大跨度案例分析悉尼歌剧院.ppt

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1、 大跨度结构大跨度结构 壳体壳体v一：壳体的认识一：壳体的认识v二：案例的分析二：案例的分析v三：学习与总结三：学习与总结 壳体结构壳体结构 shell structure 壳体结构壳体结构壳体结构（壳体结构（shell structure）由）由曲面形板曲面形板与与边缘构件边缘构件（梁、拱（梁、拱或桁架）组成的空间结构。壳体结构具有很好的空间传力性能，或桁架）组成的空间结构。壳体结构具有很好的空间传力性能，能以较小的构件厚度形成承载能力高、刚度大的承重结构，能能以较小的构件厚度形成承载能力高、刚度大的承重结构，能覆盖或围护大跨度的空间而不需中间支柱，能兼承重结构和围覆盖或围护大跨度的空间而不

2、需中间支柱，能兼承重结构和围护结构的双重作用，从而节约结构材料。（会堂、飞机库、体护结构的双重作用，从而节约结构材料。（会堂、飞机库、体育馆）育馆）结构的本质结构的本质：1：曲面型板：曲面型板 2：结构厚度远小于结构跨度：结构厚度远小于结构跨度 3：以薄膜应力为主要的力学形状：以薄膜应力为主要的力学形状壳的选型有：筒壳、球壳、双曲扁壳、扭壳壳的选型有：筒壳、球壳、双曲扁壳、扭壳壳体建筑案例：悉尼歌剧院、壳体建筑案例：悉尼歌剧院、中国国家大剧院、中国国家大剧院、清华大学大礼堂、清华大学大礼堂、广州新体育馆广州新体育馆悉尼歌剧院悉尼歌剧院，悉尼歌剧院，Sydney Opera Sydney Ope

3、ra House House，位于澳大，位于澳大利亚新南威尔士州利亚新南威尔士州的首府悉尼市贝尼的首府悉尼市贝尼朗岬角。这座综合朗岬角。这座综合性的艺术中心，在性的艺术中心，在现代建筑史上被认现代建筑史上被认为是巨型雕塑式的为是巨型雕塑式的典型作品，也是澳典型作品，也是澳大利亚的象征性标大利亚的象征性标志志-悉尼歌剧院。悉尼歌剧院。悉尼歌剧院远景悉尼歌剧院远景悉尼歌剧院悉尼歌剧院建造悉尼歌剧院的计划始于建造悉尼歌剧院的计划始于19401940年代，悉尼音乐学院的院长年代，悉尼音乐学院的院长Eugene GoossensEugene Goossens游说建造一个能够表演大型戏剧作品的场所。当时进

4、行戏剧表演的场所悉尼市游说建造一个能够表演大型戏剧作品的场所。当时进行戏剧表演的场所悉尼市政厅对于戏剧表演来说太小了。在政厅对于戏剧表演来说太小了。在19541954年，年，GoossensGoossens成功取得了新南威尔士州成功取得了新南威尔士州总理的支持，他要求设计一个专门用于歌剧的剧院。也是总理的支持，他要求设计一个专门用于歌剧的剧院。也是GoossensGoossens坚持将歌剧坚持将歌剧院建在便利朗角（院建在便利朗角（Bennelong PointBennelong Point）上。）上。v 悉尼歌剧院是从悉尼歌剧院是从5050年代开始构思兴建，年代开始构思兴建，19551955年

5、起公开搜集世界各地的设计作品，年起公开搜集世界各地的设计作品，至至19561956年共有年共有3232个国家个国家233233个作品参选，个作品参选，后来丹麦建筑师约恩后来丹麦建筑师约恩乌松（又译为乌松（又译为“杰杰恩恩-伍重伍重”）的设计屏雀中选，约恩）的设计屏雀中选，约恩乌乌松的设计灵感来自于橙子皮，该项目共耗松的设计灵感来自于橙子皮，该项目共耗时时1414年、斥资年、斥资12001200万澳币完成建造，为了万澳币完成建造，为了筹措经费，除了募集基金外，澳洲政府还筹措经费，除了募集基金外，澳洲政府还曾于曾于19591959年发行悉尼歌剧院彩券。年发行悉尼歌剧院彩券。v 在建造过程中，因为改

6、组后的澳洲新政府在建造过程中，因为改组后的澳洲新政府与约恩与约恩乌松失和，使得这位建筑师愤而乌松失和，使得这位建筑师愤而于于19661966年离开澳洲，从此再未踏上澳洲土年离开澳洲，从此再未踏上澳洲土地，连自己的经典之作都无法亲眼目睹。地，连自己的经典之作都无法亲眼目睹。之后的工作由澳洲建筑师群合力完成，包之后的工作由澳洲建筑师群合力完成，包括括Peter HallPeter Hall、Lionel ToddLionel Todd与与David LittlemoreDavid Littlemore等三位，悉尼歌剧院最等三位，悉尼歌剧院最后在公元后在公元19731973年年1010月月2020日

