說到網殼結構，首先我們看下定義。“網殼結構是將桿件沿著某個曲面有規律地布置而形成的空間結構體系，其受力特點與薄殼結構類似，是以“薄膜”作用為主要受力特征的，即大部分荷載由網殼桿件的軸向力承受”。
▲大英博物館中庭（倫敦, 2000）
▲MilanoTrade Fair（Milan，2002-2005）
網殼結構的特點
網殼結構的定義有三個關鍵詞：“曲面”、“桿件”、“薄膜作用”。我們從而可以找到網殼結構在結構體系中的位置。
網殼受力方式為薄膜作用，屬于拱結構向三維的拓展；因此，與拱類似的問題會出現在網殼上。比如：整體穩定問題；不對稱荷載敏感等。
▲網殼的各種網格形式
網殼由離散桿件組成，可以看作由連續殼體去除效率低下部分得到，其材料使用更少，但也因此冗余度比較低。網殼結構還需要關注節點的剛度、施工的誤差等。
▲單層網殼的常用節點
基于以上特點，我們可以發現網殼結構整體穩定性比較差，冗余度比較低，且對荷載分布方式、節點剛度敏感。所以很多結構工程師不愿意用網殼，而網殼結構也的確出過一些事故。
網殼結構的兩個倒塌事故
查爾斯威廉郵政學院穹頂
查爾斯.威廉郵政學院（CharlesWilliam Post College）于1970年建造了一個劇院。屋面采用鋼結構穹頂，穹頂直徑約52米，由環繞于四周的鋼柱支承，鋼柱間沿經線均勻布置四十榀鋼管桁架。穹頂頂部設鋼壓力環，底部采用圓形的雨棚作為拉力環。緯向每隔一格布置連續十字交叉支撐。
▲穹頂結構布置示意圖
1978年１月21日凌晨，劇院穹頂卻因積雪和結冰導致中心突然凹陷，隨即整體倒塌。
▲倒塌時的荷載分布情形
經過專家組的調查，最主要的原因就是設計時不當地采用過于簡化的計算方法——只計算了均布自重及活荷載，而未考慮活荷載不利布置。
當晚，大雪在風力作用下在穹頂上產生了飄移，雪堆積在背風面造成了不均勻荷載。雖然總體雪荷載只有設計總荷載的1/4，但卻集中在屋頂表面的1/3區段，不均勻荷載分布造成了倒塌。
▲結構失穩的示意圖
倒塌的另一個原因是，結構工程師在設計時錯誤的將薄膜理論應用于網格穹頂。設計中并未建立桿系模型來驗算其整體穩定性。
布加勒斯特穹頂(Bucharest Dome)
羅馬尼亞布加勒斯特穹頂1961年建成，跨度約93.6米，矢跨比約1:5。鋼管桿件構成的單層網殼，網格呈等邊三角形式，支承在沿圓形周邊布置的混凝土柱上。在網格的節點處有三個方向鋼管匯交，如何連接？
▲網殼的三角形網格
工程師設計了一種用金屬絲綁扎的方式。這種連接方式使構件都能貫通，大大簡化節點構造、節省了組裝成本。
▲鋼管匯交節點的節點做法
1963年1月，穹頂在僅僅1/3設計雪荷載的作用下，發生了整體失穩。“穹頂沿著經線方向出現多條波峰波谷，像一個倒轉的盤子一樣塌了下來，而鋼管桿件幾乎絲毫未損。”
▲失穩形態示意圖
事故調查表明，穹頂整體失穩有兩個主要原因：
1）鋼管匯交節點采用的綁扎方式。該方式不能限制桿件間的轉動，甚至也可能相對滑動，大大降低了結構的穩定性。
2）根據簡化的薄膜理論設計，鋼網殼的整體穩定承載力過低。實際需要根據桿件網格進行計算。
▲失穩前（左）；失穩后（右）
看到這里，大家可能會想，那網殼結構以后是不是會被淘汰呢？下面我們就來回答這個問題。
網殼結構的未來
說網殼結構，就得從混凝土薄殼開始說起。在20世紀中葉，混凝土薄殼蓬勃發展。EduardoTorroja，Felix Candela，Nicolas Esquillan,Heinz Isler等在世界各地都實踐了很多混凝土薄殼作品。他們的殼體纖薄明快，放到現在看也都是建筑與結構融合的精品。
▲混凝土薄殼案例
雖然混凝土薄殼效率很高、外形優美，但現今已基本上淘汰了。究其原因，建造一個混凝土薄殼之前，先要用模板把異形、復雜的曲面搭建出來，而且模板僅能用一次，無法重復利用。
這導致施工需要耗費大量的模板和人工，在20世紀中葉，節省的材料費可以抵消這部分費用。但隨著進入21世紀，人工費急速增長，因此，混凝土薄殼結構的經濟性急劇下降。
▲單層網殼
于是人們開始用效率更高的單層網殼來代替混凝土薄殼。但網殼同樣制作、安裝同樣比價困難，那網殼發展的方向在哪里呢？
1）桿件的輕型化和標準化。
網架的傳力效率高，所以可以用最少的材料來完成覆蓋。
同時，如果所有的桿件長度均相同，節點也標準化，那么網架的制造過程將會大大節省。這方面施萊希做了很多探索。
2）利用材料的韌性，將復雜的曲面殼體建造轉換為簡單的平面網格來制造。
這是Otto在20世紀60年代應用在曼海姆多功能廳的思路。
3）數字化建造的發展。
未來如果機器人參與建造，那么曲面對它們來說不過是一個個節點坐標組合而成。彼時，建造成本將大大下降。
輕型網殼的探索
▲Galleria Vittorio Emanuele II（Milan,1865-1877）
