自然科学大跨度案例分析悉尼歌剧院

大跨度结构

——壳体一：壳体的认识二：案例的分析三：学习与总结傅丹枫王建河刘福镇陈勇琪谭羽翱高子淇壳体结构

shellstructure

壳体结构壳体结构（shellstructure）由曲面形板与边缘构件（梁、拱或桁架）组成的空间结构。壳体结构具有很好的空间传力性能，能以较小的构件厚度形成承载能力高、刚度大的承重结构，能覆盖或围护大跨度的空间而不需中间支柱，能兼承重结构和围护结构的双重作用，从而节约结构材料。（会堂、飞机库、体育馆）结构的本质：1：曲面型板

2：结构厚度远小于结构跨度

3：以薄膜应力为主要的力学形状壳的选型有：筒壳、球壳、双曲扁壳、扭壳·····壳体建筑案例：悉尼歌剧院、

中国国家大剧院、清华大学大礼堂、

广州新体育馆悉尼歌剧院悉尼歌剧院远景悉尼歌剧院建造悉尼歌剧院的计划始于1940年代，悉尼音乐学院的院长EugeneGoossens游说建造一个能够表演大型戏剧作品的场所。当时进行戏剧表演的场所悉尼市政厅对于戏剧表演来说太小了。在1954年，Goossens成功取得了新南威尔士州总理的支持，他要求设计一个专门用于歌剧的剧院。也是Goossens坚持将歌剧院建在便利朗角（BennelongPoint）上。历史沿革外观悉尼歌剧院的外观为三组巨大的壳片，耸立在南北长186米、东西最宽处为97米的现浇钢筋混凝土结构的基座上。第一组壳片在地段西侧,四对壳片成串排列,三对朝北,一对朝南,内部是大音乐厅。第二组在地段东侧，与第一组大致平行,形式相同而规模略歌剧厅。第三组在它们的西南方，规模最小，由两对壳片组成,里面是餐厅。其他房间都巧妙地布置在基座内。整个建筑群的入口在南端,有宽97米的大台阶。它的外形像三个三角形翘首于河边，屋顶是白色的形状犹如贝壳，因而有“翘首遐观的恬静修女”之美称。第一组壳片（大音乐厅）第二组壳片（歌剧院）第三组壳片（餐厅）N

