薄壳结构
建筑结构选型
——薄壳结构
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摘要
大跨建筑中的壳体结构通常为薄壳结构，即壳体厚度于其中的最小曲率半径之比小于1/20，为薄壁空间结构的一种，它包括球壳、筒壳、双曲扁壳和扭壳等多种形式。他们的共同特点在于通过发挥结构的空间作用，把垂直于壳体表面的外力分解为壳体面内的薄膜力，再传递给支座，弥补了板、壳等薄壁构件的面外薄弱性质，以比较轻的结构自重和较大的结构刚度及较高的承载能力实现结构的大跨度。
关键词
形态分类受力特点应用与发展案例研究
正文
1 薄壳结构的定义
壳，是一种曲面构件，主要承受各种作用产生的中面内的力。薄壳结构就是曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大都采用钢筋和混凝土。壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。
1.1薄壳结构的特点
壳体结构一般是由上下两个几何曲面构成的空间薄壁结构。两个曲面之问的距离即为壳体的厚度(δ)，当δ比壳体其他尺寸(如曲率半径R，跨度等)小得多时，一般要求δ/R≤1/20(鸡蛋壳的δ/R≈1/50)称为薄壳结构。现代建筑工程中所采用的壳体一般为薄壳结构。而薄壳结构为双向受力的空间结构，在竖向均布荷载作用下，壳体主要承受曲面内的轴向力(双向法向力)和顺剪力作用，曲面轴力和顺剪力都作用在曲面内，又称为薄膜内力。而只有在非对称荷载(风，雪等)作用下，壳体才承受较小的弯矩和扭矩。
由于壳体内主要承受以压力为主的薄膜内力，且薄膜内力沿壳体厚度方向均匀分布，所以材料强度能得到充分利用；而且壳体为凸面，处于空间受力状态，各向刚度都较大，因而用薄壳结构能实现以最少之材料构成最坚之结构的理想。
由于壳体强度高、刚度大、用料省、自重轻，覆盖大面积，无需中柱，而且其造型多变，曲线优美，表现力强，因而深受建筑师们的青睐，故多用于大跨度的建筑物，如展览厅、食堂、剧院、天文馆、厂房、飞机库等。
不过，薄壳结构也有其自身的不足之处，由于体形多为曲线，复杂多变，采用现浇结构时，模板制作难度大，会费模费工，施工难度较大；一般壳体既作承重结构又作屋面，由于壳壁太薄，隔热保温效果不好；并且某些壳体(如球壳、扁壳)易产生回声现象，对音响效果要求高的大会堂、体育馆、影剧院等建筑不适宜。
2 薄壳结构型式与曲面的关系
2.1旋转曲面
由一平面曲线作母线绕其平面内的轴旋转而成的曲面，称为旋转曲面。该平面曲线可有不同形状，因而可得到用于薄壳结构中的多种旋转曲面，如球形曲面、旋转抛物面和旋转双曲面等（如下图）。圆顶结构就是旋转曲面的一种。
2.2平移曲面
一竖向曲母线沿另一竖向曲导线平移而成的曲面称为平移曲面。在工程中常见的平移曲面有椭圆抛物面和双曲抛物面，前者是以一竖向抛物线作母线沿另一凸向相同的抛物线作导线平移而成的曲面(如下图左），后者是以一竖向抛物线作母线沿另一凸向相反的抛物线作导线平移而成的曲面（如下图右）。
2.3直纹曲面
一根直线的两端沿二固定曲线移动而成的曲面称为直纹曲面。工程中常见的直纹曲面有以下几种：
2.3.1鞍壳、扭壳
如下图所示的双曲抛物面，也可按直纹曲面的方式形成。扭曲面则是用一根直母线沿两根相互倾斜且不相交的直导线平行移动而成的曲面。
2.3.2柱面与柱状面
柱面是由直母线沿一竖向曲导线移动而成的曲面。柱状面是由一直母线沿着两根曲率不同的竖向曲导线移动，并始终平行于一导平面而成（如下图所示）。
2.3.3锥面与锥状面
锥面是一直线沿一竖向曲导线移动，并始终通过一定点而成的曲面。锥状面是由一直线一端沿一根直线、另一端沿另一根曲线，与一指向平面平行移动而成的曲面。（如下图所示）
3 薄壳结构的分类
3.1圆顶薄壳
圆顶结构是极古老的建筑形式，古人仿效洞穴穹顶，建造了众多砖石圆顶，其中多为空间拱结构。直到近代，由于人们对圆顶结构的受力性能的了解，以及钢筋混凝土材料的应用，采用钢筋混凝土建造的圆顶结构仍然在大量的应用。
圆顶薄壳结构为旋转曲面壳。根据建筑设计的需要，圆顶薄壳可采用抛物线、圆弧线、椭圆线绕其对称竖轴旋转而成抛物面壳、球面壳、椭球面壳等。圆顶薄壳结构具有良好的空间工作性能，能以很薄的圆顶覆盖很大的跨度，因而可以用于大型公共建筑，如天文馆、展览馆、剧院等。
3.1.1圆顶薄壳的组成及结构型式
圆顶薄壳由壳板、支座环、下部支承结构三部分组成。
3.1.1.1壳板
按壳板的构造不同，圆顶薄壳可分为平滑圆顶、肋形圆顶和圆顶薄壳的组成多面圆顶三种，其中，平滑圆顶在工程中应用最为广泛。
平滑圆顶肋形圆顶多面圆顶
3.1.1.2支座环
支座环是球壳的底座，它是圆顶薄壳结构保持几何不变性的保证，对圆顶起到箍的作用。它可能要承担很大的支座推力，由此环内会产生很大的环向拉力，因此支座环必须为闭合环形，且尺寸很大，其宽度在0.5～2m，建筑上常将其与挑檐、周圈廊或屋盖等结合起来加以处理，也可以单独自成环梁，隐藏于壳底边缘。
3.1.1.3下部支承结构
圆顶薄壳的下部支承结构一般有以下几种：①圆顶薄壳通过支座环直接支承在房屋的竖向承重结构上，如砖墙、钢筋混凝土柱等。这时径向推力的水平分力由支座环承担，竖向支承构件仅承受径向推力的竖向分力。②圆顶薄壳可支承于框架上，由框架结构把径向推力传给基础。③但当结构跨度较大时，由于推力很大，支座环的截面尺寸就很大，这样既不经济，也不美观。圆顶薄壳可以通过周围顺着壳体底缘切线方向的直线形、Y形或叉形斜柱，把推力传给基础。④圆顶薄壳像落地拱直接落地并支承在基础。
3.1.2圆顶薄壳的受力特点
一般情况下壳板的径向和环向弯矩较小，可以忽略，壳板内力可按无弯矩理论计算。在轴向对称荷载作用下，圆顶径向受压，径向压力在壳顶小，在壳底大；圆顶环向受力，则与壳板支座边缘处径向法线与旋转轴的夹角φ大小有关，当φ≤51度49时，圆顶环向全部受压；当φ＞51度49时，圆顶环向上部受压，下部受拉力（如图所示）。
径向应力状态环向应力状态环向应力状态
支座环对圆顶壳板起箍的作用，承受壳身边缘传来的推力。一般情况下，该推力使支座环在水平面内受拉，在竖向平面内受弯矩、剪力。当时，支座环内不产生拉力，仅承受竖向平面的内力（如下图）。
3.2圆柱形薄壳
圆柱形薄壳的壳板为柱形曲面，由于外形既似圆筒，又似圆柱体，故既称为圆柱形薄壳，也称为柱面壳。
3.2.1圆柱形薄壳的结构组成与型式
圆柱形薄壳由壳板、
边梁及横隔三部分组成。
两个边梁之间的距离，称
为波长；两个横隔之间的
距离称为跨度。圆柱形薄
壳的跨度与波长的比例
常常是不同的。一般当≥
1时，称为长壳，一般为
多波形；当<1时，称为
短壳，大多为单波多跨。
圆柱形薄壳壳板的曲线线形可以是圆弧形、椭圆形、抛物线等，一般都采用圆弧形，可减少采用其他线形所造成的施工困难。并且壳板边缘处的边坡(即切线的水平倾角φ)不宜过大，否则不利于混凝土浇筑，一般φ取35°～40°。壳体截面的总高度一般不应小于(1／10～1／15) ，矢高不应小于 ／8。壳板的厚度一般为50～80mm ，一般不宜小于35mm 。壳板与边梁连接处可局部加厚，以抵抗此处局部的横向弯矩。
3.2.1圆柱形薄壳的受力特点
圆柱形薄壳是空间结构，内力计算比普通结构要复杂得多。圆柱形薄壳与筒拱的外形都为筒形，极其相似，常为人混淆，但两者的受力本质是不同的。筒拱两端是无横隔支承的，而圆柱形薄壳两端是有横隔支承的。因而两者在承荷和传力上有着本质的区别。筒拱是横向以拱的形式单向承荷和传力的，纵向不传力，是平面结构。而圆柱形薄壳在横向以拱的形式承荷和传力，在曲面内产生横向压力，在纵向以纵梁的形式把荷载传给横隔。因此，圆柱形薄壳是横向拱与纵向梁共同作用的空间受力结构。 当圆柱形薄壳的跨波比不同时，圆柱形薄壳的受力状态就存在很大的区别。一般，圆柱形薄壳的受力特点分下面这三种情况。
