，为抛物线型薄壳的杰出案例。薄壳屋顶的形状可以让观众清楚的看到跑道。薄壳跨距为5m19.8m，由座位处前伸12.8m，后挑7m。薄壳的厚度则由50mm-137mm。此体育馆在西班牙内战时承受了26次轰炸，也因此产生了一些裂缝，但结构上并无大碍，用一些灰浆补强即可。 由于薄壳本身的热胀冷缩会造成位移，柱子因此设计为下宽上窄型。柱子在半高处以大梁连接，以增加其侧向稳定性。台中路思义教堂台中路思义教堂 路思義教堂(LuceMemorialChapel)是位於台中東海大學校區內，1954年陳其寬和

15、貝聿銘合作此一建築案，1956年8月之後教堂的一切事物都由陳其寬負責。當初規劃東海大學校舍採用中國四合院的傳統形式，但是在第一期校舍工完成後，貝聿銘來台在成功大學建築系演講時，有學生問他為什麼沒有創新的樣式，因此對於教堂才有了新的考慮。 陳其寬於教堂設計及施工簡述中，曾對設計旳考慮有如下描述：教堂乃全校精神之所寄，為易於申仕校各處皆能視及，並便於應用起見，擬議應為一較高之建築物，且位於校園之中心，是為目前之地點。校園車向台中平原，盡收眼底，遠吞山光，氣象萬千，教堂坐西朝車，適得其宜。教堂座席容四百五十人，為全校師生半數，座席在堂之車，神壇則位於西端，晨曦自車窗而入，朝會時，神壇浴於晨光之中，當

16、亦有助於神思。至於教堂之形式，因思泰西各國，各時代之宗教建築，無不殫精竭智，傳當時之人 力、智力、物力以赴；及其成，冶當時文化於一爐，雖歷千百年，後人瞻仰，當時情景可反映無遺。是以東海之教堂，亦必以為鵠的，期能在此建築中，反映吾國文化傳統，揭示基督博愛犧牲之旨意，且兼具此時代之創造能力與精神。1956年，贝聿铭提出砖砌的圆拱造型构想之后，陈其宽考量台湾多地震，多方参考最后决定採用双曲面的薄壳建筑。教堂结构为了採光及明确表现结构起见，四片曲面完全分离，类似倒置船底，其上小下大的形状给人一种稳定的感觉，在对抗风力与地震力时甚为有力。由于屋嵴部份分开，便有天窗出现，具有一线天的意涵。中部边窗逸入的光

17、线，给教堂添增了一份神秘感。其后为使前后曲面会于屋嵴部份之结构易于处理起见，于是后部二曲面高于前部，呈重叠状，后部高出之部份亦恰为内部教堂之地位，外观适足以表彰其内部的重要性。圣玛丽亚百花大教堂是文艺复兴时期第一座伟大建筑。年由阿尔诺沃迪卡姆比奥在原先的佛罗蒂诺大教堂的基址上兴建，年才最后完工。这座教堂大圆顶是世界上第一座大圆顶，是菲利浦布鲁内莱斯基（）的杰作，设计并建造于年到年间，这位巨匠在完成这一空中巨构的过程中没有借助於拱架，而是用了一种新颖的相连的鱼骨结构和以椽固瓦的方法从下往上逐次砌成。圆顶呈双层薄壳形，双层之间留有空隙，上端略呈尖形。它高米，最大直径.米。圆顶内部原设计不作任何装饰

18、，后来瓦萨里和祖卡里（）在里面画了壁画。屋顶灯亭也是由布鲁内莱斯基设计的。连灯亭在内，教堂总高为米。圆顶内有螺旋形阶梯直通穹顶，可鸟瞰全市风光。圆顶内还陈列了米开朗杰罗雕刻的圣彼德像和约平方米的巨幅壁画末日的审判。教堂侧面有两扇十分壮观的大门：北面是十五世纪的曼多尔拉门，南面是十四世纪的卡诺尼奇门。教堂内部为拉丁十字形，长米，宽米，可同时容纳一万人，是世界第四大教堂。教堂的外立面到1587年仍未完成，为完成这一工程，举办了多次竞赛招标，约三个世纪后才于1871年选中建筑师埃米利奥德法布里的方案，于年竣工，用的是卡拉拉的白色大理石、普拉托的绿色大理石和玛雷玛的粉红色大理石，整座建筑显得十分精美。

19、 广州广州星海音乐厅星海音乐厅建筑面积11296，分交响乐演奏大厅、室内乐演奏厅及音乐资料馆附属用房三个部分，主体大厅采用48m48m双曲抛物面钢筋混凝土薄壳结构。亚洲最大规模的钢筋混凝土壳体工程；广东省科技进步三等奖星海音乐厅星海音乐厅星海音乐厅位于广州二沙岛，造型奇特的外观，富于现代感，犹如江边欲飞的一只天鹅，与蓝天碧水浑然一体，形成一道瑰丽的风景线。这座以人民音乐家冼星海的名字命名的音乐厅，占地1.4万平方米，建筑面积1.8万平方米，设有1500个座位的交响乐演奏大厅、460个座位的室内乐演奏厅、100个座位的视听欣赏室和4800平方米的音乐文化广场。整体建筑为双曲抛物面钢筋混凝土壳体，