7、正式开幕。日正式开幕。历史沿革历史沿革外观外观悉尼歌剧院的外观为三组巨大的壳片，耸立在南北长186米、东西最宽处为97米的现浇钢筋混凝土结构的基座上。第一组壳片在地段西侧,四对壳片成串排列,三对朝北,一对朝南,内部是大音乐厅。第二组在地段东侧，与第一组大致平行,形式相同而规模略歌剧厅。第三组在它们的西南方，规模最小，由两对壳片组成,里面是餐厅。其他房间都巧妙地布置在基座内。整个建筑群的入口在南端,有宽97米的大台阶。它的外形像三个三角形翘首于河边，屋顶是白色的形状犹如贝壳，因而有“翘首遐观的恬静修女”之美称。第一组壳片（大音乐厅）第二组壳片（歌剧院）第三组壳片（餐厅）N 由于混凝土壳体由于混凝

8、土壳体的颜色不好看，且的颜色不好看，且处于保护结构的原处于保护结构的原因，壳体外表覆盖因，壳体外表覆盖上了上了105105万块白色万块白色或奶油色的瓷砖或奶油色的瓷砖 这些壳体的表层这些壳体的表层后来还加上了更多后来还加上了更多的功能，可以在夜的功能，可以在夜间绽放出不同的色间绽放出不同的色彩和图案彩和图案由于约翰由于约翰伍重的设计在技术层面上完全不伍重的设计在技术层面上完全不能满足需求，特别是在结构上的问题，所以能满足需求，特别是在结构上的问题，所以整个设计在后期是完全重新设计，而设计时整个设计在后期是完全重新设计，而设计时间更达至间更达至1212年之久年之久最严重的问题，就是屋顶最严重的问

9、题，就是屋顶的结构。的结构。原来的设计不单没有规律，各扇原来的设计不单没有规律，各扇型结构都有不同的弯曲度，完全没有逻辑可型结构都有不同的弯曲度，完全没有逻辑可言，而且不同的弯曲面是互相接触的，但在言，而且不同的弯曲面是互相接触的，但在无规律弯曲面的接合上，是很难确保施工的无规律弯曲面的接合上，是很难确保施工的品质管理。品质管理。为了方便工程上的管理上，各为了方便工程上的管理上，各扇型的单元便归一至类似的弯曲度，各部件扇型的单元便归一至类似的弯曲度，各部件只是比例上的只是比例上的不不同。同。因此便可以用预制件因此便可以用预制件的方式来制做各混凝土的部件，而不用在现的方式来制做各混凝土的部件，而

10、不用在现场做模，品质管制方面便容易处理。至于结场做模，品质管制方面便容易处理。至于结构承重则是更大的问题，因为在构承重则是更大的问题，因为在19601960年时还年时还未有任何工程师设计过这样的扇型的蛋型结未有任何工程师设计过这样的扇型的蛋型结构，而且由于室内是剧院的关系，是不可以构，而且由于室内是剧院的关系，是不可以在柱和梁来承担屋顶的重量。在柱和梁来承担屋顶的重量。结构结构在最初的设计是把打算用混凝土作为结构外墙，但这样并不能够使这样的外型成为独立在最初的设计是把打算用混凝土作为结构外墙，但这样并不能够使这样的外型成为独立的安全结构，之后工程师不断地研究不同的方法，如在屋脊上加入钢结构框架

11、，并屋顶的安全结构，之后工程师不断地研究不同的方法，如在屋脊上加入钢结构框架，并屋顶建造成厚厚的结构墙。不过，最终的方法是使用了折合式的混凝土结构墙，情况就好像建造成厚厚的结构墙。不过，最终的方法是使用了折合式的混凝土结构墙，情况就好像一个弯曲了的屏风一样，利用折合多层的结构来支撑屋顶，每一层的折合便有如一个拱一个弯曲了的屏风一样，利用折合多层的结构来支撑屋顶，每一层的折合便有如一个拱门一样，这样便能承重亦不破坏原有设计外型的弯曲度。由于这样的外型而大跨度的结门一样，这样便能承重亦不破坏原有设计外型的弯曲度。由于这样的外型而大跨度的结构是前所未有的，工程师都未必知道折合式的结构是否适合，所以便

