网壳结构

网壳结构具体案例分析——国家大剧院
姓名：宋建宇班级：2011级5班学号201101020530
摘要：网壳结构即为网状的壳体结构，或者说是曲面状的网架结构。

其外形为壳，其形成网格状，是格构化的壳体，也是壳形的网架。

它是以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体坐标进行布置的空间构架，兼具杆系结构和壳体结构的性质，属于杆系类空间结构。

与平面网架不同，它的承载力特点为沿确定的曲面薄膜传力，作用力主要通过壳面内两个方向的拉力或压力以及剪力传递。

网壳结构兼有薄壳结构和平板网架结构的优点，是一种很有竞争力的大跨度空间结构。

关键字：壳体结构、优缺点、未来展望
正文：
国家大剧院外部为钢结构壳体呈半椭球形，平面投影东西方向长轴长度为212.20米，南北方向短轴长度为143.64米，建筑物高度为46.285米，比人民大会堂略低3.32米，基础最深部分达到-32.5米，有10层楼那么高。

国家大剧院壳体由18000多块钛金属板拼接而成，面积超过30000平方米，18000多块钛金属板中，只有4块形状完全一样。

钛金属板经过特殊氧化处理，其表面金属光泽极具质感，且15年不变颜色。

中部为渐开式玻璃幕墙，由1200多块超白玻璃巧妙拼接而成。

椭球壳体外环绕人工湖，湖面面积达3.55万平方米，各种通道和入口都设在水面下。

国家大剧院是空间双层网壳结构，这一结构更完整，更纯粹。

”大剧院的壳体钢结构总重6750吨，网壳面积3.5万平方米，没有一根立柱支撑，全靠148榀弧型钢梁承重。

虽然这一壳体的高、重、大为中华第一，但它同时也是大跨度空间结构中单位用钢量最少的，每平方米不到200公斤，仅为卢浮宫钢结构每平方米用钢的三分之一。

如此“轻便”的穹顶大大减少了承重钢梁的压力，建筑物的安全系数将会很高。

另外，考虑到风、雪、地震等自然因素，壳体钢结构还体现了柔性设计理念。

钢梁接触地面的一端允许相应滑动，整个结构的最大变形度大约为20厘米。

国家大剧院主体建筑钢结构椭球体壳体(以下简称:壳体)为一超大空间壳体，东西长约212m，南北约144m，高约46m。

整个钢壳体由顶环梁、梁架构成骨架;梁架之间由连杆、斜撑连接。

顶环梁通长采用ф1117.6-25.4THK钢管，中间矩形框采用矩形箱型梁。

整个顶环梁长约60m，宽约38m。

顶环梁半圆区内搁栅呈放射状分布;矩形框内南北向搁栅采用60m钢板梁，东西向采用ф194钢管，搁栅呈网格状分布。

整个顶环梁总重约7O0t。

梁架分为A类(短轴梁架)、B(长轴梁架);A类梁架采用60mm厚钢板制作，B 类梁架采用上下翼缘不等的焊接H型钢。

A类梁架共46榀，B类梁架共102榀。

斜撑及连杆均采用钢管;短轴梁架之间连杆节点采用铸钢节点连接，长轴梁架连杆采用钢套筒连接。

国家大剧院的结构特点如下:
(l)该壳体为一超大型空间结构，结构体量大。

整个结构待壳体完全形成后，方为稳定的空间结构，所以保证施工阶段的结构稳定至关重要;
(2)该壳体为非正椭圆球体，且壳体内外两球面的椭圆方程并不一样，因而施工中平面、空间定位测量的难度颇大;
(3)壳体的主要结构体—梁架(尤其是短轴梁架，侧向厚度仅为60mm)平面外刚度极差，因而构件的起扳、搬运、起吊难度颇大;
(4)梁架呈中心对称辐射状布置，因而每种同类构件最多只有四件，对构件的制作放样及安装顺序要求颇高。

虽然拥有上述一系列的优点，国家大剧院的建设方案亦曾遭到很多争论与批评。

耗资巨大以及建筑设计的艺术形式存在着令人担忧的问题。

巨型壳体覆盖着四座剧场，从演出功能看毫无必要，导致很大的耗费；大面积的水池也是一种不经济的行为。

其外表形状与附近的故宫以及毗邻的人民大会堂建筑风格‘不协调’也是人们争论、批评的焦点。

国家大剧院建成后的运营费和维护费极其惊人，仅每月的电费就需要400万元人民币。

此外，从实用性考虑则问题更多。

上面加了盖子，房子套房子，结果需要高大空间的舞台上不去，要向地下挖六至八层楼。

这些都是大剧院的弊端。

从单体上看，它基本形态是圆形，与周围稳重的方形建筑截然不同，给人一种天外来物的感觉，俯瞰又似极一个巨大的锅盖，颇具特色。

晚上灯光效果极佳，大剧院倒映在四周水面，形成一个完整的椭圆，如梦似幻。

但是，白天由于没有灯光效果，它顿时黯然失色，加上与周边环境无法很好地融合在一起，显得极为突兀。

同样，其内部环境晚上在灯火通明的情况下显得富丽堂皇，白天从内往外看就像囚禁在一个充满“铁窗风味”的牢笼里。

从当时建造的背景上看，它的突破点在于开启了之后中国大地上轰轰烈烈的“奇特式建筑”的风潮，这与我们寻求的突破点是违背的，我们应该用现代空间和建筑体量诠释传统文化中的空间和意境。