3.2.1.1当
≥3时,由于圆柱形薄壳的跨度较长，横向拱的作用明显变小，横向压力较小，而纵向梁的传力作用显著。故圆柱形薄壳近似梁的作用，可按材料力学中梁的理论来计算。
3.2.1.2当 ≤1／2时,试验研究证明，由于圆柱形薄壳的跨度较小，圆柱形薄壳横向的拱作用明显，而纵向梁的传力作用很小，因此近似拱的作用。而且壳体内力主要是薄膜内力，故可按薄膜理论来计算。
3.2.1.3当 1／2< <3时,由于圆柱形薄壳的跨度既不太长，也不太短，其受力时
拱和梁的作用都明显，壳体既存在薄膜内力，又存在弯曲应力，可用弯矩理论或半弯
矩理论来计算。边梁是壳板的边框，与壳板共同工作，整体受力。一般边梁主要承受
12/l l 12/l l 12/l l
纵向拉力，因此需集中布置纵向受拉钢筋，同时，由于它的存在，壳板的纵向和水平位移可大大减小。
3.2.2圆柱形薄壳的采光与洞口处理
一般圆柱形薄壳覆盖较大面积，采光和通风处理的好与坏，直接影响建筑物的使用功能。一般情况下，圆柱形薄壳的采光可以采用以下几种方法。第一种，可在外墙上开侧窗；第二种，可利用在圆柱形薄壳混凝土中直接镶嵌玻璃砖；第三种，不论长短壳，可在壳顶开纵向天窗，而短圆柱形薄壳还可沿曲线方向开横向天窗；第四种，可以布置锯齿形屋盖。
由于圆柱形薄壳的壳体中央受力最小，故洞口宜在壳顶沿纵向布置。洞口的宽度，对于短壳不宜超过波长的1／3，对于长壳，不宜超过波长的1／4，纵向长度不受限制，但孔洞的四边必须加边框，沿纵向还须每隔2～3m设置横撑。
3.3双曲扁壳
圆柱形薄壳与球壳的结构空间非常大，对无需如此大的使用空间者，会造成较大的浪费，因此都欲降低其结构空间。当薄壳的矢高与被其覆盖的底面最小边长之比≤1／5时，人们称如此之壳体为扁壳。
因为扁壳的矢高与底面尺寸和中面
曲率半径相比要小得多，所以扁壳又
称为微弯平板。实际上，有很多壳体
都可作成扁壳，如属双曲扁壳的扁球
壳就是球面壳的一部分，属单曲扁壳
的扁圆柱形薄壳为柱面壳的一部分
等。本节所讨论的双曲扁壳为采用抛
物线平移而成的椭圆抛物面扁壳(如
图所示）。
3.3.1双曲扁壳的结构组成与形式
双曲扁壳由壳板和周边竖直的边缘构件组成。壳板是由一根上凸的抛物线作竖直母线，其两端沿两根也上凸的相同抛物线作导线平移而成的。双曲扁壳的跨度可达3～40m，最大可至l00m，壳厚δ比圆柱形薄壳薄，一般为60～80mm。
由于扁壳较扁，其曲面外刚度较小，设置边缘构件可增加壳体刚度，保证壳体不变形，因此边缘构件应有较大的竖向刚度，且边缘构件在四角应有可靠连接，使之成为扁壳的箍，以约束壳板变形。边缘构件的形式多样，可以采用变截面或等截面的薄腹梁，拉杆拱或拱形桁架等，也可采用空腹桁架或拱形刚架。
3.3.2双曲扁壳的受力特点
双曲扁壳在满跨均布竖向荷载作用下，壳板的受力以薄膜内力为主，在壳体边缘受一定横向弯矩。根据壳板中内力分布规律，一般把壳板分为三个受力区。1、中部区域：该区占整个壳板的大部分，约80％，壳板主要承受双向轴压力，该区强度潜力很大，仅按构造配筋即可。一般洞口开设在此区域。2、边缘区域：该区域主要承受正弯矩，使壳体下表面受拉，为了承受弯矩应相应布置钢筋。当壳体愈高愈薄，则弯矩愈小，弯矩作用区也小。3、四角区：该区域主要承受顺剪力，且较大，因此产生很大的主应力。为承受主压应力，将混凝土局部加厚，为承受主拉应力，应配置45°斜筋。（如下图所示）
3.4鞍壳、扭壳
鞍壳是由一抛物线沿另一凸向相反的抛物线平移而成的，而扭壳是从鞍壳面中沿直纹方向取出来的一块壳面。由此可见鞍壳、扭壳都为双曲抛物面壳，并且也是双向直纹曲面壳。由于鞍壳、扭壳受力合理，壳板的配筋和模板制作都很简单，造型多变，式样新颖，深受欢迎，发展很快。
双曲抛物面的鞍壳、扭壳结构是由壳板和边缘结构组成。当采用鞍壳作屋顶结构时，应用最为广泛的是预制预应力鞍壳板。鞍壳板宽 1.2～3m，跨度 6～27m，宽向矢高 (1／24～1／34) 板宽，跨向矢高 (1／35～1／75) 跨度。一般用于矩形平面建筑。由于鞍壳板结构简单，规格单一，采用胎模叠层生产，生产周期短，造价低，因此已被广泛用于食堂、礼堂、仓库、商场、车站站台等。当采用鞍壳作为屋顶的壳板时，一般其边缘构件根据具体情况而定。如当采用预制鞍壳板时，其边缘构件，可采用抛物线变截面梁、等截面梁或带拉杆双铰拱等。当屋盖结构采用扭壳时，常用的扭壳形式有双倾单块扭壳、单倾单块扭壳、组合型扭壳可以用单块作为屋盖，也可用多块组合成屋盖。当用多块扭壳组合时，其造型多变，形式新颖，往往可以获得意想不到的艺术效果。
3.4.1鞍壳、扭壳的受力特点
鞍壳、扭壳的受力是非常理想的，一般均按
无弯矩理论计算。在竖向均布荷载作用下，曲
面内不产生法向力，仅存在平行于直纹方向的
顺剪力，且壳体内的顺剪力S都为常数，因而
壳体内各处的配筋均一致。顺剪力S产生主拉
应力和主压应力，作用在与剪力成45°角的截
面上。主拉应力沿壳面下凹的方向作用，为下
凹抛物线索，主压应力沿壳面上凸的方向作用，
为上凸抛物线拱。（如右图）
4 薄壳结构的应用与发展
4.1薄壳结构技术的应用
早在一两千年前就有了罗马万神庙为砖石圆顶——一种壳体结构，但是壳体结构发展缓慢。而到了19世纪后半叶，由于新材料的出现，尤其是钢筋混凝土的出现，使得壳体结构有了大的发展。在意大利、法国、西班牙以及墨西哥等国对钢筋混凝土壳体结构的发展做出了重要贡献。
意大利奈尔维发明了钢丝网水泥薄壳，其断面很薄，并具有很好的弹性。他于1960年建成的罗马奥运会大小体育馆其壳体折算厚度仅6cm，壳体重量为0.15t/m2，堪称结构与建筑有机结合的典范。
墨西哥工程师坎德拉在钢筋混凝土薄壳方面也做出了杰出的贡献。他设计出很薄
的双曲抛物面薄壳，如墨西哥大学宇宙线实验室和优美的餐厅，并在扭壳结构方面做出了非凡的成就。利用直纹双曲抛物面薄壳的周边构件仅受轴向压力的特点，以最少的支柱做出较大的悬挑，这为建筑师创造新颖轻快的建筑形象和随意在墙上开出门窗提供了极大的方便。他同时又提出了扭壳结构的许许多多可行的组合方案，为建筑师应用这类结构留有较大的创造余地。
此外，1976年蒙特利尔奥运会由泰雷伯尔设计的装配式钢筋混凝土雨篷的体育场和薄壳屋盖的自行车比赛馆，以及法国格勒诺布尔冬奥会的双层钢筋混凝土薄壳交叉组合屋盖的冰球馆，1988年卡尔加里冬奥会的装配式钢筋混凝土格构式薄壳速滑馆，意大利都灵展览馆，伊利诺伊大学钢筋混凝土薄壳结构的圆顶体育馆，美国麻省理工学院小礼堂，法国德方斯展览馆等，这些杰出的建筑作品在基于薄壳结构的基础上实现了设计创新，有力的推动了现代薄壳建筑艺术和技术的发展。
4.2薄壳结构的发展——网壳结构
网壳结构源于薄壳并具有网架结构的一种新的空间结构形式，又称曲面网架。它既有靠空间体形受力的优点，又有工厂生产构件现场安装的施工简便、快速的长处，因而它以受力合力，刚度大、自重轻、体形美观多变，技术经济指标好而成为大跨结构中备受关注的一种结构形式。从外观形态上通也常将其分为筒壳、球壳、扭壳等形式。
网壳结构的结构材料可以是钢材、钢筋混凝土、铝合金、木材（或胶合板）和其他复合材料。网壳结构可以设计成单层或者双层的。单层网壳、特别是钢网壳的面外刚度较弱，对受压失稳较为敏感。双层网壳较单层网壳具有较好的面外抗弯性能，能够降低非均布荷载和结构几何缺陷等因素带来的不利影响，提高结构的抗压稳定性和承载力，因此当跨度大或有较大不对称荷载作用时，宜采用双层网壳。
5 案例研究
5.1球壳案例——克斯吉体育馆