12、利用了电脑作结构构是前所未有的，工程师都未必知道折合式的结构是否适合，所以便利用了电脑作结构分析，这亦是世界第一次使用电脑作结构计算的工程，创了建筑工程的先河。分析，这亦是世界第一次使用电脑作结构计算的工程，创了建筑工程的先河。结构结构在设计过程的开始阶段，这些在设计过程的开始阶段，这些“壳壳”被定义为由一被定义为由一系列的混凝土构件组成的排骨支撑起来的抛物线。系列的混凝土构件组成的排骨支撑起来的抛物线。然而，奥雅纳工程顾问公司的工程师们找不到一个然而，奥雅纳工程顾问公司的工程师们找不到一个建造这些建造这些“壳壳”的方法。使用原地浇筑的混凝土来的方法。使用原地浇筑的混凝土来建造的计划由于造价高

13、昂而遭到了否决，因为屋顶建造的计划由于造价高昂而遭到了否决，因为屋顶的结构不同，这样就要求有不同的模具，最终导致的结构不同，这样就要求有不同的模具，最终导致造价高昂。造价高昂。v壳体的工程建造遇到十分巨大的困难壳体的工程建造遇到十分巨大的困难 从从19571957年到年到19631963年，在最后找年，在最后找到一个经济上可以接受的解决办法到一个经济上可以接受的解决办法之前，设计队伍反复尝试了之前，设计队伍反复尝试了1212种不种不同的建造同的建造“壳壳”的方法（包括抛物的方法（包括抛物线结构，圆形肋骨和椭圆体）。在线结构，圆形肋骨和椭圆体）。在“壳壳”的设计工作是最早利用电脑的设计工作是最早

14、利用电脑进行构造分析来完成构造分析的工进行构造分析来完成构造分析的工作之一。作之一。在在19611961年中期，设计队伍找年中期，设计队伍找到了一个解决办法到了一个解决办法 ：所有的：所有的“壳壳”都由球体创建而来。该办法可以使都由球体创建而来。该办法可以使用那一个共同的模具浇注出不同长用那一个共同的模具浇注出不同长度的圆拱，然后将若干有着相似长度的圆拱，然后将若干有着相似长度的圆拱段放在一起形成一个球形度的圆拱段放在一起形成一个球形的剖面。究竟谁是这个解决办法的的剖面。究竟谁是这个解决办法的发明者成了一些争论的主题。发明者成了一些争论的主题。v 伍重与他的结构工程设计师阿鲁普从伍重与他的结构

15、工程设计师阿鲁普从1957年研究到年研究到1961年也未能年也未能找到壳体的完善的解决方案。找到壳体的完善的解决方案。v 但是皇天不负有心人，伍重终究找到了圆满的不可移易的答案：在但是皇天不负有心人，伍重终究找到了圆满的不可移易的答案：在一个半径为一个半径为75米的球面米的球面上截取全部的十个三角形来悉尼歌剧院的壳上截取全部的十个三角形来悉尼歌剧院的壳体群。体群。v 这使得全部壳体曲率统一，计算简单化，施工标准化。统一的曲率这使得全部壳体曲率统一，计算简单化，施工标准化。统一的曲率成为了造型的成为了造型的公分母公分母，仿佛使得自由随意的形体有了潜在的韵律而，仿佛使得自由随意的形体有了潜在的韵律

16、而变得和谐。这座变得和谐。这座“雕塑雕塑”总算总算“建筑化建筑化”了，成为了建筑师的作品了，成为了建筑师的作品。共同的球体模具共同的球体模具不同大小的小壳片不同大小的小壳片壳体壳体浇筑拼接歌剧院屋顶壳体歌剧院屋顶壳体拼接壳体生成过程壳体生成过程“壳壳”由由Hornibrook Group Pty Ltd建造，建造，Hornibrook在工厂中在工厂中制成了制成了2400件预制肋骨和件预制肋骨和4000件件屋顶面板，这加快了工程的进度。屋顶面板，这加快了工程的进度。这个解决办法的成就在于利用预这个解决办法的成就在于利用预制混凝土构建从而避免了建造昂制混凝土构建从而避免了建造昂贵的模具（他同样允许让屋顶面贵的模具（他同样允许让屋顶面板在地上就大片的预先建造组合板在地上就大片的预先建造组合好，而不是在高处一个一个的拼好，而不是在高处一个一个的拼接上）。接上）。Ove Arup和合作方的工地工程师和合作方的工地工程师惊讶于这些惊讶于这些“壳壳”在完工前使用在完工前使用了创新的调节型弯曲钢铁桁构梁了创新的调节型弯曲钢铁桁构梁 来支撑不同的屋顶。来支撑不同的屋顶。条形结构为壳体下面的预制肋骨（可能