由于大圆壳是卵形的, 所以它的中间高而两旁逐渐降低。

戏剧场位于东侧,它的侧面和上部都受到不断降低的壳壁无情的挤压, 以致舞台的后台和侧台都残缺不全, 其演出的功能还比不上一个普通完善的剧场。

更为严重的问题是, 这个舞台上面大壳的高度还不能满足舞台上部结构的需要, 这就连带地把其他两个没有这样问题的两个剧场(歌剧院和音乐厅) 的观众厅和舞台一起压到地下。

而这个设计却把这个核心部分安排在地下室的位置, 安排在通常用作仓库和机房
的地方, 这就不能不引起更多的矛盾, 使简单的问题大大的复杂化, 使剧场的基本功能受到损害, 设计施工的复杂性也大大增加。

上述的几点都属于本人认为国家大剧院的弊端，但它新颖的造型，独特的构思，尤其那充满活力的艺术气息更令人惊叹。

国家大剧院有三最：
世界最大穹顶，整个壳体钢结构重达6475吨，东西向长轴跨度212.2米；
世界最深的建筑，剧院地下最深处为-32.5米，相当于往地下挖了10层楼的深度；
亚洲最大的管风琴，音乐厅内的管风琴共有6500根发音管，造价达3000万元。

经过空间钢结构系统学习以及查阅网上资料，我认为，网壳结构拥有一下优点：1．网壳结构是典型的三维结构，合理的曲面可使结构力流均匀，节约钢材，具有较大的刚度，结构变形小。

稳定性高。

2．具有优美的建筑造型，不论是建筑平面、立面或型体都能给设计师以充分的创作自由，既能表现静态美，又可通过平面和立面的切割以及网格、支承与杆件等变化表现动态美。

3．可以用细小的杆件组成很大的空间，网壳结构中的杆件和球可以在工厂预制，实现工业化生产，综合经济指标较好。

重量较轻。

4．施工简单，速度快，适应采用各种条件下的施工工艺。

此工程可采用不需要大型起重设备的高空散装法。

但不得不说，凡事都有两面性，在足够的便利下，网壳结构依然存在如下缺点：1. 杆件和节点几何尺寸的偏差以及曲面的改变，对网壳结构的内力、整体稳定和施工影响较大；为减少初始缺陷，对于杆件和节点的加工精度要求比较高。

2. 焊接球网壳结构采用现场空间定位安装，安装过程中测量工作量大，对于焊接工人的技术要求较高。

结语：
网壳结构兼有杆系结构和薄壳结构的主要特性，杆件比较单一，受力比较合理；结构的刚度大、跨越能力大；可以用小型构件组装成大型空间，小型构件和连接节点可以在工厂预制;安装简便，不需大型机具设备，综合经济指标较好；造型丰富多彩，不论是建筑平面还是空间曲面外形，都可根据创作要求任意选取。

结语：
网壳结构在我国的发展和应用历史不长，但已显出有很强的活力，应用范围在不断扩大，是一类方兴未艾的空间结构。

多年来，我国在网壳结构的合理选型、计算理论、稳定性分析、节点构造、制作安装、试制试验等方面已做了大量的工作，取得了一批成果，且具有我国自己的特色。

但与国外相比，在结构跨度、加工工艺、施工安装方法等方面尚有差距。

为使网壳结构在我国能得到进一步的发展和推广应用，赶超国际90年代的先进水平，兹提出如下若干建议和要探索的技术问题。

（1）进一步研究各类网壳稳定性的计算理论和方法、破坏机理和极限承载力，给出实用的临界荷载计算公式，合理选取稳定性安全系数。

（2）在推广应用一般的单、双层网壳结构的同时，应进一步开发和采用组合网壳、斜拉网壳、预应力网壳和局部双层网壳等多种新结构、新技术，以发挥和改善网壳的受力特性，增加刚度和稳定性，减少材料耗量，降低工程造价。

（3）研制受力合理、构造简单、制作安装方便，且能定型化、标准化生产的各类单层网壳的刚性节点和可调节点。

参考文献：1. 董石麟，姚谏，网壳结构的未来与展望，空间结构（创刊号），1994
2. 百度百科
3. 中国知网。