【结构技术探讨】结构大牛案例剖析壳体结构屋顶和内部的”牵连“

结构逻辑上，是脱开为好；

空间塑造上，就不是了。

上图：沙里宁twa terminal，参考案例还得找优秀的才是。上图：沙里宁twa terminal，参考案例还得找优秀的才是。

【陈敏的回答(34票)】:

这个问题我觉得更多的是考虑到对结构的影响。

首先要明白，国家大剧院的椭圆形穹顶是单纯的一个钢结构屋顶，里面的建筑物是独立于这个屋顶的，里面的建筑物是框剪混合结构，这一点我们也可以从剖面图可以看出来。强调这一点的原因是，这种设计理念不是偶然，而是有意为之，它直接导致了壳体的独立性，也保证了结构的简单性，所以我们看到了那光溜溜的外壳。

首先我们可以思考一个问题，框剪结构和壳体结构都是抗震性能良好的结构，如果把它们连起来，还会是很好的抗震结构吗？答案是不一定。

至于为什么，我们可以从以下几点进行分析（由于题主学建筑，会尽量避免使用过多的结构专业术语）：

1. 结构

• 应力集中效应

所谓的应力集中效应，通俗来说，你可以动手做个试验：把一个鼓胀的气球压在一支钝头铅笔尖上，手在上端给它施压，仔细观察会发现，铅笔尖会深陷气球，而气球覆盖在铅笔尖的那一部分也会变得稀薄起来。出现这种现象的原因，就是出现了所谓的应力集中现象。

如果你再用力施压，会发现气球炸了，而炸开点一般都在笔尖附近，这种现象就是应力集中现象带来的不良后果。它会让壳体这种本来受力合理的结构在某一点产生过大的剪力、弯矩和扭矩，从而发生破坏。

我们可以用Abaqus做一个数值模拟：

（1）加柱子

取一个厚度为500mm的圆形混凝土穹顶，中间立一根直径700mm的圆形混凝土柱，穹顶上施加

的均布荷载，考虑其自重。所有的连接方式都设为固接。

可以看出，圆形穹顶周围和混凝土柱相接处（红色已圈出）的应力，显然比其他地方要高（颜色越淡，应力越大）。

（2）加楼板

在半高程处加一个半圆形楼板，楼板上荷载取

（下图便于观察手动删去了一部分壳体，实际是用完整的壳体参与计算）

可以看出，圆形穹顶周围和楼板相接处（红色已圈出）的应力，显然比其他地方要高（颜色越淡，应力越大）。可以看出，圆形穹顶周围和楼板相接处（红色已圈出）的应力，显然比其他地方要高（颜色越淡，应力越大）。

上面两个例子可以充分说明应力集中现象的存在。

• 对于抗震的影响

（1）鞭梢效应

所谓鞭梢效应，举个例子：你拿着一根树枝使劲摇晃，仔细观察树枝的震动情况，你会发现分枝及分枝上的叶子，会比树枝主干震动的更加厉害。

题主想加楼板，如果楼板的固定端太短，就相当于一个悬挑构件，而这个悬挑构件，就可以看成树枝的分枝，壳体可以看成树枝主干，而地震就相当于手的晃动。按照鞭梢效应来看，这个悬挑楼板，肯定是震动的最厉害的地方，也就是最容易破坏的地方。

从结构专业的角度来看，悬挑楼板因为质量和刚度与主体结构相比要小得多，因此同样的震动会给它带来更大的速度和位移，这种与主体产生的速度和位移差，使其连接处易于产生塑性铰，从而发生破坏。

（2）扭转破坏

我们都知道，高度对称的建筑物，其抗震性能最好，比如说金字塔。其原因是此类建筑物质心与刚心重合，不产生多余的扭矩，而扭矩是结构抗震设计中引起结构破坏的重要因素。

我们小时候都玩过竹蜻蜓，当我们分别掐住竹蜻蜓叶子最外侧或者半中间，再重新用同样大小的力气转动它的时候，掐住的手能明显感觉到，掐住外侧受到的阻力更大。

而在结构设计中同理，当建筑物产生绕着刚心产生扭转的时候，越外侧的构件受到的破坏剪力越大。当建筑物比较长的时候，很小的扭矩足以产生很大的破坏剪力，从而产生破坏。（也就是说，当竹蜻蜓叶子足够长的时候，很小的力气转动它，最外侧也能产生很大的速度）

