說(shuō)到網(wǎng)殼結構，首先我們看下定義?！熬W(wǎng)殼結構是將桿件沿著(zhù)某個(gè)曲面有規律地布置而形成的空間結構體系，其受力特點(diǎn)與薄殼結構類(lèi)似，是以“薄膜”作用為主要受力特征的，即大部分荷載由網(wǎng)殼桿件的軸向力承受”。（網(wǎng)殼結構穩定性，沈世釗、陳昕等，1999）
▲大英博物館中庭（倫敦, 2000）
▲MilanoTrade Fair（Milan，2002-2005）
網(wǎng)殼結構的特點(diǎn)
網(wǎng)殼結構的定義有三個(gè)關(guān)鍵詞：“曲面”、“桿件”、“薄膜作用”。我們從而可以找到網(wǎng)殼結構在結構體系中的位置。
圖片來(lái)源：“設計中的決策——沒(méi)有最好，只有最合適”
網(wǎng)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(lèi)似的問(wèn)題會(huì )出現在網(wǎng)殼上。比如：整體穩定問(wèn)題；不對稱(chēng)荷載敏感等。
▲網(wǎng)殼的各種網(wǎng)格形式
網(wǎng)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(wǎng)殼結構還需要關(guān)注節點(diǎn)的剛度、施工的誤差等。
▲單層網(wǎng)殼的常用節點(diǎn)
基于以上特點(diǎn)，我們可以發(fā)現網(wǎng)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(diǎn)剛度敏感。所以很多結構工程師不愿意用網(wǎng)殼，而網(wǎng)殼結構也的確出過(guò)一些事故。
網(wǎng)殼結構的兩個(gè)倒塌事故
查爾斯威廉郵政學(xué)院穹頂
查爾斯.威廉郵政學(xué)院（CharlesWilliam Post College）于1970年建造了一個(gè)劇院。屋面采用鋼結構穹頂，穹頂直徑約52米，由環(huán)繞于四周的鋼柱支承，鋼柱間沿經(jīng)線(xiàn)均勻布置四十榀鋼管桁架。穹頂頂部設鋼壓力環(huán)，底部采用圓形的雨棚作為拉力環(huán)。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(shí)的荷載分布情形
經(jīng)過(guò)專(zhuān)家組的調查，最主要的原因就是設計時(shí)不當地采用過(guò)于簡(jiǎn)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(fēng)力作用下在穹頂上產(chǎn)生了飄移，雪堆積在背風(fēng)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(gè)原因是，結構工程師在設計時(shí)錯誤的將薄膜理論應用于網(wǎng)格穹頂。設計中并未建立桿系模型來(lái)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(wǎng)殼，網(wǎng)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(wǎng)格的節點(diǎn)處有三個(gè)方向鋼管匯交，如何連接？
▲網(wǎng)殼的三角形網(wǎng)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(jiǎn)化節點(diǎn)構造、節省了組裝成本。
▲鋼管匯交節點(diǎn)的節點(diǎn)做法
1963年1月，穹頂在僅僅1/3設計雪荷載的作用下，發(fā)生了整體失穩?！榜讽斞刂?zhù)經(jīng)線(xiàn)方向出現多條波峰波谷，像一個(gè)倒轉的盤(pán)子一樣塌了下來(lái)，而鋼管桿件幾乎絲毫未損?！?/p>
▲失穩形態(tài)示意圖
事故調查表明，穹頂整體失穩有兩個(gè)主要原因：
1）鋼管匯交節點(diǎn)采用的綁扎方式。該方式不能限制桿件間的轉動(dòng)，甚至也可能相對滑動(dòng)，大大降低了結構的穩定性。
2）根據簡(jiǎn)化的薄膜理論設計，鋼網(wǎng)殼的整體穩定承載力過(guò)低。實(shí)際需要根據桿件網(wǎng)格進(jìn)行計算。
▲失穩前（左）；失穩后（右）
看到這里，大家可能會(huì )想，那網(wǎng)殼結構以后是不是會(huì )被淘汰呢？下面我們就來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題。
網(wǎng)殼結構的未來(lái)
說(shuō)網(wǎng)殼結構，就得從混凝土薄殼開(kāi)始說(shuō)起。在20世紀中葉，混凝土薄殼蓬勃發(fā)展。EduardoTorroja，Felix Candela，Nicolas Esquillan,Heinz Isler等在世界各地都實(shí)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(yōu)美，但現今已基本上淘汰了。究其原因，建造一個(gè)混凝土薄殼之前，先要用模板把異形、復雜的曲面搭建出來(lái)，而且模板僅能用一次，無(wú)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(zhù)進(jìn)入21世紀，人工費急速增長(cháng)，因此，混凝土薄殼結構的經(jīng)濟性急劇下降。
▲單層網(wǎng)殼
于是人們開(kāi)始用效率更高的單層網(wǎng)殼來(lái)代替混凝土薄殼。但網(wǎng)殼同樣制作、安裝同樣比價(jià)困難，那網(wǎng)殼發(fā)展的方向在哪里呢？
1）桿件的輕型化和標準化。
網(wǎng)架的傳力效率高，所以可以用最少的材料來(lái)完成覆蓋。
