薄壳结构：建筑构造中的突破

自然界某些动植物的种子外壳、蛋壳、贝壳，可以说是天然的薄壳结构，它们的外形符合力学原理，能以最少的材料获得坚硬的外壳，以抵御外界的侵袭。人们从这些天然壳体中受到启发，利用混凝土的可塑性，创造出各种形式的薄壳结构。

1.薄壳结构的概念

薄壳结构是用混凝土等刚性材料以各种曲面形式构成的薄板结构，呈空间受力状态，主要承受曲面内的轴向力，而弯矩和扭矩很小，所以混凝土强度能得到充分利用。由于是空间结构，强度和刚度都非常好。薄壳厚度仅为其跨度的几百分之一，而一般的平板结构厚度至少是跨度的几十分之一，所以薄壳结构具有自重轻、省材料、跨度大、外形多样的优点，可用来覆盖各种平面形状的建筑物屋顶。但大多数薄壳结构的形体较复杂，多采取现浇施工，费工、费时、费模板，且结构计算较复杂，不宜承受集中荷载，这些缺点在一定程度上影响了它的推广使用。

2.薄壳结构的形式

薄壳结构形式很多，常用的有筒壳、圆顶壳、双曲扁壳、双曲抛物面壳四种。

（1）筒壳。

筒壳由壳面、边梁、横隔构件三部分组成，如图11-22（a）所示。两横隔构件之间的距离l1称为跨度，两边梁之间的距离l2为波长。筒壳跨度与波长的比值不同时，其受力状态也不一样。当l1/l2大于3时，称为长壳，l1/l2小于1/2时，称为短壳，比值在1/2～3 之间的称为中长壳。短壳比长壳的受力性能更好，这主要是横隔构件起的作用。横隔构件承受壳板和边梁传来的力，如果没有横隔构件，筒壳就不能形成空间结构。横隔构件可做成拱形梁、拱形桁架、拱形刚架等多种结构形式。

为了使梁成为实体梁，也保证筒壳的承载力和刚度，壳体的矢高应大于或等于跨度的1/12。

筒壳为单曲面薄壳，形状较简单，便于施工，是最常用的薄壳形式。

（2）圆顶壳。

圆顶壳由壳面和支承环两部分组成，如图11-22（b）所示。支承环对壳面起箍的作用，主要内力为拉力。壳面径向受压，环向上部受压，下部受拉或受压。由于支承环对壳面的约束作用，壳面边缘会产生局部弯矩，因此壳面在支承环附近应适当增厚。

圆顶壳可以支承在墙上、柱上、斜拱或斜柱上。

由于圆顶壳具有很好的空间工作性能，很薄的圆顶可以覆盖很大的空间，可用于大型公共建筑，如天文馆、展览馆、体育馆、会堂等。

（3）双曲扁壳。

双曲扁壳由双向弯曲的壳面和四边的横隔构件组成，如图11-22（c）所示，圆壳顶矢高与边长之比很小（≤1/5），壳体呈扁平状，故称为双曲扁壳。壳体中间区域为轴向受压，弯矩出现在边缘，四角则有较大的拉力。

双曲扁壳受力合理，厚度薄，可覆盖较大的空间，较经济，适用于工业与民用建筑的各种大厅或车间。(www.xing528.com)

（4）双曲抛物面壳。

双曲抛物面壳由壳面和边缘构件组成，外形特征犹如一组抛物线倒悬在两根拱起的抛物线之间，形如马鞍，故又称鞍形壳，如图11-22（d）所示。倒悬方向的曲面如同受拉的索网，向上拱起的曲面如同拱结构，拉压相互作用提高了壳体的稳定性和刚度，使壳面可以做得很薄。如果从双曲抛物面壳上切取一部分，可以做成各种形式的扭壳，如图11-22（e）、（f）所示。

图11-22　薄壳结构形式

（a）筒壳；（b）圆顶壳；（c）双曲扁壳；（d）双曲抛物面壳；（e）扭壳1；（f）扭壳2

3.薄壳结构的建筑造型

薄壳结构的建筑造型以各种几何曲面图形为基本特征，基本形式为圆筒形、圆球形、双曲抛物面形。它与传统的梁、板、架一类结构相比，在造型上独具特色，容易给人以新奇感，能突出建筑物的个性。世界著名建筑中有不少是用薄壳结构建成的，深究其成功的奥秘，发现它们往往不是简单地重复那些基本形式，而是巧妙地运用交贯、切割、改变结构参数等方法，对一种或一种以上的薄壳形式加以重新组合，进行再创造，因而在建筑造型上有所突破和创新，如图11-23～图11-25所示。

图11-23　薄壳结构建筑造型实例1

图11-24　薄壳结构建筑造型实例2（单位：mm）

（a）巴黎国家工业与技术中心陈列馆；（b）美国麻省理工学院礼堂

图11-25　薄壳结构建筑造型实例3

（a）墨西哥霍奇米洛科餐厅；（b）纽约TWA 环球航空公司候机楼