自然科學(xué)大跨度案例分析悉尼歌劇院

大跨度結(jié)構(gòu)

——殼體一：殼體的認識二：案例的分析三：學(xué)習(xí)與總結(jié)傅丹楓王建河劉福鎮(zhèn)陳勇琪譚羽翱高子淇殼體結(jié)構(gòu)

shellstructure

殼體結(jié)構(gòu)殼體結(jié)構(gòu)（shellstructure）由曲面形板與邊緣構(gòu)件（梁、拱或桁架）組成的空間結(jié)構(gòu)。殼體結(jié)構(gòu)具有很好的空間傳力性能，能以較小的構(gòu)件厚度形成承載能力高、剛度大的承重結(jié)構(gòu)，能覆蓋或圍護大跨度的空間而不需中間支柱，能兼承重結(jié)構(gòu)和圍護結(jié)構(gòu)的雙重作用，從而節(jié)約結(jié)構(gòu)材料。（會堂、飛機庫、體育館）結(jié)構(gòu)的本質(zhì)：1：曲面型板

2：結(jié)構(gòu)厚度遠小于結(jié)構(gòu)跨度

3：以薄膜應(yīng)力為主要的力學(xué)形狀殼的選型有：筒殼、球殼、雙曲扁殼、扭殼·····殼體建筑案例：悉尼歌劇院、

中國國家大劇院、清華大學(xué)大禮堂、

廣州新體育館悉尼歌劇院悉尼歌劇院遠景悉尼歌劇院建造悉尼歌劇院的計劃始于1940年代，悉尼音樂學(xué)院的院長EugeneGoossens游說建造一個能夠表演大型戲劇作品的場所。當時進行戲劇表演的場所悉尼市政廳對于戲劇表演來說太小了。在1954年，Goossens成功取得了新南威爾士州總理的支持，他要求設(shè)計一個專門用于歌劇的劇院。也是Goossens堅持將歌劇院建在便利朗角（BennelongPoint）上。歷史沿革外觀悉尼歌劇院的外觀為三組巨大的殼片，聳立在南北長186米、東西最寬處為97米的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基座上。第一組殼片在地段西側(cè),四對殼片成串排列,三對朝北,一對朝南,內(nèi)部是大音樂廳。第二組在地段東側(cè)，與第一組大致平行,形式相同而規(guī)模略歌劇廳。第三組在它們的西南方，規(guī)模最小，由兩對殼片組成,里面是餐廳。其他房間都巧妙地布置在基座內(nèi)。整個建筑群的入口在南端,有寬97米的大臺階。它的外形像三個三角形翹首于河邊，屋頂是白色的形狀猶如貝殼，因而有“翹首遐觀的恬靜修女”之美稱。第一組殼片（大音樂廳）第二組殼片（歌劇院）第三組殼片（餐廳）N

由于混凝土殼體的顏色不好看，且處于保護結(jié)構(gòu)的原因，殼體外表覆蓋上了105萬塊白色或奶油色的瓷磚

這些殼體的表層后來還加上了更多的功能，可以在夜間綻放出不同的色彩和圖案結(jié)構(gòu)在最初的設(shè)計是把打算用混凝土作為結(jié)構(gòu)外墻，但這樣并不能夠使這樣的外型成為獨立的安全結(jié)構(gòu)，之后工程師不斷地研究不同的方法，如在屋脊上加入鋼結(jié)構(gòu)框架，并屋頂建造成厚厚的結(jié)構(gòu)墻。不過，最終的方法是使用了折合式的混凝土結(jié)構(gòu)墻，情況就好像一個彎曲了的屏風(fēng)一樣，利用折合多層的結(jié)構(gòu)來支撐屋頂，每一層的折合便有如一個拱門一樣，這樣便能承重亦不破壞原有設(shè)計外型的彎曲度。由于這樣的外型而大跨度的結(jié)構(gòu)是前所未有的，工程師都未必知道折合式的結(jié)構(gòu)是否適合，所以便利用了電腦作結(jié)構(gòu)分析，這亦是世界第一次使用電腦作結(jié)構(gòu)計算的工程，創(chuàng)了建筑工程的先河。結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程的開始階段，這些“殼”被定義為由一系列的混凝土構(gòu)件組成的排骨支撐起來的拋物線。然而，奧雅納工程顧問公司的工程師們找不到一個建造這些“殼”的方法。使用原地澆筑的混凝土來建造的計劃由于造價高昂而遭到了否決，因為屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)不同，這樣就要求有不同的模具，最終導(dǎo)致造價高昂。殼體的工程建造遇到十分巨大的困難從1957年到1963年，在最后找到一個經(jīng)濟上可以接受的解決辦法之前，設(shè)計隊伍反復(fù)嘗試了12種不同的建造“殼”的方法（包括拋物線結(jié)構(gòu)，圓形肋骨和橢圓體）。在“殼”的設(shè)計工作是最早利用電腦進行構(gòu)造分析來完成構(gòu)造分析的工作之一。在1961年中期，設(shè)計隊伍找到了一個解決辦法：所有的“殼”都由球體創(chuàng)建而來。該辦法可以使用那一個共同的模具澆注出不同長度的圓拱，然后將若干有著相似長度的圓拱段放在一起形成一個球形的剖面。究竟誰是這個解決辦法的發(fā)明者成了一些爭論的主題。伍重與他的結(jié)構(gòu)工程設(shè)計師阿魯普從1957年研究到1961年也未能找到殼體的完善的解決方案。但是皇天不負有心人，伍重終究找到了圓滿的不可移易的答案：在一個半徑為75米的球面上截取全部的十個三角形來悉尼歌劇院的殼體群。這使得全部殼體曲率統(tǒng)一，計算簡單化，施工標準化。統(tǒng)一的曲率成為了造型的公分母，仿佛使得自由隨意的形體有了潛在的韻律而變得和諧。這座“雕塑”總算“建筑化”了，成為了建筑師的作品。共同的球體模具不同大小的小殼片殼體澆筑拼接歌劇院屋頂殼體拼接殼體生成過程“殼”由HornibrookGroupPtyLtd建造，Hornibrook在工廠中制成了2400件預(yù)制肋骨和4000件屋頂面板，這加快了工程的進度。這個解決辦法的成就在于利用預(yù)制混凝土構(gòu)建從而避免了建造昂貴的模具（他同樣允許讓屋頂面板在地上就大片的預(yù)先建造組合好，而不是在高處一個一個的拼接上）。OveArup和合作方的工地工程師驚訝于這些“殼”在完工前使用了創(chuàng)新的調(diào)節(jié)型彎曲鋼鐵桁構(gòu)梁來支撐不同的屋頂。條形結(jié)構(gòu)為殼體下面的預(yù)制肋骨（可能就是前面提到的創(chuàng)新的調(diào)節(jié)型彎曲鋼鐵桁構(gòu)梁）貝殼形尖屋頂，是由2194塊每塊重15.3噸的彎曲形混凝土預(yù)制件，用鋼纜拉緊拼成的·建筑介紹