同時(shí)，如果所有的桿件長(cháng)度均相同，節點(diǎn)也標準化，那么網(wǎng)架的制造過(guò)程將會(huì )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(jiǎn)單的平面網(wǎng)格來(lái)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(fā)展。
未來(lái)如果機器人參與建造，那么曲面對它們來(lái)說(shuō)不過(guò)是一個(gè)個(gè)節點(diǎn)坐標組合而成。彼時(shí)，建造成本將大大下降。
輕型網(wǎng)殼的探索
▲Galleria Vittorio Emanuele II（Milan,1865-1877）
這是一個(gè)古老的鑄鐵網(wǎng)殼，建于19世紀后期?？梢钥闯?，這個(gè)網(wǎng)殼沒(méi)有斜桿，它是利用桿件的抗彎能力來(lái)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(wǎng)格。富勒發(fā)明了短線(xiàn)呈穹頂，并應用于1967年蒙特利爾國際博覽會(huì )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(huì )美國館（1967）
三角形網(wǎng)格固然穩定，但是不夠通透不夠輕。而施萊希想做四邊形網(wǎng)格。第一個(gè)機會(huì )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(wǎng)格劃分的球殼。網(wǎng)格桿件承擔軸力，增設拉索拉結對角節點(diǎn)，保證四邊形網(wǎng)格的穩定性。
▲屋頂節點(diǎn)
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(cháng)度，在節點(diǎn)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(wú)法承受荷載。最終，桿件的截面確定為6cmx4cm。
▲施工過(guò)程
拉索被安排在桿件形成網(wǎng)格殼體以后張拉。經(jīng)過(guò)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(gè)工程并不十分滿(mǎn)意，覺(jué)得建筑跟結構結合地很生硬。他認為這種網(wǎng)殼體系可以適應任何形狀。很快他的下一個(gè)機會(huì )來(lái)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(gè)頂棚。中庭平面呈L形，一端寬度14m、一端寬度17m。
這個(gè)項目有兩個(gè)主要訴求。首先，該項目資金來(lái)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(chǎn)生影響。所以，屋面需要盡可能地輕、少用材料，同時(shí)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(wǎng)格劃分，這樣的網(wǎng)格劃分形式可以看作一榀榀拱排列著(zhù)，拱之間用縱向用桿件聯(lián)系。
▲中庭屋面的平面和三維圖
可以想見(jiàn)，各榀拱之間幾乎沒(méi)有共同作用的能力。如下圖所示，在集中力作用的a點(diǎn)變形很大，但相鄰的b、c點(diǎn)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(lái)加強筒殼。
▲拉索隔板對剛度的加強
桿件通過(guò)螺栓與中間圓柱形節點(diǎn)相連，正交拉索連接網(wǎng)格的對角節點(diǎn)，以增加網(wǎng)格剛度。拉索不僅增加了剛度，也減小了桿件承受的彎矩。
▲網(wǎng)殼連接節點(diǎn)
網(wǎng)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(wǎng)殼底部節點(diǎn)
一類(lèi)特殊網(wǎng)殼的發(fā)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(guò)逆吊法找出來(lái)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(guò)4cm。按照跨度等比例縮放的話(huà)，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(wǎng)格，網(wǎng)格節點(diǎn)處通過(guò)可調節孔用銷(xiāo)釘不緊密地連接，以確保木條之間能發(fā)生轉動(dòng)。然后將網(wǎng)格的若干點(diǎn)向上頂升直到呈現出設計的形狀。
最終形態(tài)與初始形態(tài)相比，原來(lái)的正方形網(wǎng)格轉變?yōu)榱庑?。同時(shí)，單根5cmx5cm木條剛度很小，允許發(fā)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(wǎng)格中增設交叉拉索，使柔軟的網(wǎng)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(huì )日本館，采用了與曼海姆大廳類(lèi)似的網(wǎng)殼結構，只是屋面網(wǎng)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(lèi)似的施工方式。
▲Downland Museum施工過(guò)程
▲Downland Museum的節點(diǎn)
2011年，Soliday forum Cafe，Paris采用了GFRP來(lái)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(chē)幾天就搞定了。
▲Soliday forum cafe
小結
看過(guò)這篇文章，大家對網(wǎng)殼應該有一個(gè)大概的了解。有機會(huì )做網(wǎng)殼的時(shí)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