此体育馆1955年建于麻省理工，建筑师为埃罗.沙里宁（Eero Saarinen）。此建筑的基本构成为以三点支撑的1/8圆。三点间的拱高18.6m，其平面投影为曲形，并装上玻璃，大面玻璃后的空间恰好可以作为聚集观众的休息平台。它的外观充分表达其结构性，但是室内音响效果并不好，曲墙会造成音焦点。穹顶半径为34m，薄壳平均厚度8.7cm，但在底部加厚为50cm，以抵抗此处的力。薄壳与窗户交界处，则以边梁收边，并可容纳雨水排水沟，支撑点特意加强其配筋，对弯曲应力而言，其作用有如旋转接头，并以混凝土扶壁支撑。薄壳附有50mm的保温层，以现在的标准来看并不够，为了隔音，此保温层又另外覆以一层混凝土。如此，原先薄壳在材料上的经济性便大打折扣。
5.2筒壳案例——金贝尔美术馆
此美术馆建于1972年，建筑师路易斯.康。美术馆服务空间小跨距和被服务空间
大跨距。屋顶包括14块筒壳，跨距为30.5m
ⅹ7m，其中两片恰好为室外的雨披，这些筒壳
的剖面为摆线形。筒壳由方柱支撑，墙均为非
承重墙。大部分的筒壳屋顶在中央都有一道
91cm宽的天窗，筒壳屋顶所受的压力则经由分
持屋顶两半的混凝土块传递至两端。混凝土块
间的筒壳，作用如水平梁。天窗附近的混凝土
块则加厚，以维持稳定。筒壳边缘以混凝土边
梁加厚，很多人以为这些筒壳的结构机制和拱
一般，其实是错误的，否则混凝土边梁会更加厚。
筒壳底部除却钢筋外还加上收拉钢索加强，只有在端部才加强为拱，拱与端墙间则为玻璃，强调端墙为非承重墙。
5.3双曲抛物面案例——星海音乐厅
星海音乐厅位于广州二沙岛，造型奇特
的外观，富于现代感，犹如江边欲飞的一
只天鹅，与蓝天碧水浑然一体，形成一道
瑰丽的风景线。这座以人民音乐家冼星海
的名字命名的音乐厅，占地1.4万平方米，
建筑面积1.8万平方米，设有1500个座位
的交响乐演奏大厅、460个座位的室内
乐演奏厅、100个座位的视听欣赏室和
4800平方米的音乐文化广场。整体建筑为
双曲抛物面钢筋混凝土壳体，室内不吊天
花板，做到建筑空间与声学空间融为一体。
星海音乐厅总投资达2.5亿元，是我国目前规模最大、设备最先进、功能完备、具有国际水平的音乐厅。星海音乐厅东为广东美术馆，北为广东华侨博物馆，三者形成富有特色的文化景观。音乐厅主体东侧是文化广场，由冼星海青铜雕像、音乐喷泉、水上音乐舞台等组成，是举行群众性广场音乐会和市民休息漫步的好去处。北广场的中心是一个刻有青龙、白虎等图案的梯形平台，寓意汉文化的形成。南广场地面上砌成巨大弧形图案，像风帆，也像收紧的渔网，在灯光的闪烁间，给人一种“渔歌唱晚”的意境。
星海音乐厅临珠江而建，充满现代感的双曲抛物面几何体结构雄伟壮观，是一座令人赞赏的艺术殿宇。自北向南斜望，音乐厅像一只展翅欲飞的天鹅，从西往东看，南面的抛面与二楼平台构成一架撑起盖面的大钢琴，与珠江的碧水合奏着永不休止的和弦；晴日里，从两条抛物面的弧形脊看旭日喷薄而出和夕阳西坠，又似五线谱上圆圆的音符。
浅析仿生设计在建筑中的运用
浅析仿生设计在建筑中的运用 摘要：仿生设计学，亦可称之为设计仿生学（Design Bionics），它是在仿生学和设计学的基础上发展起来的一门新兴边缘学科。仿生建筑以生物界某些生物体功能组织和形象构成规律为研究对象，探寻自然界中科学合理的建造规律，并通过这些研究成果的运用来丰富和完善建筑的处理手法，促进建筑形体结构以及建筑功能布局等的高效设计和合理形成。 关键词：仿生设计学中国仿生建筑结构仿生形态仿生功能仿生 中图分类号: TU2 文献标识码：A 前言 仿生设计学，亦可称之为设计仿生学（Design Bionics），它是在仿生学和设计学的基础上发展起来的一门新兴边缘学科。从某个意义上说，仿生建筑也是绿色建筑，仿生技术手段也应属于绿色技术的范畴。 随着当今居住环境的巨大变化，仿生建筑的研究赋予了追求健康生活，改善生态环境的目标，仿生设计在建筑中的运用探析体现了建筑师对可持续发展意识和人类居住环境的关心。 1仿生建筑学原理及发展趋势 仿生建筑学的原理就是以生物界某些生物体功能组织和形象构成规律为原理，探索自然界科学合理的建筑规律，并通过这些原理来丰富和完善建筑处理手法，促进建筑形体结构及建筑功能布局等的高效设计和合理形成。建筑设计师在设计中引入一定的生物的特点、性能、结构和功能，使得建筑设计更加实用、更加具有美感、更加节约材料等，最终实现建筑设计的改良和优化。 随着人类社会的不断发展，建筑仿生是一个老课题，也是一种最新的科研趋向，它愈来愈引起人们的注意。建筑仿生也呈现出来新特征，主要体现在四个方面，包括环保节能、标准化、智能、多维空间。从城市总体到单体建筑，从居住环境到材料都可涵盖。未来的城市将是仿生与生态的城市。 2仿生设计在现代建筑中的运用 2.1结构仿生 生物为了存在和发展都具有一定的强度、刚度和稳定性的结构,在长期进化过程中自然而然地形成最合理、最稳定、最经济的结构形态。如一只蛋壳、一个蜂巢，看似弱小，却能承受很大的外力。比如蛋壳的拱形结构与其表面的弹性膜一起构成了预应力结构，在工程上称为薄壳结构。自然界中巧妙的薄壳结构具有
薄壳结构
建筑结构选型 ——薄壳结构 学校： 专业班级： 指导老师： 小组成员：
摘要 大跨建筑中的壳体结构通常为薄壳结构，即壳体厚度于其中的最小曲率半径之比小于1/20，为薄壁空间结构的一种，它包括球壳、筒壳、双曲扁壳和扭壳等多种形式。他们的共同特点在于通过发挥结构的空间作用，把垂直于壳体表面的外力分解为壳体面内的薄膜力，再传递给支座，弥补了板、壳等薄壁构件的面外薄弱性质，以比较轻的结构自重和较大的结构刚度及较高的承载能力实现结构的大跨度。 关键词 形态分类受力特点应用与发展案例研究 正文 1 薄壳结构的定义 壳，是一种曲面构件，主要承受各种作用产生的中面内的力。薄壳结构就是曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大都采用钢筋和混凝土。壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。 1.1薄壳结构的特点 壳体结构一般是由上下两个几何曲面构成的空间薄壁结构。两个曲面之问的距离即为壳体的厚度(δ)，当δ比壳体其他尺寸(如曲率半径R，跨度等)小得多时，一般要求δ/R≤1/20(鸡蛋壳的δ/R≈1/50)称为薄壳结构。现代建筑工程中所采用的壳体一般为薄壳结构。而薄壳结构为双向受力的空间结构，在竖向均布荷载作用下，壳体主要承受曲面内的轴向力(双向法向力)和顺剪力作用，曲面轴力和顺剪力都作用在曲面内，又称为薄膜内力。而只有在非对称荷载(风，雪等)作用下，壳体才承受较小的弯矩和扭矩。 由于壳体内主要承受以压力为主的薄膜内力，且薄膜内力沿壳体厚度方向均匀分布，所以材料强度能得到充分利用；而且壳体为凸面，处于空间受力状态，各向刚度都较大，因而用薄壳结构能实现以最少之材料构成最坚之结构的理想。 由于壳体强度高、刚度大、用料省、自重轻，覆盖大面积，无需中柱，而且其造型多变，曲线优美，表现力强，因而深受建筑师们的青睐，故多用于大跨度的建筑物，如展览厅、食堂、剧院、天文馆、厂房、飞机库等。 不过，薄壳结构也有其自身的不足之处，由于体形多为曲线，复杂多变，采用现浇结构时，模板制作难度大，会费模费工，施工难度较大；一般壳体既作承重结构又作屋面，由于壳壁太薄，隔热保温效果不好；并且某些壳体(如球壳、扁壳)易产生回声现象，对音响效果要求高的大会堂、体育馆、影剧院等建筑不适宜。 2 薄壳结构型式与曲面的关系 2.1旋转曲面 由一平面曲线作母线绕其平面内的轴旋转而成的曲面，称为旋转曲面。该平面曲线可有不同形状，因而可得到用于薄壳结构中的多种旋转曲面，如球形曲面、旋转抛物面和旋转双曲面等（如下图）。圆顶结构就是旋转曲面的一种。
薄壳结构
