1 前言
近年來(lái)，大跨度、大空間的我國(guó)各地得到了迅猛發(fā)展。空間結(jié)構(gòu)技術(shù)可被譽(yù)為一個(gè)國(guó)家建筑業(yè)水平的象征[1]，在國(guó)內(nèi)外一些著名的城市中不乏建筑造型藝術(shù)和結(jié)構(gòu)技術(shù)都達(dá)到了出神入化境地的空間結(jié)構(gòu)，而這些優(yōu)美的空間結(jié)構(gòu)也被視為該城市的標(biāo)志。平面結(jié)構(gòu)從技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面講，很難跨越很大的空間，也很難滿足建筑平面、空間和造型方面的要求。解決大跨度建筑結(jié)構(gòu)最具有競(jìng)爭(zhēng)性的結(jié)構(gòu)就是空間結(jié)構(gòu)，即在荷載作用下，具有三維受力特性并在空間工作的結(jié)構(gòu)。
單層球面網(wǎng)格是目前最常用的形式之一，隨著建筑設(shè)計(jì)個(gè)性化、自由化的發(fā)展，三角形劃格自由曲面結(jié)構(gòu)形式根據(jù)建筑設(shè)計(jì)的要求在單層球面網(wǎng)殼、柱狀網(wǎng)殼常用的形式上進(jìn)行了拓展，形成了造型復(fù)雜而結(jié)構(gòu)優(yōu)美的天幕、中庭采光頂、雨篷等建筑的點(diǎn)睛之筆。下面是一些案例。
從上面案例可以看到，玻璃面層距離主體鋼結(jié)構(gòu)較近，從而顯得整個(gè)結(jié)構(gòu)體系輕盈通透，賦予建筑與結(jié)構(gòu)之美感。經(jīng)優(yōu)化的設(shè)計(jì)賦予主體結(jié)構(gòu)和幕墻系統(tǒng)趨于合理，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)和幕墻的構(gòu)件而言，其生產(chǎn)加工、連接工藝的先進(jìn)性正是項(xiàng)目獲得成功的關(guān)鍵，值得深思。
2 典型案例介紹
2.1 網(wǎng)殼的基本分類
通常有按層數(shù)劃分、按高斯曲率劃分和按曲面（詞條“曲面”由行業(yè)大百科提供）外形劃分等三種分類方法。按照層數(shù)劃分，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)主要有單層網(wǎng)殼、雙層網(wǎng)殼和三層網(wǎng)殼三種。網(wǎng)殼按高斯曲率劃分有以下三種：(1)零高斯曲率的網(wǎng)殼零高斯曲率是指曲面一個(gè)方向的主曲率半徑R1=∞,即K1=0; 而另一個(gè)主曲率半徑R2=a或-a(a為某一數(shù)值),即K≠0, 故又稱為單曲網(wǎng)殼。(2)正高斯曲率是指曲面的兩個(gè)方向主曲率同號(hào), 均為正或均為負(fù),即K1*K2>0。(3)負(fù)高斯曲率是指曲面兩個(gè)主曲率符號(hào)相反, 即K1*K2<0, 這類曲面一個(gè)方向是凸面, 一個(gè)方向是凹面。
按曲面外形劃分為：(1)柱面網(wǎng)殼：柱面網(wǎng)殼是由一根直線沿兩根曲率相同的曲線平行移動(dòng)而成。根據(jù)曲線形狀不同，有圓柱面網(wǎng)殼、橢圓柱面網(wǎng)殼和拋物線柱面網(wǎng)殼。(2)球面網(wǎng)殼是由一母線(平面曲線)繞z軸旋轉(zhuǎn)而成。 (3)雙曲拋物面網(wǎng)殼是由一根曲率向下(K1>o)的拋物線(母線)沿著與之正交的另一根具有曲率向上(K2<0)的拋物線平行移動(dòng)而成。該曲面呈馬鞍形。其高斯曲率K切割與組合，可以得到任意平面和各種美觀、新穎的復(fù)雜曲面。基本形式有柱面的切割與組合、球面的切割與組合、雙曲拋物面的切割與組合及柱面與球面的組合等。也是目前和將來(lái)網(wǎng)殼發(fā)展的主要趨勢(shì)。< p>
單層網(wǎng)殼構(gòu)造簡(jiǎn)單，重量輕，但穩(wěn)定性較差 ，一般只適用于中、小跨度的屋蓋。當(dāng)跨度較大(一般是 40m 以上)時(shí)，或?qū)τ谟刑厥饧夹g(shù)要求(如在兩層之間安裝照明、音響和空調(diào)等設(shè)備)時(shí)，往往選用雙層網(wǎng)殼。而單層網(wǎng)殼可根據(jù)球面、柱面、雙曲拋物面體系再進(jìn)行細(xì)分，讀者如有興趣可查閱相關(guān)資料，不在本文討論重點(diǎn)范圍內(nèi)。
2.2 典型案例
(1)上海世博會(huì)世博軸是2010年上海世博會(huì)五大永久性建筑之一，是由大跨度張力索膜結(jié)構(gòu)和六個(gè)鋼結(jié)構(gòu)陽(yáng)光谷組成。六個(gè)陽(yáng)光谷形狀各異，屬于典型的自由曲面單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。 而基本單元是三角形網(wǎng)格構(gòu)成，結(jié)構(gòu)構(gòu)件以軸向受力為主，三角形網(wǎng)格對(duì)玻璃做在喇叭口內(nèi)側(cè)，有利于玻璃系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)受力。
考慮到玻璃板塊之間的面法線夾膠角度變化不大，設(shè)計(jì)人員(武漢凌云集團(tuán))采用的是隱框玻璃附框、壓緊膠條（詞條“膠條”由行業(yè)大百科提供）弧形開模的處理方式，通過(guò)規(guī)整的較少的模具標(biāo)準(zhǔn)件，完成雙曲面造型要求。玻璃幕墻為半隱框形式。
這種系統(tǒng)也可用于半徑較大的空間球面網(wǎng)殼的玻璃設(shè)計(jì)中，板塊之間的夾角固定，如杭州國(guó)際博覽中心。
(2)上海世博會(huì)博物館是國(guó)際展覽局在全球唯一授權(quán)的永久性世博會(huì)專題博物館，是世界上極少兼具博物館與文獻(xiàn)中心功能的展館。華東設(shè)計(jì)研究總院通過(guò)“永恒的瞬間”的建筑創(chuàng)意，
展現(xiàn)了世博會(huì)一百五十年歷史沉淀與無(wú)數(shù)輝煌瞬間的平衡。建筑形態(tài)以“歷史河谷”與“歡慶之云”的碰撞來(lái)做詮釋，使世博會(huì)博物館成為城市中“承載歡樂記憶的容器”。較好的呈現(xiàn)了國(guó)際性、唯一性、專題性的這一特征主題。
考慮到“歡慶之云”具有6個(gè)立面，空間為單層異形網(wǎng)殼自由曲面，以矩形鋼為主要支撐結(jié)構(gòu)截面。綜合安全、經(jīng)濟(jì)性、工藝、美觀等方面的因素，同時(shí)考慮板塊之間角度變化大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出帶合頁(yè)的單元板塊體系，為行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，作了一種創(chuàng)新和嘗試。玻璃幕墻為全明框形式。
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