說到網殼結構，首先我們看下定義?！熬W殼結構是將桿件沿著某個曲面有規律地布置而形成的空間結構體系，其受力特點與薄殼結構類似，是以“薄膜”作用為主要受力特征的，即大部分荷載由網殼桿件的軸向力承受”。（網殼結構穩定性，沈世釗、陳昕等，1999）

▲大英博物館中庭（倫敦, 2000）

網殼結構的特點

網殼結構的定義有三個關鍵詞：“曲面”、“桿件”、“薄膜作用”。我們從而可以找到網殼結構在結構體系中的位置。

 網殼受力方式為薄膜作用，屬于拱結構向三維的拓展；因此，與拱類似的問題會出現在網殼上。比如：整體穩定問題；不對稱荷載敏感等。

▲網殼的各種網格形式

網殼由離散桿件組成，可以看作由連續殼體去除效率低下部分得到，其材料使用更少，但也因此冗余度比較低。網殼結構還需要關注節點的剛度、施工的誤差等。

▲單層網殼的常用節點

基于以上特點，我們可以發現網殼結構整體穩定性比較差，冗余度比較低，且對荷載分布方式、節點剛度敏感。所以很多結構工程師不愿意用網殼，而網殼結構也的確出過一些事故。

查爾斯威廉郵政學院穹頂
查爾斯.威廉郵政學院（CharlesWilliam Post College）于1970年建造了一個劇院。屋面采用鋼結構穹頂，穹頂直徑約52米，由環繞于四周的鋼柱支承，鋼柱間沿經線均勻布置四十榀鋼管桁架。穹頂頂部設鋼壓力環，底部采用圓形的雨棚作為拉力環。緯向每隔一格布置連續十字交叉支撐。

▲穹頂結構布置示意圖

1978年１月21日凌晨，劇院穹頂卻因積雪和結冰導致中心突然凹陷，隨即整體倒塌。

▲倒塌時的荷載分布情形

經過專家組的調查，最主要的原因就是設計時不當地采用過于簡化的計算方法——只計算了均布自重及活荷載，而未考慮活荷載不利布置。
當晚，大雪在風力作用下在穹頂上產生了飄移，雪堆積在背風面造成了不均勻荷載。雖然總體雪荷載只有設計總荷載的1/4，但卻集中在屋頂表面的1/3區段，不均勻荷載分布造成了倒塌。

倒塌的另一個原因是，結構工程師在設計時錯誤的將薄膜理論應用于網格穹頂。設計中并未建立桿系模型來驗算其整體穩定性。

布加勒斯特穹頂(Bucharest Dome)
羅馬尼亞布加勒斯特穹頂1961年建成，跨度約93.6米，矢跨比約1:5。鋼管桿件構成的單層網殼，網格呈等邊三角形式，支承在沿圓形周邊布置的混凝土柱上。在網格的節點處有三個方向鋼管匯交，如何連接？

 ▲網殼的三角形網格

 工程師設計了一種用金屬絲綁扎的方式。這種連接方式使構件都能貫通，大大簡化節點構造、節省了組裝成本。

1963年1月，穹頂在僅僅1/3設計雪荷載的作用下，發生了整體失穩。“穹頂沿著經線方向出現多條波峰波谷，像一個倒轉的盤子一樣塌了下來，而鋼管桿件幾乎絲毫未損?！?

 

事故調查表明，穹頂整體失穩有兩個主要原因：

1）鋼管匯交節點采用的綁扎方式。該方式不能限制桿件間的轉動，甚至也可能相對滑動，大大降低了結構的穩定性。
2）根據簡化的薄膜理論設計，鋼網殼的整體穩定承載力過低。實際需要根據桿件網格進行計算。

看到這里，大家可能會想，那網殼結構以后是不是會被淘汰呢？下面我們就來回答這個問題。

網殼結構的未來

說網殼結構，就得從混凝土薄殼開始說起。在20世紀中葉，混凝土薄殼蓬勃發展。EduardoTorroja，Felix Candela，Nicolas Esquillan,Heinz Isler等在世界各地都實踐了很多混凝土薄殼作品。他們的殼體纖薄明快，放到現在看也都是建筑與結構融合的精品。

  ▲混凝土薄殼案例

雖然混凝土薄殼效率很高、外形優美，但現今已基本上淘汰了。究其原因，建造一個混凝土薄殼之前，先要用模板把異形、復雜的曲面搭建出來，而且模板僅能用一次，無法重復利用。
這導致施工需要耗費大量的模板和人工，在20世紀中葉，節省的材料費可以抵消這部分費用。但隨著進入21世紀，人工費急速增長，因此，混凝土薄殼結構的經濟性急劇下降。