薄壳结构受力特点及天津博物馆案例分析 班级：土木N073 学号：2007456791432 姓名：周峰近几年来，建筑师又在蛋壳的启示下，设计了小到自行车棚大到现代化的大型薄壳结构的建筑物。这种建筑物既坚固又节省材料。我国北京火车站大厅房顶就是采用这种薄壳结构，屋顶那么薄，跨度那么大，整个大厅显得格外宽敞明亮，舒适美观。举世闻名的悉尼歌剧院也是一座典型而新颖的薄壳建筑。 薄壳结构壳，是一种曲面构件，主要承受各种作用产生的中面内的力。薄壳结构就是曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大都采用钢筋和混凝土。壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。实际工程中还可利用对空间曲面的切削与组合，形成造型奇特新颖且能适应各种平面的建筑，但较为费工和费模板。 1．筒壳（柱面薄壳）：是单向有曲率的薄壳，由壳身、侧边缘构件和横隔组成。横隔间的距离为壳体的跨度l↓1，侧边构件间距离为壳体的波长l↓2。当l↓1／l↓2≥1时为长壳，l↓1／l↓22＜1为短壳。2．圆顶薄壳：是正高斯曲率的旋转曲面壳，由壳面与支座环组成，壳面厚度做得很薄，一般为曲率半径的1／600，跨度可以很大。支座环对圆顶壳起箍的作用，并通过它将整个薄壳搁置在支承构件上。3．双曲扁壳（微弯平板）：一抛物线沿另一正交的抛物线平移形成的曲面，其顶点处矢高f 与底面短边边长之比不应超过1／5。双曲扁壳由壳身及周边四个横隔组成，横隔为带拉杆的拱或变高度的梁。适用于覆盖跨度为20～50米的方形或矩形平面（其长短边之比不宜超过2）的建筑物。4．双曲抛物面壳：一竖向抛物线（母线）沿另一凸向与之相反的抛物线（导线）平行移动所形成的曲面。此种曲面与水平面截交的曲线为双曲线，故称为双曲抛物面壳。工程中常见的各种扭壳也为其中一种类型，因薄壳结构容易制作，稳定性好，容易适应建筑功能和造型需要，所以应用较为广泛。 蛋壳就是利用了薄壳结构原理，由于这种结构的拱形曲面可以抵消外力的作用，结构更加坚固。龟壳的背甲呈拱形，跨度大，包括许多力学原理。虽然它只有2 mm 的厚度，但使用铁锤敲砸也很难破坏它。建筑学家模仿它进行了薄壳建筑设计。这类建筑有许多优点：用料少，跨度大，坚固耐用。壳体结构具有十分良好的承载性能，能以很小的厚度承受相当大的荷载。壳体结构的强度和刚度主要是利用了其几何形状的合理性，以材料直接受压来代替弯曲内力，从而充分发挥材料的潜力。因此壳体结构是一种强度高、刚度大、材料省的即经济又合理的结构形式。 在天津市中心区友谊路银河公园旁，一座酷似“白天鹅”的建筑，昂首挺立，展翅欲飞。这就是我国北方唯一的仿生薄壳式建筑——天津博物馆。天津博物馆坐落于天津市河西区友
浅谈薄壳结构
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1.2 m，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年建成的德国耶拿蔡司天文馆，25 m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73 m×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2 in。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
浅谈近现代空间结构的形式与发展
浅谈近现代空间结构的形式与发展 05110419 周雅 （指导老师：罗斌） 摘要：现代大跨空间结构大致是在二十世纪七八十年代，基于采用轻质高强的膜材、钢索、钢棒等，应用新技术而发展起来的轻盈、高效的结构体系，诸如气承式充气膜结构、索膜结构、索桁结构、张弦梁结构、弦支网壳结构、索穹顶结构、索穹顶网壳组合结构、张弦气肋梁结构等。大跨度空间结构往往是衡量一个国家或地区建筑技术水平的重要标志，形态各异的空间结构在体育场馆、会展中心、影剧院、大型商场、工厂车间等建筑中得到了广泛的应用。其结构形式主要包括网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构、薄壳结构等五大空间结构及各类组合空间结构。本文分两部分结合工程实例，分别介绍了传统近代空间结构分类及部分现代新型空间结构。 关键词：现代空间结构新型空间结构工程应用 1传统大跨结构分类 1)薄壳结构（包括折板结构） 薄壳结构是指用钢筋混泥土等刚性材料以各种曲面形式构成 的薄板结构，分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等。薄壳 结构呈空间受力状态，主要承受曲 面内的轴力，而弯矩和扭矩很小，所以混泥土强度能得到充分利用，其强度和刚度非常好，厚度一般仅 为跨度的几百分之一。薄壳结构有 自重轻、省材料、跨度大、外形多 样的优点，但它有形体复杂，多采 用现浇施工，费时，费工，费模板， 结构计算复杂等缺点。典型的薄壳 结构有悉尼歌剧院、宇宙射线实验 馆等。 2)网架结构 网架结构是以多根杆件按照一定规律组合而成的网格状高次 超静定结构。它通常是由钢管或者 型钢制作而成，具有空间刚度大； 整体性和稳定性好；安全度高；具 有良好的抗震性能；网架高度小、用钢量少；用小规格短杆件构成大 跨度结构；平面布置灵活、有利于 管道及设备安装；杆件、节点可标 准化生产；运输、安装方便、快速；
浅谈水泥砂浆内衬在沙特海水淡化管道中的应用
年月浅谈水泥砂浆内衬在沙特海水淡化管道中的应用 朱英杰（中石化中原油建工程有限公司沙特农业部净化水输水管线项目部 河南濮阳457001） 摘要：水泥砂浆衬里管道内防腐是采用各种成型工艺，将搅 拌好的水泥砂浆，在清理过的管道内壁上按照设计厚度要求，分一次或多次涂衬，经过一定时间养护后，形成一个与管道内壁紧密结合的高强度环形圆壳体内衬层。本文简要阐述了水泥砂浆内衬防腐机理和特性，结合在沙特大口径海水淡化管线工程的实例对水泥砂浆内衬施工技术、质量控制进行了详细的探讨。 关键词：水泥砂浆内衬；施工技术；质量控制一、防腐机理和特性 水泥砂浆内衬主要采用硅酸盐水泥，其成分是硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和石膏等，而硅酸三钙占硅酸盐水泥重量的50%以上，其水化主要反应生成的水化硅酸钙决定了水泥砂浆的强度，氢氧化钙决定了水泥砂浆的碱性。而氢氧化钙的存在对于水泥砂浆来说是维护水化硅酸钙稳定性的一个重要条件，对于被保护的腐蚀体金属管道来说，在水质条件下，提供了一个高碱性的环境。通常氢氧化钙的饱和液pH 值为12.4，再加上水泥中含有微量的钾或钠，可使水泥砂浆碱性pH ≥13.0。显而易见，水泥的碱性足以使金属管道得到钝化保护。水泥砂浆的碱性大小、碱储量的多少取决于单位体积水泥砂浆中氢氧化钙的生成量，而氢氧化钙的生成量又随水泥品种不同而多少相应变化，一般为15%-25%。 钢管内壁的水泥砂浆衬里并不是完全致密的隔离层，水的浸润作用可通过水泥砂浆内衬达到钢管表面。在钢管表面和水泥砂浆内衬的内表面的溶液具有强碱性，pH 值在12.5左右，可在钢管内表面由电化学反应形成氧化铁水合物钝化膜，形成阻止锈垢成长的化学防腐保护薄膜；大口径海水淡化管道水泥砂浆内衬的特性主要表现为环拱作用、弹性、自然愈合性和浸透性： a.水泥砂浆固化在管壁上形成环形薄壳结构，通水后在水化作用下，膨胀紧压在钢管内壁上，比一般只靠粘结的涂料附着力要大许多，保护内衬不易脱落；同时，由于具有一定厚度的水泥砂浆的薄壳环拱结构抗压强度大，每2m m 厚度的薄壳环拱强度相当于1mm 厚钢管的强度，钢管与水泥砂浆内衬的复合，可增加钢管的强度，减小钢管的壁厚，所以制成水泥砂浆薄壁复合管材，可减少钢材的用量，节约成本。 b.水泥砂浆由细小的颗粒组成，当钢管受内压力作用变形时，管材直径增大，弹性体的潜在能量会自动调整而减少。