這是一個古老的鑄鐵網殼，建于19世紀后期。可以看出，這個網殼沒有斜桿，它是利用桿件的抗彎能力來抵抗平面的扭轉。
提高平面內剛度的直接方式是采用三角形網格。富勒發明了短線呈穹頂，并應用于1967年蒙特利爾國際博覽會上的美國館——一座直徑為76m的3/4球形建筑。
▲蒙特利爾世博會美國館（1967）
三角形網格固然穩定，但是不夠通透不夠輕。而施萊希想做四邊形網格。第一個機會是在Neckarsulm游泳館。建筑師希望游泳館的頂蓋是球體的一部分。
▲Neckarsulm游泳館
施萊希采用了四邊形網格劃分的球殼。網格桿件承擔軸力，增設拉索拉結對角節點，保證四邊形網格的穩定性。
▲屋頂節點
為了運輸和安裝的方便，所有的桿件被設計成了1m的標準長度，在節點處由螺栓連接。
為了保證球面的光順，桿件不能太剛，需要可以微小地彎曲和扭轉。但也不能太柔，否則無法承受荷載。最終，桿件的截面確定為6cmx4cm。
▲施工過程
拉索被安排在桿件形成網格殼體以后張拉。經過試驗和計算分析，可以看到，增加拉索后結構的變形大大減小。
▲試驗結果
施萊希對上這個工程并不十分滿意，覺得建筑跟結構結合地很生硬。他認為這種網殼體系可以適應任何形狀。很快他的下一個機會來了。
▲漢堡博物館中庭的建筑師草圖
漢堡博物館中庭要加建一個頂棚。中庭平面呈L形，一端寬度14m、一端寬度17m。
這個項目有兩個主要訴求。首先，該項目資金來自私人捐贈，預算有限；其次，博物館方面希望屋頂對原有建筑盡量少地產生影響。所以，屋面需要盡可能地輕、少用材料，同時看上去要輕盈。
▲中庭加建的屋面
屋面結構在L形的兩部分采用了單曲的筒殼，交匯處采用了雙曲殼體。殼體采用四邊形網格劃分，這樣的網格劃分形式可以看作一榀榀拱排列著，拱之間用縱向用桿件聯系。
▲中庭屋面的平面和三維圖
可以想見，各榀拱之間幾乎沒有共同作用的能力。如下圖所示，在集中力作用的a點變形很大，但相鄰的b、c點則變形迅速收小。
▲集中力作用下屋面的變形示意圖
因此，施萊希每隔一段間距，采用了拉索隔板來加強筒殼。
▲拉索隔板對剛度的加強
桿件通過螺栓與中間圓柱形節點相連，正交拉索連接網格的對角節點，以增加網格剛度。拉索不僅增加了剛度，也減小了桿件承受的彎矩。
▲網殼連接節點
網殼底部放置鋼梁，將荷載盡量均勻傳遞到下部原有建筑上。
▲網殼底部節點
一類特殊網殼的發展
曼海姆多功能大廳屋頂（Roof for the Multihalle (multi-purpose hall) ， Mannheim, Germany/1970–1975）
曼海姆多功能的形狀是通過逆吊法找出來的。該結構的最大跨度約為60mx80m。如果將結構中木材的總量平攤到殼體的面積上，其高度不超過4cm。按照跨度等比例縮放的話，該厚度比雞蛋殼還要薄。
施工方式如下：首先將木條鋪設成水平正方形網格，網格節點處通過可調節孔用銷釘不緊密地連接，以確保木條之間能發生轉動。然后將網格的若干點向上頂升直到呈現出設計的形狀。
最終形態與初始形態相比，原來的正方形網格轉變為菱形。同時，單根5cmx5cm木條剛度很小，允許發生足夠大的彎曲變形。在達到設計形狀后，需要修整外殼的邊緣；并且在菱形網格中增設交叉拉索，使柔軟的網格成為堅固的結構。
▲曼海姆大廳施工中
▲曼海姆大廳完成后
2000年，奧托和與坂茂合作了漢諾威世博會日本館，采用了與曼海姆大廳類似的網殼結構，只是屋面網格的木材換成了紙卷。
2002年，在英國星格爾頓建造了Downland Museum。采用的也是類似的施工方式。
▲Downland Museum施工過程
▲Downland Museum的節點
2011年，Soliday forum Cafe，Paris采用了GFRP來建造。桿件直徑42mm、壁厚3.5mm的GFRP管現在地上鋪設好，隨后僅用兩臺吊車幾天就搞定了。
▲Soliday forum cafe
小結
看過這篇文章，大家對網殼應該有一個大概的了解。有機會做網殼的時候，不妨嘗試一下。
限于篇幅，還有一些案例僅羅列圖片。
▲Steel gridshell over the courtyard of theNational Maritime Museum, Amsterdam, 2011
▲Mineral spas in Stuttgart
▲Psychosomatic Clinic Bad Neustadt
▲Glass roof for DZ-bank 1998
▲The double-layer gridshell with external bracing of the Chiddingstone Orangery in Kent, UK, 2007
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