于是人們開始用效率更高的單層網殼來代替混凝土薄殼。但網殼同樣制作、安裝同樣比價困難，那網殼發展的方向在哪里呢？

1）桿件的輕型化和標準化。
網架的傳力效率高，所以可以用最少的材料來完成覆蓋。
同時，如果所有的桿件長度均相同，節點也標準化，那么網架的制造過程將會大大節省。這方面施萊希做了很多探索。
2）利用材料的韌性，將復雜的曲面殼體建造轉換為簡單的平面網格來制造。
這是Otto在20世紀60年代應用在曼海姆多功能廳的思路。
3）數字化建造的發展。
未來如果機器人參與建造，那么曲面對它們來說不過是一個個節點坐標組合而成。彼時，建造成本將大大下降。
 

這是一個古老的鑄鐵網殼，建于19世紀后期。可以看出，這個網殼沒有斜桿，它是利用桿件的抗彎能力來抵抗平面的扭轉。

提高平面內剛度的直接方式是采用三角形網格。富勒發明了短線呈穹頂，并應用于1967年蒙特利爾國際博覽會上的美國館——一座直徑為76m的3/4球形建筑。

 ▲蒙特利爾世博會美國館（1967）

三角形網格固然穩定，但是不夠通透不夠輕。而施萊希想做四邊形網格。第一個機會是在Neckarsulm游泳館。建筑師希望游泳館的頂蓋是球體的一部分。

▲Neckarsulm游泳館

施萊希采用了四邊形網格劃分的球殼。網格桿件承擔軸力，增設拉索拉結對角節點，保證四邊形網格的穩定性。

▲屋頂節點

為了運輸和安裝的方便，所有的桿件被設計成了1m的標準長度，在節點處由螺栓連接。
為了保證球面的光順，桿件不能太剛，需要可以微小地彎曲和扭轉。但也不能太柔，否則無法承受荷載。最終，桿件的截面確定為6cmx4cm。

▲施工過程

拉索被安排在桿件形成網格殼體以后張拉。經過試驗和計算分析，可以看到，增加拉索后結構的變形大大減小。
施萊希對上這個工程并不十分滿意，覺得建筑跟結構結合地很生硬。他認為這種網殼體系可以適應任何形狀。很快他的下一個機會來了。

漢堡博物館中庭要加建一個頂棚。中庭平面呈L形，一端寬度14m、一端寬度17m。

這個項目有兩個主要訴求。首先，該項目資金來自私人捐贈，預算有限；其次，博物館方面希望屋頂對原有建筑盡量少地產生影響。所以，屋面需要盡可能地輕、少用材料，同時看上去要輕盈。
屋面結構在L形的兩部分采用了單曲的筒殼，交匯處采用了雙曲殼體。殼體采用四邊形網格劃分，這樣的網格劃分形式可以看作一榀榀拱排列著，拱之間用縱向用桿件聯系。
可以想見，各榀拱之間幾乎沒有共同作用的能力。如下圖所示，在集中力作用的a點變形很大，但相鄰的b、c點則變形迅速收小。
因此，施萊希每隔一段間距，采用了拉索隔板來加強筒殼。
桿件通過螺栓與中間圓柱形節點相連，正交拉索連接網格的對角節點，以增加網格剛度。拉索不僅增加了剛度，也減小了桿件承受的彎矩。
網殼底部放置鋼梁，將荷載盡量均勻傳遞到下部原有建筑上。


曼海姆多功能大廳屋頂（Roof for the Multihalle (multi-purpose hall) ，  Mannheim, Germany/1970–1975）
曼海姆多功能的形狀是通過逆吊法找出來的。該結構的最大跨度約為60mx80m。如果將結構中木材的總量平攤到殼體的面積上，其高度不超過4cm。按照跨度等比例縮放的話，該厚度比雞蛋殼還要薄。
施工方式如下：首先將木條鋪設成水平正方形網格，網格節點處通過可調節孔用銷釘不緊密地連接，以確保木條之間能發生轉動。然后將網格的若干點向上頂升直到呈現出設計的形狀。
最終形態與初始形態相比，原來的正方形網格轉變為菱形。同時，單根5cmx5cm木條剛度很小，允許發生足夠大的彎曲變形。在達到設計形狀后，需要修整外殼的邊緣；并且在菱形網格中增設交叉拉索，使柔軟的網格成為堅固的結構。
2000年，奧托和與坂茂合作了漢諾威世博會日本館，采用了與曼海姆大廳類似的網殼結構，只是屋面網格的木材換成了紙卷。
2002年，在英國星格爾頓建造了Downland Museum。采用的也是類似的施工方式。
2011年，Soliday forum Cafe，Paris采用了GFRP來建造。桿件直徑42mm、壁厚3.5mm的GFRP管現在地上鋪設好，隨后僅用兩臺吊車幾天就搞定了。

小結

看過這篇文章，大家對網殼應該有一個大概的了解。有機會做網殼的時候，不妨嘗試一下。 
限于篇幅，還有一些案例僅羅列圖片。