20、室内不吊天花板，做到建筑空间与声学空间融为一体。星海音乐厅总投资达2.5亿元，是我国目前规模最大、设备最先进、功能完备、具有国际水平的音乐厅。星海音乐厅东为广东美术馆，北为广东华侨博物馆，三者形成富有特色的文化景观。音乐厅主体东侧是文化广场，由冼星海青铜雕像、音乐喷泉、水上音乐舞台等组成，是举行群众性广场音乐会和市民休息漫步的好去处。北广场的中心是一个刻有青龙、白虎等图案的梯形平台，寓意汉文化的形成。南广场地面上砌成巨大弧形图案，像风帆，也像收紧的渔网，在灯光的闪烁间，给人一种“渔歌唱晚”的意境。星海音乐厅临珠江而建，充满现代感的双曲抛物面几何体结构雄伟壮观，是一座令人赞赏的艺术殿宇。自北向南

21、斜望，音乐厅像一只展翅欲飞的天鹅，从西往东看，南面的抛面与二楼平台构成一架撑起盖面的大钢琴，与珠江的碧水合奏着永不休止的和弦；晴日里，从两条抛物面的弧形脊看旭日喷薄而出和夕阳西坠，又似五线谱上圆圆的音符。创意建筑之日本壳体别墅在一片树林中，有一个壳状的结构。很难说它到底是什么？它和周围的洞穴和岩石不同。它很明显是人造物；不是自然物，也不是遗迹。框架和为了完全不同的地方有不同的目的，在壳体中，有地板，分割空间的墙壁，装饰了的房间。它像是一个连续的图像，像是一个被遗弃了的宇宙飞船。经过了一段时间，树木在它的周围生长，使它融合在景色中。我们希望有一块可以使用多年，并与大自然交融的土地。我们希望这块土

22、地上的建筑是漂浮在地面上的壳状结构。它是天人合一的，是共存，不是屈从于自然。该建筑能经受得住自然的考验。它孤立的矗立在荒野中，受到大自然的保护，提升了房屋的品质，给人们提供舒适的环境。因此，房子很受欢迎。特别是，经常使用的别墅容易与周围环境融合。该地区气候恶劣，低气温、高湿度。因此，采取传统的木结构的房屋容易腐烂。也许这也算是与自然融合的方式之一，不过，舒适性就值得怀疑了。因此，大量的别墅多年没有使用，一步步破损。尽管本地一般不使用混凝土，但是，使用混凝土有助于抵抗湿度。天人合一是日本的美德。然而，实现这个理想必须每天照顾花花草草。在家是可行的，但是，对于别墅，不实用。如果要花费大量时间维护别

23、墅，何必自找麻烦？它违背了拥有别墅的目的。拥有一个可以吸引人的，与自然融合的生活空间，而且愿意花大量时间维修。别墅不仅用于周末。它的目标是为主人提供良好的休息、休闲方式和附近的如诗如画景色。它采用现代雕。 塑风格，建筑师的目的在空间结构中吸收周围的自然景观。机械系统设计中非常关注其舒适度和性能水平。轻井泽是经典的避暑胜地，许多老别墅采取传统风格，许多游客逗留最少1个月。由于长时间逗留，所以花一天时间维护别墅还是值得的。 随着新干线高速铁路的建成，从东京到轻井泽仅仅花费1小时10分钟，在今天，往往只是渡周末。短时间的停留，也只会花短时间维护别墅。中央控制系统用三个按钮管理所有机械和电气设备。此外

24、，生物识别锁和安全系统将减少对内部安全管理的焦虑和压力。自制的地板采暖系统最大限度地减少寒冷地区水管防冻的热量。此外，它非常有效。此外，它可以作为隔冷系统，使建筑享受豪华的开敞空间。系统与建筑形式结合得很好。 为了使未来的内饰和设备维修（包括窗框）方便，结构框架和内部是完全分开的。建筑结构会渐渐融入周围的环境。为了长期有效的维护暴露在外的混凝土，所以，混凝土采用了防渗透措施。建筑简介别墅的平面围绕一个大枞树。最初，建筑师计划建造三维曲面壳结构，C形截面部分环绕的枞树，建筑物的平面接近字母J，两者有部分重合。然而， 考虑到预算、施工方法和完成时间，设计被调整为二维曲面壳体结构。J型结构是由2个不

25、同大小的椭圆形圆柱体曲面切割而成。J形的较小的直线部分连接到更大的部分。椭圆形部分的顶部厚350毫米，由顶端不断变厚，底部达到了750毫米，以满足结构强度要求。壳体的边缘是自由曲线，表面是三维曲面与扭面。整个结构是由两个二维曲面组成。地板离地面高1400mm，较低的壳结构也高出地面，保持同样高度的露台。所有的入气口和排气口都安装窗框下方，让气流穿过窗外面的阳台。此外，窗户可开启，尽量利用自然通风（并不是所有地方都安装空调）。 虽然第一眼看上去，椭圆形体可能浪费空间，但是，通过椭圆空间下半部的家具和摆设最大化利用了空间。空调系统的说明别墅住人的时间往往是短期和间歇性的，椭圆墙壁里铺设了60毫米硬聚氨酯，减少墙壁的热容量。为了增加内部装修表面强度，在表面直接喷涂了聚氨酯合成树脂。该材料经常用于面板的背面，它能有效的防火，吸音，隔热和防湿。前面提到的，地板里安装了辐射采暖系统。椭圆形的空间的底部是平平的地板。底部成为弓形空间，它成为底部有热管的采暖空间。地板下的暖空气可以有效加热地板。最后，将 温暖的空气通过窗户的缝隙流出，防止冷风的现象。人不在时候，如果温度降至冰点，系统自动将下方的地板下的管道中灌注防冻剂。首先加热管道的空间，因此，防冻剂大幅降低能源消耗。该系统还有自制的除湿和通风装置，可在全年自动运行。系统的效率很引人注目俯视外景