[科普中国]-网格壳屋面

网格壳屋面简称网壳结构，网壳结构即为网状的壳体结构，是格构化的壳体，或者说是曲面状的网架结构。

概述网壳结构即为网状的壳体结构，是格构化的壳体，或者说是曲面状的网架结构。20世纪中叶，欧美人工费剧增，壳体施工需要的模板与脚手架费料、费工，其应用受到了影响。此时适逢焊接技术趋于完善，高强钢材不断出现，计算机技术突飞猛进发展，给网壳准备了物质基础；更为重要的是网壳结构具有其非凡的优越性，因而得到了迅猛的发展。网壳结构多用于大跨度建筑物，目前已经成为大跨度结构中应用普遍的结构形式之一。

网壳结构的杆件主要承受轴力，结构内力分布比较均匀，可以充分发挥材料的强度；可以采用各种壳体结构的曲面形式，在外观上可以与薄壳结构一样具有丰富的造型；网壳结构中网格的杆件可以用直杆代替曲杆，具有与薄壳结构相似的良好力学性能，又便于工厂制造和现场安装。

分类网壳分为筒网壳、球网壳、扭网壳等。

筒网壳外形是圆柱面筒形，又称柱面网壳。它覆盖的平面为矩形，其整体的抗衡与传递外荷的方式与筒壳类似。短筒壳以拱式受压为主，长筒壳以梁式受弯为主，在其壳板曲面内，内力的大小和方向是随筒壳的长短边比例而变化的。简网壳则不然，由于把壳板镂空做成了格构式网格，网肋的受力方向就固定为网肋的轴线方向，不论筒网壳的长短边如何变化，网肋的受力方向不变，仅改变其量值大小。按传荷方式的不同，筒网壳可分为两类：一类是拱式受压的筒网壳，类似于短筒壳；另一类是梁式受弯的筒网壳，类似于长筒壳。

拱式筒网壳的受力特征是以受压为主的平面拱，作为单向抗衡并传递外荷的平面结构，需要解决拱脚推力问题。

梁式筒网壳的受力特征相似于格构化折板壳，折板壳的受力状态与长筒壳一样，其折缝上的竖载是由相邻平面内的横向力来抗衡的。若每块平面折板代之以一榀平面桁架，且相邻两桁架的上下弦杆合二为一，就成了梁桁架筒网壳，即梁式筒网壳，其矢高为f=（1/4～1/8）L。

球网壳球网壳即网穹，分为单层球面网壳和双层球面网壳。网肋布置形式有肋环型、交叉斜杆型、联方型、三向网格型。世界上容纳观众最多的美国新奥尔良“超级穹顶”体育场采用的是球网壳，它是直径为207.3m的圆形平面，馆内设72000个座位。“超级穹顶”的施工采用充气气球作满堂脚手架，在气球顶部开始安装网格，再逐渐向下、向外安装；随球网壳逐渐变大将气球充气，使之逐渐升高，直到安装完毕，最后将气球放气撤除。北京天文馆是一个半圆球网壳，直径为25m，采用竖向扁钢的短网肋，其三角形网格的每个节点都有六根网肋汇集在一起，采用钢栓夹板连接。

球网壳的关键在于对球面的划分，球面划分的基本要求有两点：①使杆件规格尽可能少，以便制作与装配。②必须是几何不变体系。

网格的形状可以是三角形、菱形或六角形，最好是三角形，因为三角形在平面上是几何不变体系，菱形或六角形在平面上虽然是几何可变体系，但构成球面网壳后，因为是一个双曲面，即使都是几何可变体，也具有很大的刚度。

从数学上可以证明，圆球内接正多面体有正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体和正二十面体，圆球内接的最大正多面体为正二十面体。根据边长小，正多边形面积小、几何不变性好（最好是三角形）等要求，选用球内最大正多面体——正二十面体是合理的。

扭网壳反向双曲的扭网壳具有的最大优势是双向直纹。在直纹方向可以毫无阻碍的设置单根肋杆或桁架式网肋，因此能构成双曲扭面。其布置方式有正交正放类、正交斜放类、正交正放设斜杆类、正交斜放设斜杆类。近年又出现了一种应力蒙皮结构，它是把薄钢板固定在骨架上，以很高的抗剪强度与骨架协同工作，共同抗衡外荷。钢板主要承受薄膜剪力，弯曲应力可忽略不计。这种结构在工业产品上已普遍应用，从20世纪50年代开始应用于建筑屋盖，充分显示出其轻质、高强、经济、合理的优越性。1

选型网壳结构的种类和形式很多，在设计中选择的范围较广，选型影响因素很多，既要考虑使用功能、美学、空间的特点，又要考虑结构跨度大小、刚度要求、平面形状、支承条件、制作安装和技术经济指标等因素，因此，应根据工程的实际情况，通过技术经济比较，合理确定网壳的结构形式。

（1）网壳设计特别是高、大跨网壳设计，应与建筑师密切配合，在满足建筑使用功能的前提下，使网壳与周围环境相协调，整体比例适当。

（2）网壳适用于各种形状的建筑平面。如为圆形平面，可选用球面网壳、组合柱面或组合双曲抛物面网壳等。如平面为方形或矩形，可选用柱面、双曲抛物面和双曲扁网壳。

（3）单层网壳构造简单。重量轻，但由于稳定性差，适用于中小跨度的屋盖。对于跨度较大（一般40 m以上）时，往往采用双层网壳。

（4）为使网壳结构的刚度选取恰当，受力比较合理，网壳的平面尺寸、矢高大小、双层网壳的厚度及单层网壳的跨度。根据国内外的工程实际经验，给出网壳结构几何尺寸选用范围，以供工程设计中参照应用。

（5）网壳结构除竖向反力外．通常有较大的水平反力．应在网壳边界设置边缘构件来承受这些反力。

（6）小跨度的球面网壳的网格布置可采用肋环型，大跨度的球面网壳宜采用能形成三角形网格的各种网格类型。小跨度圆柱面网壳的网格布置可采用联方网格型，大中跨度圆柱面网壳采用能形成三角形网格的各种网格类型。双曲扁网壳和扭网壳的网格选型可参照圆柱面网壳的网格选型。2

本词条内容贡献者为:

宋春霖 - 副教授 - 江南大学