当内压力突然消失，管径将随之缩小，以1/10的形变试验可证明这一点。水泥砂浆内衬经得起弯扭作用，具有一定弹性。 c.水泥砂浆内衬具有自愈合性。对于养护不当失水造成的细小裂缝(宽度小于1.6mm )在通水后水化膨胀作用下可使水泥里的游离氧化钙通过形成碳酸钙穿过裂缝间隙，填充残留的开裂区域，自然愈合弥补缺陷。二、技术流程 水泥砂浆内衬主要采用机械涂敷抹面方法进行内衬施工，其两端管口处用人工精修。将连有输送水泥砂浆导管的机械涂敷小车由一端送入管材另一管口处，机械涂敷小车沿管道轴线行走，逆向施工。相较于传统的人工压实施工，离心抛射力量更大，涂敷更均匀，旋转压板压紧力持续恒定，压光效果更好，内衬表面平整一致，光滑美观，密实度均匀，整体厚度偏差较小。 该施工方法，旋转压板旋转压实过程中，会在水泥砂浆内衬上留下螺纹压痕；此外，在离心喷涂施工时，叶轮喂料以及水泥砂浆在垂直平面内抛射过程中会不可避免得受到重力影响，导致内 衬切面圆周方向厚度的一致性受到影响，一般情况下，6点方向较 12点方向涂层厚1~2mm ；此施工方法一次涂抹厚度为12~16mm ，满足本项目对内衬厚度的要求，但如果需求厚度超过该范围，则需多次涂抹，无法一次完成。三、施工质量控制 沙特气候常年干燥少雨、日夜温差大(平均日间温度42度，夜间温度15度)、风沙现象严重，综合考虑施工进度及后续工序的进行和内衬质量，因此内衬施工选取在夜间进行。结合内衬实际施工，从以下几个方面介绍质量控制： 1.在搅拌水泥砂浆时，设备旁备有水罐车，拌料技术工人根据机器搅拌中的料的粘稠度、硬度控制水的添加量；在装卸车将料卸入至水泥砂浆泵前，现场质检员需检测浆料粘稠度和原料温度，充分保证原料质量。 2.在内衬施工时，水泥砂浆泵通过两节50m m 压力软管在向机械涂敷车输送水泥砂浆时，曾发生因泵压不稳从而导致水泥砂浆在泵斗内堵塞输送不畅的现象；故我项目安排专人在水泥砂浆泵旁翻动疏通斗内水泥砂浆，保证压力平稳进料均匀，内衬作业不间断、平稳进行。 3.内衬制作完成后，现场质检员用环形探针式厚度检测计取每根管子末端3点、6点、9点和12点的四个点位检测内衬潮湿厚度 水泥砂浆内衬厚度和公差将按照AWWA C 205-07I.执行4.在内衬施工中，因除锈不净、原料密实度不够、机械涂敷小车故障、管材内纵向焊缝等原因，曾导致涂敷施工中或涂敷后短时间内出现漏涂、衬里坍塌等现象，对于漏涂状况，要求在不影响周边已内衬好的衬里的情况下人工进行修复；对于大面积坍塌现象，要求将管内砂浆全部清理干净，重新喷砂、涂敷。 5.处于对环境温度考虑，采用的是在夜间进行内衬防腐施工，夜间数10个小时的持续工作，势必会增加设备损耗率、故障率。因此在日间安排专门技师加大对设备的检修与保养，并制定详细的检修计划及做好检修记录，延长设备寿命，提高设备利用率，为内衬施工质量及进度提供强有力保证，同时也降低了工程的成本。四、施工注意事项 1.在装卸运输与敷设的过程中，经过内衬养护的钢管要轻缓平稳，以免使水泥砂浆衬里由于震动甚至松动脱落，且务必保持管子末端密封严实。 2.水泥砂浆衬里位于钢制管件和焊接的接口处，需要采用手工技术涂敷，因此必须保证焊缝内表面应光滑平整且焊接接口圆度，从而保证手工涂敷的水泥砂浆衬里质量。 3.输水管线调压、覆土回填必须满足水泥砂浆衬里养护时间后依次进行。参考文献： [1]林发．管道现场内涂衬技术述评[J]．油田地面工程，1992，11(5)：31—34． [2]董学旺．水泥砂浆衬里管道防腐技术[J]．油气田地面工程，2000，19(3)：43—44． [3]曲国华王剑华．大口径埋地输水管道水泥砂浆内衬防腐蚀技术[J]．石油工程建设，1997（5）：27—29． [4]王亚玲;张弛;金属的无机防腐材料及技术[J]科技经济市场，,5（5）：5技术管理 3 20147200701114-11. 12
由薄壳结构中薄与壳的读音问题引发的思考
由“薄壳结构”中“薄”与“壳”的读音问题引发的思考四语备课室在讨论四下《人类的“老师”》里出现的“薄壳结构”中“薄”与“壳”这两个多音字的读音问题的过程中，不仅使问题本身得到了解决，而且引发了我们更多的思考。 首先是因为多音字（或称多音多义字）数量众多，是汉字字音特点“三多”之一（另外两多是同音字多，形声字多且声旁表音的情况复杂、规律性不强），所以我们要重视多音字的问题。 汉字中的多音字有多少？我统计了一下：在2500常用字和1000次常用字中，多音字分别有317和87个，共404个，占11.5%多一点。（我看到过的一份统计是405个，占11.6%。）这已经不少了。另外，在《普通话异读词审音表》中还有344个“统读”的汉字（在2500常用字和1000次常用字中分别为223、121个）本来也是多音字，审定注明为“统读”后才“不论用于任何词语中只读一音”。（例如“蔬菜”的“蔬”原来有shū和sū两个读音，现统读为shū。）如果把这些定为“统读”的也计算在内的话，那么，3500个常用字中多音字就有748个，比例就高达了21.4%。 第二个值得思考的就是为什么会有这么多的多音字？ 多音字的现象是汉字经历了从古至今长时期的发展变化形成的。有关专家的研究表明，现代汉语中的多音字主要可以分为这么几种类型： （一）多义多音。一个汉字起初只有一个意思，即所谓“本意”，以后引申、再引申，甚至多次引申，就出现了以多音来区别多义的情况。大多数多音字都属于这个类型。 （二）文、语之异（“文读”即“书面语”，也称“读书音”“读音”；“语音”即“口语”，也称“口语音”“白读”）。“文、语”并存，各有其用。语体不同，读音不同，读音有区别语体的作用。 （三）用法有别。使用的情况不同，因而读音不同，读音有区别用法的作用。如“削”字，[xiāo]音用于“削果皮、削铅笔”等单纯词；[xuē]音用于“削弱、剥削”等合成词。普通用法和特殊用法的不同也会造成读音不同。如“单”字，一般都为[dān]音，如“单纯、简单”等；姓“单”、“单县”等人名、地名为[shàn]音；在“单于”这古代匈奴的君主名称中则要读[chán]音。 （四）古义又读。如“横”字有[hénɡ] [hènɡ]两个读音，两音中表“不顺情理的；蛮不讲理的”之义虽与表“粗暴，不讲道理”之义意思相近，但在“横加干涉、横行霸道”等成语或文言词中读[hénɡ]音，在“强横、蛮横”等词语里读[hènɡ]音。 （五）又音两存。又音，不辩义，也非“文、白”之分，长时期两读。如“谁”字的[shuí]与[shéi]等。 （六）方音影响。这是因方言词汇进入普通话，方言的音与义也同时带入，由此造成的多音，在意义上一般无联系。（如“忒”字，“差忒”是“差错之意”，读[tè]音；“风忒大”是“风太大”，读[tuī]音。 （七）特定读音。如“迫”字读[pò]，但在“迫击炮”中必须读[pǎi]。“薄壳结构”如果确实是专业术语，就应按业内人士的特定读音去读。 再就是怎样处理好多音字的问题。 多音多义字的大量存在，给汉字教学、使用和汉字信息处理带来一定的困难。我们在说话、阅读、朗读中遇到多音字时，最基本的办法是“辨义定音”，即根据该字在上下文中的意义来决定其具体的读音。通过查找工具书或者请教别人，也可以解决多音字的问题。我们凤凰语文网上所进行的有关讨论、交流，也是一种很好的办法。对于一些既不影响表达，又不会引起歧义的情况，不妨宽厚一些。 最后，我认为老师们可以就“薄壳结构”中“薄”与“壳”的读音问题跟学生加以说明，但没有必要认错，因为这不是对与错的问题。说实话，我在没看到“薄壳结构”有特定读音
双曲抛物面薄壳结构塔类建筑建设浅谈