由于国家大剧院是椭圆形穹顶，而地震朝向的不确定性本身就会使其产生扭转破坏。如果其中再加上不具有对称性的构件，无疑增大了扭矩，使其扭转破坏更容易发生。

在结构设计当中，有几条设计原则是放之四海而皆准的，建筑师也应该掌握：

1）结构的简单性

最“直接、明确”的传力路径对于内力、位移和薄弱层的把握越有利，对于抗震性能的估计也更可靠；

2）结构的规则和均匀性

a.竖向刚度、传力路径的突变，会直接导致楼层出现薄弱层，这些部位会产生过大的应力集中和变形，导致结构过早破坏；

b.平面的规则性，可以使地震惯性力能以比较短和直接的路径传递，并使质量分布和结构刚度分布协调，限制质量和刚度的偏心（防止扭转破坏），可以防止子结构过早破坏，发挥整个结构耗散地震能量的作用。

打个比方，在壳体和内部建筑物加连接构件就相当于在两个大胖子中间用细绳连接着，当两个胖子各自晃动起来，最先破坏的肯定是那根细绳，而不是胖子本身。既然如此，两个胖子本身如果有很好的抗震性能，连接构件的提前破坏说明这种结构形式并没有充分发挥结构抗震性能，所以为何不让他们各自为政呢？

从结构上来说，如果在壳体加楼板或者其他连接构件，会导致刚度的突变，传力路径也变得不合理和直接，连接构件的部位很可能成为薄弱层或者薄弱构件而过早地发生破坏。

看到这里，你对于文首提出的问题，应该会有相应的答案了。

2. 建筑

18 世纪，飞行物理学家盖勒在研究形式和功能模拟之后，首次提出“仿生学”的概念。在以后的时间里，仿生建筑应运而生。说到建筑仿生学，就不得不提到我很推崇的一位建筑和结构工程师：西班牙建筑师圣地亚哥

卡拉特拉瓦。

卡拉特拉瓦是结构仿生实践方面的杰出代表，他设计的里昂机场火车站和密尔沃基艺术博物馆是当今仿生结构建筑的代表，体现了来自于动物骨骼的框架结构、羽毛，甲壳类动物的外壳以及人体器官的灵感。

里斯本火车站（灵感源自甲壳虫）

里昂国际机场（灵感源自羽毛）

卡拉特拉瓦是以桥梁结构设计闻名，他与多数建筑设计师不同的是，他认为美态能够由力学的工程设计表达出来，而大自然之中，林木虫鸟的形态美观，同时亦有着惊人的力学效率。所以，他常常以大自然作为他设计时启发灵感的泉源，而他的作品也多数成为了仿生建筑的代表作，在他的建筑作品里，我能看到一种有别于艺术美的东西，我称之为逻辑美，他把两者很好地有机结合了起来。

壳体建筑，最大的优点在于仿照了鸡蛋的结构形态，内力可以沿着薄壁均匀扩散和分布，从而达到轻质高强的效果。鸡蛋里挑不出骨头，是因为上帝经过计算，这样的壳体所承载着的力学模型对鸡宝宝而言是最安全的，而千万年的自然演化，也证明了确实如此。

建筑形态除了仿照壳体结构，还有仿纤维结构、仿气泡结构、仿动植物骨干结构 、仿双螺旋结构，而其中的大部分原因，都应该归功于结构形式力学的合理性。

我喜欢这个光溜溜的壳，因为在结构师眼里，它就像一具光溜溜的胴体让人着迷呀。

【北极大龙虾的回答(7票)】:

跑个题，

毕业后一直在做体育建筑。

壳体没做过，但是了解很多体育场看台和外表皮罩棚的关系，可能会给你点启示。

很多体育场馆的「混凝土部分」和「罩棚」在结构上是脱离的，

比如在建的杭州奥体中心体育场

他的「罩棚」结构就是跟看台脱离的。他的「罩棚」结构就是跟看台脱离的。

旁边的可开启屋盖的网球馆也是看台上罩一个壳，旁边的可开启屋盖的网球馆也是看台上罩一个壳，

这种其实就是你说的 ，「内部功能」跟 「外部表皮」没有什么关系，并且国内大部分造型奇特点的罩棚，都是这种逻辑结构。完全是钢结构撑起一张皮、

又比如 2012年欧洲杯足球锦标赛波兰「华沙国家体育场」

罩棚是这样的罩棚是这样的

我觉得比这种逻辑好点的是，不用钢结构支持，表皮自己就能撑起自己。就比如国家体育场，

一图省千言。一图省千言。

如果你问我有没有更好的一种逻辑形式存在，呃，

我推荐一下「乐清体育中心」

这种看台外走廊基本外露，简单的钢结构支撑起屋顶，效果看起来干净。