说到格壳结构，首先我们看一下定义。格壳结构是由杆件沿一定曲面规则排列而形成的空间结构体系，其受力特性与薄壳结构相似，以“薄膜”效应为主要受力特性，即大多数载荷由格壳杆的轴向力承受。" （网壳结构的稳定性，沈士钊，陈欣等，1999）
▲大英博物馆中庭（伦敦，2000年）
▲米兰贸易博览会（米兰，2002-2005）
格壳结构特点
格壳结构的定义中有三个关键词：“曲面”、“杆”、“膜效应”。由此我们可以找到网壳结构在结构体系中的位置。
图片来源：《设计中的决策——没有最好，只有最合适》（陈伟SBP.建筑结构微信公众号）
网壳的受力模式是膜的作用，是拱结构的三维膨胀；因此网壳上也会出现类似拱形的问题。例如：整体稳定性问题；不对称负载敏感度等
▲各种网格形式的网格壳
网壳由离散的杆组成，可以看作是去掉连续壳的低效部分而得到的。它使用较少的材料，但因此具有较低的冗余度。网壳结构还需要注意节点的刚度、施工误差等。
▲单层网壳常用节点
根据以上特点，我们可以发现网壳结构的整体稳定性较差钢结构雨棚su模型，冗余度较低，对荷载分配方式和节点刚度比较敏感。因此，很多结构工程师都不愿意使用网壳，而网壳结构也确实发生过一些事故。
两起网壳结构倒塌事故
查尔斯·威廉·波斯特学院圆顶
查尔斯·威廉·波斯特学院于1970年修建了一座剧院，屋顶采用钢结构穹顶，直径约52米。它由周围的钢柱支撑。四十根钢管桁架沿钢柱之间的经线均匀排列。穹顶顶部安装钢制压环，底部采用圆形顶篷作为拉环。沿纬向每隔一个网格布置连续的交叉支撑。
▲穹顶结构布置示意图
1978年1月21日凌晨，剧院穹顶中心因冰雪堆积突然凹陷，随后整个剧院倒塌。
▲倒塌时的荷载分布
经专家组调查，主要原因是设计时采用过于简单化的计算方法，仅计算均匀自重和活荷载，没有考虑活荷载的不利布置。
当晚，受风影响，穹顶上飘起了大雪，积雪在背风面堆积，造成荷载不均匀。虽然总体雪荷载仅为总设计荷载的1/4，但却集中在1/3的屋顶表面，荷载分布不均匀导致倒塌。
▲结构失稳示意图
倒塌的另一个原因是结构工程师错误地将膜理论应用于网格穹顶设计。设计中没有建立拉杆系统模型来检验其整体稳定性。
布加勒斯特圆顶
罗马尼亚布加勒斯特穹顶建于1961年，跨度约93.6米，跨度比约1：5。由带有等边三角形网格的钢管杆组成的单层网格壳，支撑在沿圆形周边布置的混凝土柱上。三个方向的钢管在网格的节点处相交。如何连接它们？
▲网壳的三角网格
工程师们设计了一种用电线将它们绑起来的方法。这种连接方式可以实现所有部件的连接，大大简化了节点结构，节省了装配成本。
▲钢管相交节点的节点方法
1963年1月，穹顶仅在设计三分之一的雪荷载作用下就出现整体失稳。 “穹顶沿经度方向有多个波峰和波谷，像倒板一样倒塌，而钢管构件几乎没有损坏。”
▲失稳形式示意图
事故调查显示，造成穹顶整体失稳的主要原因有两个：
1）钢管相交节点采用的绑扎方法。这种方法不能限制杆之间的转动，甚至可能出现相对滑动，大大降低了结构的稳定性。
2）根据简化膜理论设计，钢网壳整体稳定承载力过低。实际计算需要根据成员网格进行。
▲不稳定前（左）；不稳定后（右）
看到这里，你可能会想，未来格壳结构会被淘汰吗？下面我们来回答一下这个问题。
网壳结构的未来
说到网壳结构，我们就得从混凝土薄壳说起。 20世纪中叶，混凝土贝壳蓬勃发展。 Eduardo Torroja、Felix Candela、Nicolas Esquillan、Heinz Isler等在世界各地实践了许多混凝土薄壳作品。它们的壳薄而脆钢结构雨棚su模型，至今仍是建筑与结构融为一体的精美作品。
▲混凝土薄壳案例
尽管混凝土外壳高效且美观，但它们现在基本上已经过时了。原因是，在建造薄混凝土外壳之前，必须使用模板建造异形复杂的曲面，而模板只能使用一次，不能重复使用。
这导致施工需要大量的模板和劳动力，到 20 世纪中叶，这被材料成本的节省所抵消。然而，进入21世纪，劳动力成本迅速增加。因此，混凝土薄壳结构的经济性急剧下降。
▲单层网壳
于是人们开始使用效率更高的单层网壳代替混凝土薄壳。然而，网壳的生产和安装价格也很难比较。那么网壳的发展方向在哪里呢？
1）杆的轻量化、标准化。
电网的电力传输效率高，因此可以用最少的材料完成覆盖。
同时，如果所有构件长度相同、节点标准化，则将大大节省网格的制造工序。 Schleich在这方面做了很多探索。
2）利用材料的韧性，将复杂的弧形壳体结构转化为简单的平面网格进行制造。