主體建筑由外部圍護鋼結(jié)構(gòu)殼體和內(nèi)部2091個坐席的歌劇院(含站席2398)、1859個坐席的音樂廳(含站席2017)、957個坐席的戲劇院(含站席1040)、公共大廳及配套用房組成。外部圍護鋼結(jié)構(gòu)殼體呈半橢球形，平面投影東西方向長軸長度為212.20米，南北方向短軸長度為143.64米，建筑物高度為46.285米，基礎(chǔ)埋深的最深部分達到-32.5米。橢球形屋面主要采用鈦金屬板飾面，中部為漸開式玻璃幕墻。橢球殼體外環(huán)繞人工湖，湖面面積達35500平方米，各種通道和入口都設(shè)在水面下。國家大劇院高46.68米，比人民大會堂略低3.32米?！そㄖ艣r順臺階下到地下5米進入大劇院，當然兩則也有無障礙車道人大劇院的進入口.國家大劇院工程于2001年12月13日開工，于2007年9月建成。國家大劇院由法國建筑師保羅·安德魯主持設(shè)計，設(shè)計方為法國巴黎機場公司。國家大劇院建筑屋面呈半橢圓形，由具有柔和的色調(diào)和光澤的鈦金屬覆蓋，前后兩側(cè)有兩個類似三角形的玻璃幕墻切面，整個建筑漂浮于人造水面之上，行人需從一條80米長的水下通道進入演出大廳。大劇院造型新穎、前衛(wèi)，構(gòu)思獨特，是傳統(tǒng)與現(xiàn)代、浪漫與現(xiàn)實的結(jié)合。國家大劇院內(nèi)有四個劇場，中間為歌劇院、東側(cè)為音樂廳、西側(cè)為戲劇場，南門西側(cè)是小劇場，四個劇場既完全獨立又可通過空中走廊相互連通。公共大廳的地板鋪著20多種顏色不一、花紋各異的名貴石材，公共大廳天花板由名貴木材拼貼成一片片“桅帆”，木質(zhì)的紅色深淺不一，明暗相間。來自法國的著名畫家阿蘭·博尼用超過20種不同的紅色點染大劇院的各個部分。整個大劇院的墻面絲綢鋪設(shè)面積達到4000平方米。·建筑構(gòu)成國家大劇院主體建筑為獨特的超橢球形鋼結(jié)構(gòu)殼體。殼體表面由鈦金屬板和超白透明玻璃共同組成，兩種材質(zhì)的巧妙拼接呈現(xiàn)出唯美的曲線，營造了舞臺帷幕徐徐拉開的視覺效果。