双曲抛物面薄壳结构塔类建筑建设浅谈 摘要薄壳结构一般是指由两个几何曲面构成的空间薄壁结构，该结构可以充分利用材料强度，形成造型奇特新颖且能适应各种使用需求的建筑。本文以某座灯塔建设为例，对双曲抛物面薄壳结构建筑的建设进行介绍。 关键词双曲抛物面；薄壳结构；塔类；设计；施工 薄壳结构一般是指由两个几何曲面构成的空间薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大都采用砼。薄壳结构的优点是能充分利用材料强度，依靠曲面内的双向轴力和顺剪力，把受到的压力均匀地分散到物体的各个部分，减少受到的压力，做到同时将承重与围护两种功能融合为一。本文以某座灯塔建设为例，对双曲抛物面薄壳结构建筑的建设进行介绍。 1 项目概况 海南某航标处近期完成了一座沿海灯塔建设。该灯塔位于海南省文昌市铜鼓岭东侧的铜鼓咀上，高度53.6米，灯塔共13层，建筑面积约990平方米。该灯塔基础为桩基础，主体结构为钢筋混凝土核心筒剪力墙结构，塔顶为定制铜灯笼。该建筑方案由深圳天合建筑设计事务所有限公司完成，由黑龙江集盛建筑设计有限公司海南分公司配合完成施工图的设计。建筑外立面为三片双曲抛物面薄壳结构和三条带状玻璃幕墙围护而成。该灯塔造型独特、结构新颖，以雕塑手法设计流畅平滑的曲面造型，上扬、外张的外形使其极具动感及上进之意，建筑效果图及竣工图如图1、图2所示。 2 基础形式简介 因本项目位置在铜鼓咀山顶，又在海南岛陆地最东侧位置，台风登陆频繁，2015年曾遭遇“威马逊”17级超强台风，故基本风压取值按照17级台风风压考虑，即取2.25KN/平方米。灯塔基础根据地勘资料采用冲孔灌注桩，承台为整体性优良的联合桩筏，以满足抗倾覆要求。基础总计采用24根直径800mm的灌注桩，桩有效长度约22米，桩位布置如图3所示。 3 塔身建筑结构形式及施工要点 根据建筑方案塔身修长高耸的特点，塔身结构主体设计采用钢筋混凝土剪力墙筒体结构，底层扩大平面的裙房采用框架—剪力墙结构。该灯塔在平面设计上采用中间圆形空间向外与3个圆弧空间组合，3个圆弧空间组合分别通过圆心有3条对称轴，灯塔平面整体形同一朵盛开的3瓣花，灯塔垂直交通系统由楼梯与一部电梯组成。塔体高宽比为9.0，长宽比为 1.0。塔身平面尺寸由一层的边长20.785米，向上逐渐收窄，到第七层平面边长最小，为8.178米，再向上逐渐放大，到屋面层顶部的三片花瓣状造型边长为11.8米。
对于大跨度建筑构造的理解
对于大跨度建筑构造的理解 一幢完美的建筑，它不仅要符合功能要求，体现造型的艺术美，而且更要体现结构的合理性。只有建筑与结构的合理统一，完美的建筑才能竖立起来。建筑结构是隐藏于建筑物外表之下的，构成建筑空间，承载建筑荷载，使建筑物得以安全屹立与使用的空间受力体系。也就是说结构是一幢建筑的灵魂与基础，所以选择正确合理的建筑结构至关重要。 现今的建筑，其规模，其跨度越来越大，以前的建筑结构形式如混凝土结构、砌体结构、钢结构、轻型钢结构、木结构和组合结构等等已经不适应这些建筑，大跨度建筑结构就随之孕育而出。而对于大跨度建筑结构的概念，我们从字面上的意思就可以看得出，其横向跨越空间必定是很大，但其跨度范围还是不得而知。所谓大跨度建筑通常是指跨度在30m以上的建筑，我国现行钢结构规范则规定跨度60m以上结构为大跨度结构。主要用于民用建筑中的影剧院、体育馆、展览馆、大会堂、航空港候机大厅及其他大型公共建筑，工业建筑中的大跨度厂房、飞机装配车间和大型仓库等。 大跨度结构类型又分好几种，分别为拱结构、桁架结构、网格结构、折板结构、薄壳结构、悬索结构、膜结构等。 拱是古代大跨度建筑的主要结构形式。由于拱成曲面形状，在外力作用下，拱内的弯矩可以降到最小限度，主要内力变为轴向压力，且应力分布均匀，能充分利用材料的强度，比同样跨度的梁结构断面小，故拱能跨越较大的空间。但是拱结构在承受荷载后将产生横向推力，为了保持结构的稳定性，必须设置宽厚坚固的拱脚支座抵抗横推力。常见方式是在拱的两侧作两道厚墙来支承拱，墙厚随拱跨增大而加厚。很明显，这会使建筑的平面空间组合受到约束。拱的内力主要是轴向压力，结构材料应选用抗压性能好的材料。古代建筑的拱主要采用砖石材料，近代建筑中，多采用钢筋混凝土拱，有的采用钢衍架拱，跨度可达百米以上。拱结构所形成的巨大空间常常用来建造商场、展览馆、体育馆、散装货仓等建筑。 例如宁波的琴桥，其为下承式单承载面 系杆拱结构，始建于1997年12月，历时两 年建成，于1999年9月正式通车，据资料, 桥长120米，桥宽33米，拱高25米。琴桥
双曲抛物面薄壳结构塔类建筑建设浅谈
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/6d1278153.html, 双曲抛物面薄壳结构塔类建筑建设浅谈 作者：彭钟 来源：《建筑与装饰》2018年第16期 摘要薄壳结构一般是指由两个几何曲面构成的空间薄壁结构，该结构可以充分利用材料强度，形成造型奇特新颖且能适应各种使用需求的建筑。本文以某座灯塔建设为例，对双曲抛物面薄壳结构建筑的建设进行介绍。 关键词双曲抛物面；薄壳结构；塔类；设计；施工 薄壳结构一般是指由两个几何曲面构成的空间薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大都采用砼。薄壳结构的优点是能充分利用材料强度，依靠曲面内的双向轴力和顺剪力，把受到的压力均匀地分散到物体的各个部分，减少受到的压力，做到同时将承重与围护两种功能融合为一。本文以某座灯塔建设为例，对双曲抛物面薄壳结构建筑的建设进行介绍。 1 项目概况 海南某航标处近期完成了一座沿海灯塔建设。该灯塔位于海南省文昌市铜鼓岭东侧的铜鼓咀上，高度53.6米，灯塔共13层，建筑面积约990平方米。该灯塔基础为桩基础，主体结构为钢筋混凝土核心筒剪力墙结构，塔顶为定制铜灯笼。该建筑方案由深圳天合建筑设计事务所有限公司完成，由黑龙江集盛建筑设计有限公司海南分公司配合完成施工图的设计。建筑外立面为三片双曲抛物面薄壳结构和三条带状玻璃幕墙围护而成。该灯塔造型独特、结构新颖，以雕塑手法设计流畅平滑的曲面造型，上扬、外张的外形使其极具动感及上进之意，建筑效果图及竣工图如图1、图2所示。 2 基础形式简介 因本项目位置在铜鼓咀山顶，又在海南岛陆地最东侧位置，台风登陆频繁，2015年曾遭 遇“威马逊”17级超强台风，故基本风压取值按照17级台风风压考虑，即取2.25KN/平方米。 灯塔基础根据地勘资料采用冲孔灌注桩，承台为整体性优良的联合桩筏，以满足抗倾覆要求。基础总计采用24根直径800mm的灌注桩，桩有效长度约22米，桩位布置如图3所示。 3 塔身建筑结构形式及施工要点 根据建筑方案塔身修长高耸的特点，塔身结构主体设计采用钢筋混凝土剪力墙筒体结构，底层扩大平面的裙房采用框架—剪力墙结构。该灯塔在平面设计上采用中间圆形空间向外与3个圆弧空间组合，3个圆弧空间组合分别通过圆心有3条对称轴，灯塔平面整体形同一朵盛开的3瓣花，灯塔垂直交通系统由楼梯与一部电梯组成。塔体高宽比为9.0，长宽比为1.0。塔身
薄壳结构在工程中的应用