这是奥托在 20 世纪 60 年代将这个想法应用到曼海姆多功能厅的想法。
3）数字化建设发展。
如果未来机器人参与施工，表面对它们来说只是节点坐标的组合。届时，建设成本将大幅下降。
轻质网壳的探索
▲埃马努埃莱二世长廊（米兰，1865-1877）
这是一座建于19世纪末的古老铸铁格子外壳。可以看出，这个格子壳没有斜杆。它利用杆件的抗弯能力来抵抗平面扭转。
增加平面内刚度的一种直接方法是使用三角形网格。富勒发明了短线穹顶，并将其应用于1967年蒙特利尔国际博览会美国馆，一座直径76米的3/4球形建筑。
▲蒙特利尔世博会美国馆（1967年）
三角网格稳定，但透明度不够，不够轻。 Schlaich 想做一个四边形网格。第一个机会是在内卡苏尔姆游泳池。建筑师希望游泳池的屋顶成为球体的一部分。
▲内卡苏尔姆游泳池
Schlaich 使用了分为四边形网格的球壳。网格构件承受轴向力，并增加扎带对角节点，保证四边形网格的稳定性。
▲屋顶节点
为方便运输和安装，所有杆件均设计为1m标准长度，并在节点处采用螺栓连接。
为了保证球面的光滑度，杆不能太硬，需要能轻微弯曲和扭转。但不能太软，否则无法承受负荷。最后确定棒的横截面为6cmx4cm。
▲施工流程
缆索布置成在杆形成网格壳之后被张紧。经过测试和计算分析可以看出，加拉索后结构的变形大大减小。
▲测试结果
Schlaich对这个项目不是很满意，觉得建筑和结构的结合非常僵化。他认为这种网格外壳系统可以适应任何形状。很快他的下一个机会就来了。
▲汉堡博物馆中庭建筑师草图
汉堡博物馆的中庭将增加一个屋顶。中庭平面呈L形，一端宽14m，另一端宽17m。
该项目有两个主要诉求。首先，该项目由私人捐赠资助，预算有限；其次，博物馆希望屋顶对原建筑的影响尽可能小。因此，屋顶需要尽可能轻，使用尽可能少的材料，同时仍然看起来轻。
▲中庭加建的屋顶
屋顶结构在L形的两部分采用单曲壳，在相交处采用双曲壳。外壳被分成四边形网格。这种网格划分可以看作是拱门的排列，拱门之间通过纵向杆连接。
▲中庭屋顶平面图及立体图
正如你可以想象的那样，拱门几乎没有协同工作的能力。如下图所示，集中力作用的a点变形较大，但相邻b、c点变形收缩较快。
▲集中力作用下顶板变形示意图
因此，Schlaich采用了间隔的电缆挡板来加固外壳。
▲电缆隔断加强刚度
拉杆通过螺栓连接到中间圆柱节点，正交拉索连接网格对角节点，以增加网格刚度。缆索不仅增加了刚度，而且还减少了杆所承受的弯矩。
▲网络外壳连接节点
钢梁放置在网壳的底部，以尽可能均匀地将荷载传递到下面的原始建筑。
▲格壳底部节点
特种网壳的研制
Multihalle（多功能厅）屋顶，德国曼海姆/1970–1975
曼海姆的多功能形状是通过反向悬挂法发现的。结构的最大跨度约为60米x80米。如果结构中的木材总量均匀地分布在外壳的区域上，其高度将不会超过4厘米。与跨度成比例，厚度比蛋壳还薄。
施工方法如下：首先将木条铺成水平方形网格，网格节点通过可调孔用销钉松连接，保证木条之间能发生旋转。然后将网格在几个点上向上提升，直到呈现出设计的形状。
最终的形态与最初的形态相比，原来的方格变成了菱形。同时，单根5cmx5cm木条的刚度很小，允许发生足够的弯曲变形。达到设计形状后，需要修整外壳的边缘；在菱形网格上添加交叉斜拉索，将柔软的网格变成坚固的结构。
▲正在建设中的曼海姆大厅
▲曼海姆厅竣工后
2000年，奥托和坂茂合作设计了汉诺威世博会日本馆，采用了与曼海姆大厅类似的格子壳结构，只不过屋顶格子的木材被纸卷取代。
2002年，唐兰博物馆在英国辛格尔顿建成。使用类似的施工方法。
▲Downland博物馆建设过程
▲Downland 博物馆节点
2011 年，巴黎 Solidarity Forum 咖啡馆采用 GFRP 建成。杆径为42毫米、壁厚为3.5毫米的玻璃钢管道现已铺设在地面上，仅用两台起重机就在几天内完成了施工。
▲Soliday论坛咖啡厅
概括
读完这篇文章，大家应该对网络shell有了一个大概的了解。当你有机会制作网壳时，不妨尝试一下。
由于篇幅限制，部分案例仅列出图片。
▲阿姆斯特丹国家海事博物馆庭院上的钢网壳，2011年
▲斯图加特的矿物温泉
▲巴特诺伊施塔特心身诊所
▲德国中央合作银行玻璃屋顶1998年
▲英国肯特郡奇丁斯通橘园双层网壳外支撑，2007年
本文转载自：iStructure，ID：iStructure2017
