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1、浅谈薄壳结构摘要：简单介绍了壳体结构的起源与发展，以及在现代建筑当中的使用情况，着重介绍了薄壳结构的主要类型，同时对薄壳结构未来应用的发展做一定阐述。现代空间结构的出现，应该从20世纪初期兴建的钢筋混凝土薄壳算起，这主要归功于先进建筑材料——钢铁与混凝土的诞生。第二次世界大战之后，百废待兴，使空间结构走向蓬勃发展的康庄大道。1薄壳结构的起源与发展薄壳建筑是早在20世纪20年代就在世界上开始发展起来的一种壳状结构,像大自然里我们常见到的一种形态如贝壳,各种坚果,以及一些动物的甲壳,它们的壳体外形不仅美观且有一定的承受力,这种形态给予建筑结构的变化创
2、新很大的启示,推动了建筑业的发展。壳体屋盖的发展可以追溯到古代，主要用于宗教建筑。罗马万神殿建于约公元120年～124年，其半球形穹顶利用天然火山灰为主要原材料建成，直径达43.3m，壳体厚度自下向顶逐渐减小以减轻结构的自重，壳顶最薄，厚约1.2m，万神殿的跨度记录直到20世纪才被打破。位于伊斯坦布尔的圣索菲亚大教堂、建于文艺复兴时期的罗马圣彼得大教堂、建于约300年前的伦敦圣保罗大教堂等。这些结构的建成充分体现了其设计者和建造者的智慧与技巧，但应该说只有在结构力学发展以后，伴随着工业时代的开始，人们才开始对薄壳结构有了真正合理的认识。1922年
3、建成的德国耶拿蔡司天文馆，25m直径的半球形穹顶通常被认为是第一个真正意义上的现代混凝土壳屋盖，其厚度仅6cm。二十世纪五六十年代是混凝土薄壳屋盖的黄金时期。意大利著名工程师1950年设计了都灵展览厅73m×94m薄壳屋盖，整个屋盖由波形预制单元装配而成，预制单元板厚度小于2in。新中国成立以后，我国也陆续建成了一些各种类型的钢筋混凝土薄壳屋盖，比较有代表性的工程有:采用双曲扁壳的北京火车站候车大厅(35m×35m，1958年)、北京体育馆网球馆(42m×42m，1960年)等。薄壳结构不但可以减轻自重，节约钢材、水泥，而且造型新颖流畅。但是，曲
4、面壳体的显著的缺点是：模版制作复杂，不能重复利用，耗费木材，大跨度结构在高空进行浇筑和吊装也耗工时。美国根赛特人的分析表明，薄壳结构造价的60%耗费在施工成本上，因而影响了薄壳结构的应用。于是，用平面模版代替曲面模版，用折现代替曲线，由薄平板以一定角度相互整体连结而成的折板结构应运而生。折板结构可认为是薄壳结构的一种，它是由若干狭长的薄板以一定角度相交连成折线形的空间薄壁体系。我国常用为预应力混凝土V形折板，具有制作简单、安装方便与节省材料等优点，最大跨度可达24m。折板结构的折现形状横截面，大大增加了空间结构刚度，既能做梁受弯，又能作拱受压，且
5、便于预制，因而得到广泛的发展。近年来在园林建筑中运用尤为广泛，在我国园林建筑中也起到不容忽视的作用,深受园林建筑师的重视。以薄壳结构在我国园林建筑中的应用所取得的成就意义来看主要有三个方面:1)在园林建筑中应用新材料代替了木材、砖、石;2)在结构上趋于计算更合理的利用空间;3)适用于形态多样的造型,结构稳定强度大,能塑造大型空间建筑,节省物力、财力。这些薄壳结构所具有的优越性在园林建筑应用发展中具有十分重要的意义。2 薄壳结构的主要分类2.1旋转面对称壳体旋转面对称壳体由一母线绕一固定轴线旋转生成。A.壳体支撑底平面的形状主要有:a.圆形;b.矩
6、形;c.三角形;d.正多边形等。B.壳体表面母线的形状主要有:a.直线;b.圆弧线;c.抛物线;d.椭圆线;e.双曲线等。其支撑面形状以及母线的形状有多种不同的组合(见图1-图3)。图1圆柱面图2二次锥面图3单叶双曲面图4双曲面扁壳2.2移动面壳体由一直线或曲线作为母线,在空间沿着一对作为基准线的直线或曲线移动而生成,主要有以下几种:A.双曲面扁壳。抛物线母线AEB沿着抛物线基准线AFD,BKC移动而生成(见图4)。为了施工方便,有用圆弧线代替抛物线,也有用旋转对称的扁球壳截切后的壳体代替。B.圆柱面壳。由直线EF作为母线,沿AEB与DFC半圆弧
7、基准线移动而形成的。这种结构形式的建筑易施工,造价低廉,常用于大跨度的建筑(见图5)。图5圆柱面壳图6直线母线沿直线与曲线二基准移动形成的壳体圆柱面壳体的变体:横断面的形状由圆柱面壳体与平面组合而成。平面既作为一个支撑面,又多作采光之用,是园林建筑中常采用的结构,这种结构通过变化组合可以有多种用途,一方面降低了造价,一方面又解决了大跨度空间的采光等问题。C.直线母线沿直线与曲线二基准移动而形成的壳体,每一个单独壳体如横向连接,就可组合成一个庞大的建筑空间(见图6)。母线AB,基准线EF如也采用曲线,则产生其变体,能抗更大的外力。D.双曲抛物面壳体
8、(马鞍面)(见图7)图7双曲抛物面壳体图8波形壳体E.波形壳体:母线为波浪形曲线,二基准线为正高斯曲率曲线(见图8)。2.3组合式壳体A