由于混凝土壳体的颜色不好看，且处于保护结构的原因，壳体外表覆盖上了105万块白色或奶油色的瓷砖

这些壳体的表层后来还加上了更多的功能，可以在夜间绽放出不同的色彩和图案结构在最初的设计是把打算用混凝土作为结构外墙，但这样并不能够使这样的外型成为独立的安全结构，之后工程师不断地研究不同的方法，如在屋脊上加入钢结构框架，并屋顶建造成厚厚的结构墙。不过，最终的方法是使用了折合式的混凝土结构墙，情况就好像一个弯曲了的屏风一样，利用折合多层的结构来支撑屋顶，每一层的折合便有如一个拱门一样，这样便能承重亦不破坏原有设计外型的弯曲度。由于这样的外型而大跨度的结构是前所未有的，工程师都未必知道折合式的结构是否适合，所以便利用了电脑作结构分析，这亦是世界第一次使用电脑作结构计算的工程，创了建筑工程的先河。结构在设计过程的开始阶段，这些“壳”被定义为由一系列的混凝土构件组成的排骨支撑起来的抛物线。然而，奥雅纳工程顾问公司的工程师们找不到一个建造这些“壳”的方法。使用原地浇筑的混凝土来建造的计划由于造价高昂而遭到了否决，因为屋顶的结构不同，这样就要求有不同的模具，最终导致造价高昂。壳体的工程建造遇到十分巨大的困难从1957年到1963年，在最后找到一个经济上可以接受的解决办法之前，设计队伍反复尝试了12种不同的建造“壳”的方法（包括抛物线结构，圆形肋骨和椭圆体）。在“壳”的设计工作是最早利用电脑进行构造分析来完成构造分析的工作之一。在1961年中期，设计队伍找到了一个解决办法：所有的“壳”都由球体创建而来。该办法可以使用那一个共同的模具浇注出不同长度的圆拱，然后将若干有着相似长度的圆拱段放在一起形成一个球形的剖面。究竟谁是这个解决办法的发明者成了一些争论的主题。伍重与他的结构工程设计师阿鲁普从1957年研究到1961年也未能找到壳体的完善的解决方案。但是皇天不负有心人，伍重终究找到了圆满的不可移易的答案：在一个半径为75米的球面上截取全部的十个三角形来悉尼歌剧院的壳体群。这使得全部壳体曲率统一，计算简单化，施工标准化。统一的曲率成为了造型的公分母，仿佛使得自由随意的形体有了潜在的韵律而变得和谐。这座“雕塑”总算“建筑化”了，成为了建筑师的作品。共同的球体模具不同大小的小壳片壳体浇筑拼接歌剧院屋顶壳体拼接壳体生成过程“壳”由HornibrookGroupPtyLtd建造，Hornibrook在工厂中制成了2400件预制肋骨和4000件屋顶面板，这加快了工程的进度。这个解决办法的成就在于利用预制混凝土构建从而避免了建造昂贵的模具（他同样允许让屋顶面板在地上就大片的预先建造组合好，而不是在高处一个一个的拼接上）。OveArup和合作方的工地工程师惊讶于这些“壳”在完工前使用了创新的调节型弯曲钢铁桁构梁来支撑不同的屋顶。条形结构为壳体下面的预制肋骨（可能就是前面提到的创新的调节型弯曲钢铁桁构梁）贝壳形尖屋顶，是由2194块每块重15.3吨的弯曲形混凝土预制件，用钢缆拉紧拼成的·建筑介绍

主体建筑由外部围护钢结构壳体和内部2091个坐席的歌剧院(含站席2398)、1859个坐席的音乐厅(含站席2017)、957个坐席的戏剧院(含站席1040)、公共大厅及配套用房组成。外部围护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，基础埋深的最深部分达到-32.5米。椭球形屋面主要采用钛金属板饰面，中部为渐开式玻璃幕墙。椭球壳体外环绕人工湖，湖面面积达35500平方米，各种通道和入口都设在水面下。国家大剧院高46.68米，比人民大会堂略低3.32米。·建筑概况顺台阶下到地下5米进入大剧院，当然两则也有无障碍车道人大剧院的进入口.国家大剧院工程于2001年12月13日开工，于2007年9月建成。国家大剧院由法国建筑师保罗·安德鲁主持设计，设计方为法国巴黎机场公司。国家大剧院建筑屋面呈半椭圆形，由具有柔和的色调和光泽的钛金属覆盖，前后两侧有两个类似三角形的玻璃幕墙切面，整个建筑漂浮于人造水面之上，行人需从一条80米长的水下通道进入演出大厅。大剧院造型新颖、前卫，构思独特，是传统与现代、浪漫与现实的结合。国家大剧院内有四个剧场，中间为歌剧院、东侧为音乐厅、西侧为戏剧场，南门西侧是小剧场，四个剧场既完全独立又可通过空中走廊相互连通。公共大厅的地板铺着20多种颜色不一、花纹各异的名贵石材，公共大厅天花板由名贵木材拼贴成一片片“桅帆”，木质的红色深浅不一，明暗相间。来自法国的著名画家阿兰·博尼用超过20种不同的红色点染大剧院的各个部分。整个大剧院的墙面丝绸铺设面积达到4000平方米。·建筑构成国家大剧院主体建筑为独特的超椭球形钢结构壳体。壳体表面由钛金属板和超白透明玻璃共同组成，两种材质的巧妙拼接呈现出唯美的曲线，营造了舞台帷幕徐徐拉开的视觉效果。