空间结构在工程中的应用 摘要：随着科技的日新月异的发展，空间结构在工程中的应用也越来越多，占着很重要的位置。空间结构指结构构件三向受力的大跨度的，中间不放柱子，用特殊结构解决的叫做空间结构。有以下五种类型：网架结构、悬索结构、壳体结构、管桁架结构、膜结构。下面让我们看一看空间结构在工程中的应用。 关键词：空间结构；应用；发展 1、研究空间结构在工程中的应用的意义 1.1空间结构在国内外科技创新发展概况和最新发展趋势 当今国际新型空间结构发展的热点当属张拉整体结构体系、膜结构、玻璃采光顶钢网壳等轻型体系。 1.1.1张拉体结构体系 1962年美国著名建筑大师R.B.Fuller提出张拉整体概念，并创造了Tensegrity 一词。Fuller将此形象地定义为使压杆成为拉杆海洋中的孤岛。1984年美国D．H．Geiger利用此概念构造了连续受拉索和不连续的压杆组成的预应力空间结构索穹顶，1988年用于汉城奥运会体育场馆与击剑馆以来，世界上已建索穹项十余幢。美M．ELevy和T．EJing设计的1996年亚特兰大奥运会主场馆，平面尺寸240×192m，更是得到了世界各国的瞩目。IASS--2004大会共有20多篇与此相关的论文。主要研究开拓新的结构型式、结构体系的判定、找型分析的运动学和静力学方法、预应力模态和优化设计、温度效应分析、稳定问题、施工成形技术全过程分析等。IASS委员会执委法国R．Morro经过十年研究，于2003年出版了索穹顶的专著，认为该类体系为结构的未来；2002年日本K．Kawaquchi等在Chiba建造了一对张拉整体框架，上有薄膜屋面，用以研究温度变化对结构的影响。 1.1.2 模结构 膜结构以其造型千姿百态、施工安装快速、自重轻、透明度较好等优点受到建筑界的青睐，近十余年来在国内外得到较迅速发展。IASS--2004大会就有12位教授应大会邀请作了“膜结构在中国的发展与现状”的报告。
浅谈混凝土在建筑中的使用
浅谈混凝土在建筑中的使用
浅谈混凝土在建筑中的使用首先我们谈一下它的概念：混凝土是指由胶凝材料，粗细骨料，水及其他材料，按适当比例配制并硬化而成的具有所需的形体，强度和耐久性的人造石材。又称为人工石或人造石，它的品种很多，如沥青混凝土，聚合物混凝土就是有机材料与无机材料的复合材料，钢筋混凝土，钢纤混凝土就是金属材料与无机非金属材料的复合材料；使用最多的普通水泥混凝土也是由水泥，砂，石，水及外加剂等多种材料组成的水泥基复合材料。 普通混凝土由水泥，砂，石和水所组成，另外还常加入适量的掺合料和外加剂。在混凝土中，砂，石起骨架作用成为骨料；水泥与水形成水泥浆，水泥浆包裹在骨料表面并填充其空隙。组成钢筋混凝土主要材料之一的混凝土的发展方向是高强、轻质、耐久（抗磨损、抗冻融、抗渗）、抗灾（地震、风、火〕、抗爆等。 作为历史发展的产物，混凝土在古代就已经出现并广泛应用，随 着历史的发展，混 凝土是现代建筑 中运用最广泛的 材料之一，它具有 结构性能好，可塑 性好，防水性能好 和适合工业化生 产等优点。其实早
在公元前120年，罗马人就使用混凝土建造了跨度43.6米的万神庙。 20世纪初期柯布西耶等现代主义建筑师开始将混凝土运用于建筑的造型设计和外墙材料，混凝土逐渐从单纯的结构材料发展成为一种建筑材料。在上个世纪60年代混凝土被广泛地运用于预制建筑构件。然而这个时期的建筑设计缺乏细部，重复而且冷漠，给混凝土造成了很大的负面影响。自70年代之后，安藤等建筑师给混凝土的运用带来了转机，开始重视深层次的工艺制作和个性设计体现。例如，为了消减混凝土立面的单调感，混凝土被浇注在特定的模板内以增加其表面的质感与纹理。这种材料重新吸引了国内外广大建筑师的兴趣，不过它的外观给人的感觉仍然比较单一。90年代以来混凝土在配料，施工和模具制作等技术方面的发展使得它的设计又有了很大的突破，也为建筑创作提供了更多机会。
大跨空间结构课程论文
浅谈大跨空间结构施工技术 摘要大跨度空间结构形式主要包括网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构、薄壳结构等五大空间结构及各类组合空间结构。形态各异的空间结构在体育场馆、会展中心、影剧院、大型商场、工厂车间等建筑中得到了广泛的应用。本文阐述了大跨度空间结构的主要结构形式及其特点，主要施工方法，并简要介绍了空间结构的一些最近进展。 关键词大跨度空间结构形式特点施工方法最新进展 1引言 随着科技与经济的发展，人们对结构有了越来越高的要求，结构的规模越来越大，形式也越来越复杂。大跨度空间结构是一类结构受力合理、刚度大、重量轻、杆件单一、制作安装方便的空间结构体系,它具有良好受力性能、形体优美，具有大空间的跨越能力，其良好的经济性、安全性和实用性，使其成为我国发展最快的结构形式之一，大跨度空间结构往往是衡量一个国家或地区建筑技术水平的重要标志。 2主要结构形式 2.1网架结构 由多根杆件按照某种规律的几何图形通过节点连接起来的空间结构称之为 网格结构，其中双层或多层平板形网格结构称为网架结构或网架。它通常是采用钢管或型钢材料制作而成。 2.1.1 网架结构的形式 （1）平面桁架系组成的网架结构。主要有：两向正交正放网架、两向斜交斜放网架、两向正交斜放网架、三向网架等型式。
（2）四角锥体组成的网架结构。主要有：正放四角锥网架、斜放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、棋盘形四角锥网架、星型四角锥网架、单向折线型网架等型式。 （3）三角锥组成的网架结构。主要有：三角锥网架、抽空三角锥网架（分Ⅰ型和Ⅱ型）、蜂窝形三角锥网架等型式。 （4）六角锥体组成的网架结构。主要形式有：正六角锥网架。 2.1.2 网架结构的主要特点 空间工作，传力途径简捷；重量轻、刚度大、抗震性能好；施工安装简便；网架杆件和节点便于定型化、商品化、可在工厂中成批生产，有利于提高生产效率；网架的平面布置灵活，屋盖平整，有利于吊顶、安装管道和设备；网架的建筑造型轻巧、美观、大方，便于建筑处理和装饰。 2.2网壳结构 曲面形网格结构称为网壳结构，有单层网壳和双层网壳之分。网壳的用材主要有钢网壳、木网壳、钢筋混凝土网壳等。 2.2.1 网壳结构的形式 主要有球面网壳、双曲面网壳、圆柱面网壳、双曲抛物面网壳等。 2.2.2 网壳结构主要特点 兼有杆系结构和薄壳结构的主要特性，杆件比较单一，受力比较合理；结构的刚度大、跨越能力大；可以用小型构件组装成大型空间，小型构件和连接节点可以在工厂预制；安装简便，不需大型机具设备，综合经济指标较好；造型丰富多彩，不论是建筑平面还是空间曲面外形，都可根据创作要求任意选取。 2.3膜结构 薄膜结构也称为织物结构，是20世纪中叶发展起来的一种新型大跨度空间结构形式。它以性能优良的柔软织物为材料，由膜内空气压力支承膜面，或利用柔性钢索或刚性支承结构使膜产生一定的预张力，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。 2.3.1 膜结构的主要形式
薄壳结构调研讲解
薄壳结构 班级学号：1101404-25 姓名：刘益宁 指导老师：彭懿 日期：2013.11.20
调研建筑：星海音乐厅·悉尼歌剧院·国家大剧院 1薄壳结构的定义： 壳，是一种曲面构建，主要承受各种作用产生的中面内的力。薄壳结构就是曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大都采用钢筋和混凝土。壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。 2薄壳结构的特点： 壳体结构一般是由上下两个几何曲面构成的空间薄壁结构。两个曲面之问的距离即为壳体的厚度(δ)，当δ比壳体其他尺寸(如曲率半径R，跨度等)小得多时，一般要求δ/R≤1/20(鸡蛋壳的δ/R≈1/50)称为薄壳结构。现代建筑工程中所采用的壳体一般为薄壳结构。而薄壳结构为双向受力的空间结构，在竖向均布荷载作用下，壳体主要承受曲面内的轴向力(双向法向力)和顺剪力作用，曲面轴力和顺剪力都作用在曲面内，又称为薄膜内力。而只有在非对称荷载(风，雪等)作用下，壳体才承受较小的弯矩和扭矩。 由于壳体内主要承受以压力为主的薄膜内力，且薄膜内力沿壳体厚度方向均匀分布，所以材料强度能得到充分利用；而且壳体为凸面，处于空间受力状态，各向刚度都较大，因而用薄壳结构能实现以最少之材料构成最坚之结构的理