殼體外圍被水色蕩漾的人工湖環(huán)繞，湖水如同一面清澈見底的鏡子，波光與倒影交相輝映，共同托起這個巨大而晶瑩的建筑?！ね獠烤坝^大劇院建筑屋面呈半橢圓型,由鈦金屬板覆蓋,前后兩側(cè)有兩個類似三角形的漸開式玻璃幕墻切面,整個建筑漂浮于人造水面之上.國家大劇院主體建筑鋼結(jié)構(gòu)超橢球體殼為一個超大空間殼體，殼體是經(jīng)過精確數(shù)字計算得出的系數(shù)為2.24的超級橢球，它集建筑、材料、設(shè)備等高科技于一身，其外圍護裝飾板面積約36000m2。巨大的殼體是建筑與結(jié)構(gòu)的融合體、墻面與頂面渾然一體沒有界限。整個鋼殼體由頂環(huán)梁、鋼架構(gòu)成骨架，148榀(其中102榀不露明，46榀露明)弧形鋼架呈放射狀分布，鋼架之間由連桿、斜撐連接，殼體鋼架從外觀看似是落在水中，實際上下部是支撐在3m寬>2m高的巨大混凝土圈梁上。設(shè)計考慮到方便施工及加工周期問題，殼體鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件盡量標準化，并易于裝配?！ぶ黧w結(jié)構(gòu)

大劇院建筑屋面呈半橢圓型,由鈦金屬板覆蓋,前后兩側(cè)有兩個類似三角形的漸開式玻璃幕墻切面,整個建筑漂浮于人造水面之上.

鈦金屬板

大劇院殼體除部分為玻璃幕墻外，其它均為鈦金屬復(fù)合板裝飾總面積約30800m2，每塊尺寸約2000mm>800mm>4mm的鈦板(0.3mm鈦板+3.4mm氧化鋁+0.3mm不銹鋼)，共使用了20000多塊。鈦金屬板最外層的0.3mm“貼膜”鈦金屬是日本進口的，并對其進行了特殊氧化處理以經(jīng)得起將來的清洗。其特點為化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定常態(tài)下不易被氧化、表面金屬光澤極具質(zhì)感、自重輕、強度高、耐腐蝕、15年不變顏色。目前在國際上還沒有這么大面積在建筑物表面使用鈦金屬板的先例?！げ馁|(zhì)分析大劇院的多層結(jié)構(gòu)和功能廳.從滿足功能(防水、保溫、聲學(xué)、消防排煙等)及美觀效果方面出發(fā)，殼體的不同層次構(gòu)造都是經(jīng)過精心設(shè)計的，共分六層材料(從外向內(nèi)的順序)：鈦板(外裝飾)、錘紋鋁鎂合金板(防水)、16kg／m3長玻璃纖維棉(保溫)、2mm鋼板(襯板)、100kg／m3K13粉末(吸音)和紅木吊頂(內(nèi)裝飾)。主要構(gòu)造為主鋼梁上的調(diào)節(jié)牛腿固定檁條及次檁一條，在次檁條上固定2mm鋼襯板及T型碼，在2mm襯板上粘貼固定長玻璃纖維保溫層，其上為固定在T型碼上防水板的，T型碼上再固定三次檁條，最外層的鈦板固定在三次檁條上，2mm襯板內(nèi)層噴K13的吸音材料，在主鋼梁內(nèi)側(cè)固定鋼龍骨安裝紅木吊頂。劇場內(nèi)的弧形樓梯.鈦板外側(cè)水平環(huán)向沿板縫設(shè)有清洗軌道，鈦板縫中布置了由下部引上的清洗水管，并在相應(yīng)位置預(yù)留了接管點，可直接用軟管清洗。清洗保潔人員可通過室內(nèi)歌劇院頂部的預(yù)留人孔，上達殼體玻璃與紅木吊頂內(nèi)，然后沿檢修馬道至殼體頂部的排煙窗，由排煙窗上至殼體外部，利用可沿軌道滑行的活動梯子，進行日常的維護和清理工作。

殼體上均勻設(shè)置了92個電動開啟的排煙窗，既解決了消防排煙，又能自然通風(fēng)。

設(shè)計根據(jù)古城門的門釘，沿鈦板豎向縫隙點綴了上萬個裝飾蘑菇頭，其中506個是有夜間LED照明效果的蘑菇燈。并通過蘑菇頭做防雷系統(tǒng)與鋼構(gòu)件連接，直到接地。玻璃

玻璃幕墻通過鋁合金梁(轉(zhuǎn)接件)與主鋼架牛腿連接。國家大劇院玻璃幕墻與鋼結(jié)構(gòu)連接與普通幕墻不同，它的轉(zhuǎn)連接是用螺栓連接(一般其他工程為焊接)，轉(zhuǎn)接件本身即為裝飾件，無需再單獨裝飾鋁扣板?！そ饘倬W(wǎng)建筑師利用金屬網(wǎng)的通透性，使簡單厚重的建筑結(jié)構(gòu)在視覺上形成為多維空間，輕盈簡捷又不失空間的縱深感站在殼體的公共空間內(nèi)，人們可以看到弧形的金屬網(wǎng)從高處垂下，將歌劇院與殼體公共空間分隔開來隱隱透出淡黃色人們可以透過金屬網(wǎng)看到歌劇院環(huán)廊內(nèi)人們活動的場景，若隱若現(xiàn)，朦朧而神秘，激發(fā)人們