壳体外围被水色荡漾的人工湖环绕，湖水如同一面清澈见底的镜子，波光与倒影交相辉映，共同托起这个巨大而晶莹的建筑。·外部景观大剧院建筑屋面呈半椭圆型,由钛金属板覆盖,前后两侧有两个类似三角形的渐开式玻璃幕墙切面,整个建筑漂浮于人造水面之上.国家大剧院主体建筑钢结构超椭球体壳为一个超大空间壳体，壳体是经过精确数字计算得出的系数为2.24的超级椭球，它集建筑、材料、设备等高科技于一身，其外围护装饰板面积约36000m2。巨大的壳体是建筑与结构的融合体、墙面与顶面浑然一体没有界限。整个钢壳体由顶环梁、钢架构成骨架，148榀(其中102榀不露明，46榀露明)弧形钢架呈放射状分布，钢架之间由连杆、斜撑连接，壳体钢架从外观看似是落在水中，实际上下部是支撑在3m宽>2m高的巨大混凝土圈梁上。设计考虑到方便施工及加工周期问题，壳体钢结构构件尽量标准化，并易于装配。·主体结构

大剧院建筑屋面呈半椭圆型,由钛金属板覆盖,前后两侧有两个类似三角形的渐开式玻璃幕墙切面,整个建筑漂浮于人造水面之上.

钛金属板

大剧院壳体除部分为玻璃幕墙外，其它均为钛金属复合板装饰总面积约30800m2，每块尺寸约2000mm>800mm>4mm的钛板(0.3mm钛板+3.4mm氧化铝+0.3mm不锈钢)，共使用了20000多块。钛金属板最外层的0.3mm“贴膜”钛金属是日本进口的，并对其进行了特殊氧化处理以经得起将来的清洗。其特点为化学性质稳定常态下不易被氧化、表面金属光泽极具质感、自重轻、强度高、耐腐蚀、15年不变颜色。目前在国际上还没有这么大面积在建筑物表面使用钛金属板的先例。·材质分析大剧院的多层结构和功能厅.从满足功能(防水、保温、声学、消防排烟等)及美观效果方面出发，壳体的不同层次构造都是经过精心设计的，共分六层材料(从外向内的顺序)：钛板(外装饰)、锤纹铝镁合金板(防水)、16kg／m3长玻璃纤维棉(保温)、2mm钢板(衬板)、100kg／m3K13粉末(吸音)和红木吊顶(内装饰)。主要构造为主钢梁上的调节牛腿固定檩条及次檩一条，在次檩条上固定2mm钢衬板及T型码，在2mm衬板上粘贴固定长玻璃纤维保温层，其上为固定在T型码上防水板的，T型码上再固定三次檩条，最外层的钛板固定在三次檩条上，2mm衬板内层喷K13的吸音材料，在主钢梁内侧固定钢龙骨安装红木吊顶。剧场内的弧形楼梯.钛板外侧水平环向沿板缝设有清洗轨道，钛板缝中布置了由下部引上的清洗水管，并在相应位置预留了接管点，可直接用软管清洗。清洗保洁人员可通过室内歌剧院顶部的预留人孔，上达壳体玻璃与红木吊顶内，然后沿检修马道至壳体顶部的排烟窗，由排烟窗上至壳体外部，利用可沿轨道滑行的活动梯子，进行日常的维护和清理工作。

壳体上均匀设置了92个电动开启的排烟窗，既解决了消防排烟，又能自然通风。

设计根据古城门的门钉，沿钛板竖向缝隙点缀了上万个装饰蘑菇头，其中506个是有夜间LED照明效果的蘑菇灯。并通过蘑菇头做防雷系统与钢构件连接，直到接地。玻璃

玻璃幕墙通过铝合金梁(转接件)与主钢架牛腿连接。国家大剧院玻璃幕墙与钢结构连接与普通幕墙不同，它的转连接是用螺栓连接(一般其他工程为焊接)，转接件本身即为装饰件，无需再单独装饰铝扣板。·金属网建筑师利用金属网的通透性，使简单厚重的建筑结构在视觉上形成为多维空间，轻盈简捷又不失空间的纵深感站在壳体的公共空间内，人们可以看到弧形的金属网从高处垂下，将歌剧院与壳体公共空间分隔开来隐隐透出淡黄色人们可以透过金属网看到歌剧院环廊内人们活动的场景，若隐若现，朦胧而神秘，激发人们