想。由于壳体强度高、刚度大、用料省、自重轻，覆盖大面积，无需中柱，而且其造型多变，曲线优美，表现力强，因而深受建筑师们的青睐，故多用于大跨度的建筑物，如展览厅、食堂、剧院、天文馆、厂房、飞机库等。 不过，薄壳结构也有其自身的不足之处，由于体形多为曲线，复杂多变，采用现浇结构时，模板制作难度大，会费模费工，施工难度较大；一般壳体既作承重结构又作屋面，由于壳壁太薄，隔热保温效果不好；并且某些壳体(如球壳、扁壳易产生回声现象，对音响效果要求高的大会堂、体育馆、影剧院等建筑不适宜。 双曲抛物面案例 星海音乐厅 星海音乐厅位于广州二沙岛，造型奇特的外观，富于现代感，犹如江边欲飞的一只天鹅，与蓝天碧水浑然一体，形成一道瑰丽的风景线。这座以人民音乐家冼星海的名字命名的音乐厅，占地1.4万平方米，建筑面积1.8万平方米，设有1500个座位的交响乐演奏大厅、46个座位的室内乐演奏厅、100个座位的视听欣赏室和4800平方米的音乐文化广场。整体建筑为双曲抛物面钢筋混凝土壳体，室内不吊天花板，做到建筑空间与声学空间融为一体。星海音乐厅总投资达2.5亿元，是我国目前规模最大、设备最先进、功能完备、
什么是薄壳结构 壳,是一种曲面构件,主要承受各种作用产生的中
什么是薄壳结构壳，是一种曲面构件，主要承受各种作用产生的中各位读友大家好，此文档由网络收集而来，欢迎您下载，谢谢 ·什么是薄壳结构 壳，是一种曲面构件，主要承受各种作用产生的中面内的力。薄壳结构为曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大多采用钢筋混凝土。壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。实际工程中... ·什么是薄壳结构 壳，是一种曲面构件，主要承受各种作用产生的中面内的力。薄壳结构为曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大多采用钢筋混凝土。壳
体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。实际工程中... ·关于薄壳结构的形式 薄壳结构按曲面形成可分为旋转壳与移动壳；按建造材料分为钢筋混凝土薄壳、砖薄壳、钢薄壳和复合材料薄壳等。... ·关于薄壳结构的形式 薄壳结构按曲面形成可分为旋转壳与移动壳；按建造材料分为钢筋混凝土薄壳、砖薄壳、钢薄壳和复合材料薄壳等。... ·请介绍一下薄壳结构的特点 壳体结构具有十分良好的承载性能，能以很小的厚度承受相当大的荷载。壳体结构的强度和刚度主要是利用了其几何形状的合理性，以材料直接受压来代替弯曲内力，从而充分发挥材料的潜力。因此壳体结构是一种强度高、刚度大、材料省的即经济又合理的结构形式... ·请介绍一下薄壳结构的特点
壳体结构具有十分良好的承载性能，能以很小的厚度承受相当大的荷载。壳体结构的强度和刚度主要是利用了其几何形状的合理性，以材料直接受压来代替弯曲内力，从而充分发挥材料的潜力。因此壳体结构是一种强度高、刚度大、材料省的即经济又合理的结构形式... ·请介绍一下地下结构按结构形状划分 地下空间结构可按结构形状划分为矩形框架结构、圆形结构、拱与直墙拱结构、薄壳结构、敞开式结构等，如图所示。... ·请介绍一下地下结构按结构形状划分 地下空间结构可按结构形状划分为矩形框架结构、圆形结构、拱与直墙拱结构、薄壳结构、敞开式结构等，如图所示。... ·请介绍一下网壳结构主要特点 兼有杆系结构和薄壳结构的主要特性，杆件比较单一，受力比较合理；结
薄壳结构 仿生建筑
薄壳结构——仿生建筑 在浩瀚无垠的大海里，孕育了种类繁多，形态各异的海洋贝类，有的呈陀螺状、有的呈圆锥状、有的呈宝塔状、还有的呈圆盘状；千姿百态，令人称奇。 自然界生物的神奇来自于亿万年的选择进化、优胜劣汰。 贝壳的形貌包含着许多的几何曲线，这些曲线不仅丰富了数学家的研究视野，也启迪了建筑学家的设计思想，成为现代建筑设计模仿的重要目标。 图片2张：
一个像晨曦中的青蛤，一个似夜幕中的海螺，很漂亮吧？！ 这就是仿生建筑：它是以生物界某些生物体功能组织和形象构成规律为研究对象，探寻自然界中科学合理的建造规律，丰富和完善建筑的处理手法，促进建筑形体结构以及功能布局的高效设计和合理形成。从某个意义上说，仿生建筑也是绿色建筑。为什么这么说呢？ 因为这类建筑有一个共同的特点，那就是：它们都属于薄壳结构。
大家都知道：一个人握住一个鸡蛋使劲地捏，无论怎样用力也不能把鸡蛋捏碎。 薄薄的鸡蛋壳之所以能承受这么大的压力，是因为它能够把受到的压力均匀地分散到蛋壳的各个部分。 生物界的各种蛋壳、贝壳、乌龟壳、海螺壳等都是一种曲度均匀、质地轻巧的“薄壳结构”。这种“薄壳结构”的表面虽然很薄，但非常耐压。 壳体结构的强度和刚度主要是利用了其几何形状的合理性，以很小的厚度承受很大的重量。这就是“薄壳结构”的特点。 薄壳结构分为球壳、筒壳、扁壳和扭壳这四种主要结构类型。 一、球壳二、筒壳
三、扁壳四、扭壳 大跨度建筑中的壳体结构共同特点在于通过发挥结构的空间作用，把垂直于壳体表面的外力分解为壳体面内的薄膜力，再传递给支座，弥补了板、壳等薄壁构件的面外薄弱性质，以比较轻的结构自重和较大的结构刚度及较高的承载能力实现结构的大跨度。 那么壳体结构有哪些优点呢？ 一、重量：薄壳结构自体重量轻，这使得其结构的安全性、抗自然灾害的能力大为增强。 二、外观：薄壳结构拥有比普通钢结构更大的跨度及表现力。结构顶部及墙板可采用阳光板、耐力板、玻璃、彩板及传统建筑材料等。 三、造价：薄壳结构，在相同的面积及跨度之下价格更低，为普通结构建筑成本的60％～80％。 四、时间：薄壳结构拥有比普通钢结构更快的建造速度。
钢筋混凝土空间薄壳结构案例
钢筋混凝土空间薄壳结构圆顶结构案例分析 姓名：章名路 班级：建筑121 学号：2012012365 指导老师：韩景玮
1. 北京老山奥运自行车馆 （1）项目简介 北京2008奥运会老山自行车赛馆位于北京石景山区老山街，屋盖采用双层球面网壳结构，覆盖直径149．536 m，矢高14．69 m，矢跨比约为l／10，表面积约为18 240 m2．网壳支承于倾斜人字形钢柱及柱顶环形桁架之上，柱顶支承跨度为l 33．06 m．沿周边外挑8.238m,网壳厚度2．8 m，为跨度的1／47．5．屋盖以金属屋面板为主，中部设玻璃采光带．钢结构总用钢量为2040t，合112 k∥m2，其中双层球面网壳用钢量约70 kg，m2 （2）结构形式 网壳通过24对人字型柱支承于沿周边均匀分布的24根钢筋混凝土柱柱顶，人字型柱柱顶设置钢结构圈梁，利用网壳外挑部分设置圈梁桁架。钢筋混凝土柱柱顶标高+7.15m，网壳最高点标高+35.49m。网壳采用四角锥网格，最大网格尺寸为4.96m×4.24m，厚度2.8m。以四角锥网格为主，径向网格32个，最外圈环向网 格96个，向内经多次缩格使网格大小均匀，网壳杆 件采用圆钢管截面，钢管规格为矽114×4～矽203 ×12，节点为焊接空心球节点，规格为 D 300×12 一D600×24(加肋)．球面网壳周边通过环形桁架支 承于人字形钢柱柱顶，环形桁架由4根环梁通过腹
杆连接而成全部采用圆钢管截面，其中网壳上、下弦周边的3根环梁截面为>500×16，人字形钢柱柱顶环梁截面为>1 200×20，环梁与腹杆及与人字形钢柱均采用钢管相贯节点相连．人字形钢柱沿环向倾斜设置，共24对，其截面为>l 200× 18的圆钢管，柱脚采用铸钢球铰支座节点，如右图所示．除柱 脚铸钢节点钢材为Gs一20Mn5N外，室内钢结构钢材为 Q345B，室外则采用Q345C，以确保低温下的材料性能． （3）计算模型 网壳结构设计中假定所有节点为铰接节点，杆件为轴心受力的空间杆单元，采用空间杆系有限元法进行分析，分析模型如图5所示．采用空间网格结构设计软件TwcAD和通用有限元分析软件ABAQUS进行结构分析，以便相互校核．