殼體結構的屋頂可以和內部產生聯繫嗎？

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上圖是國家大劇院的剖面。這種殼體結構的屋頂，只能完全將內部蓋住嗎？
如果想在殼上加點東西（樓板之類），就會破壞殼的平衡，所以殼註定是獨立的？有類似的研究嗎？

結構邏輯上，是脫開為好；

空間塑造上，就不是了。

上圖：沙里寧twa terminal，參考案例還得找優秀的才是。

這個問題我覺得更多的是考慮到對結構的影響。

首先要明白，國家大劇院的橢圓形穹頂是單純的一個鋼結構屋頂，裡面的建築物是獨立於這個屋頂的，裡面的建築物是框剪混合結構，這一點我們也可以從剖面圖可以看出來。強調這一點的原因是，這種設計理念不是偶然，而是有意為之，它直接導致了殼體的獨立性，也保證了結構的簡單性，所以我們看到了那光溜溜的外殼。

首先我們可以思考一個問題，框剪結構和殼體結構都是抗震性能良好的結構，如果把它們連起來，還會是很好的抗震結構嗎？答案是不一定。

至於為什麼，我們可以從以下幾點進行分析（由於題主學建築，會盡量避免使用過多的結構專業術語）：

1. 結構

應力集中效應

所謂的應力集中效應，通俗來說，你可以動手做個試驗：把一個鼓脹的氣球壓在一支鈍頭鉛筆尖上，手在上端給它施壓，仔細觀察會發現，鉛筆尖會深陷氣球，而氣球覆蓋在鉛筆尖的那一部分也會變得稀薄起來。出現這種現象的原因，就是出現了所謂的應力集中現象。

如果你再用力施壓，會發現氣球炸了，而炸開點一般都在筆尖附近，這種現象就是應力集中現象帶來的不良後果。它會讓殼體這種本來受力合理的結構在某一點產生過大的剪力、彎矩和扭矩，從而發生破壞。

我們可以用Abaqus做一個數值模擬：

（1）加柱子

取一個厚度為500mm的圓形混凝土穹頂，中間立一根直徑700mm的圓形混凝土柱，穹頂上施加 $2.5KN/m^{2}$ 的均布荷載，考慮其自重。所有的連接方式都設為固接。

可以看出，圓形穹頂周圍和混凝土柱相接處（紅色已圈出）的應力，顯然比其他地方要高（顏色越淡，應力越大）。

（2）加樓板

在半高程處加一個半圓形樓板，樓板上荷載取 $2.5KN/m^{2}$ （下圖便於觀察手動刪去了一部分殼體，實際是用完整的殼體參與計算）

可以看出，圓形穹頂周圍和樓板相接處（紅色已圈出）的應力，顯然比其他地方要高（顏色越淡，應力越大）。

上面兩個例子可以充分說明應力集中現象的存在。

對於抗震的影響

（1）鞭梢效應

所謂鞭梢效應，舉個例子：你拿著一根樹枝使勁搖晃，仔細觀察樹枝的震動情況，你會發現分枝及分枝上的葉子，會比樹枝主幹震動的更加厲害。

題主想加樓板，如果樓板的固定端太短，就相當於一個懸挑構件，而這個懸挑構件，就可以看成樹枝的分枝，殼體可以看成樹枝主幹，而地震就相當於手的晃動。按照鞭梢效應來看，這個懸挑樓板，肯定是震動的最厲害的地方，也就是最容易破壞的地方。

從結構專業的角度來看，懸挑樓板因為質量和剛度與主體結構相比要小得多，因此同樣的震動會給它帶來更大的速度和位移，這種與主體產生的速度和位移差，使其連接處易於產生塑性鉸，從而發生破壞。

（2）扭轉破壞

我們都知道，高度對稱的建築物，其抗震性能最好，比如說金字塔。其原因是此類建築物質心與剛心重合，不產生多餘的扭矩，而扭矩是結構抗震設計中引起結構破壞的重要因素。

我們小時候都玩過竹蜻蜓，當我們分別掐住竹蜻蜓葉子最外側或者半中間，再重新用同樣大小的力氣轉動它的時候，掐住的手能明顯感覺到，掐住外側受到的阻力更大。

而在結構設計中同理，當建築物產生繞著剛心產生扭轉的時候，越外側的構件受到的破壞剪力越大。當建築物比較長的時候，很小的扭矩足以產生很大的破壞剪力，從而產生破壞。（也就是說，當竹蜻蜓葉子足夠長的時候，很小的力氣轉動它，最外側也能產生很大的速度）

由於國家大劇院是橢圓形穹頂，而地震朝向的不確定性本身就會使其產生扭轉破壞。如果其中再加上不具有對稱性的構件，無疑增大了扭矩，使其扭轉破壞更容易發生。

在結構設計當中，有幾條設計原則是放之四海而皆準的，建築師也應該掌握：

1）結構的簡單性

最「直接、明確」的傳力路徑對於內力、位移和薄弱層的把握越有利，對於抗震性能的估計也更可靠；

2）結構的規則和均勻性

a.豎向剛度、傳力路徑的突變，會直接導致樓層出現薄弱層，這些部位會產生過大的應力集中和變形，導致結構過早破壞；

b.平面的規則性，可以使地震慣性力能以比較短和直接的路徑傳遞，並使質量分布和結構剛度分布協調，限制質量和剛度的偏心（防止扭轉破壞），可以防止子結構過早破壞，發揮整個結構耗散地震能量的作用。

打個比方，在殼體和內部建築物加連接構件就相當於在兩個大胖子中間用細繩連接著，當兩個胖子各自晃動起來，最先破壞的肯定是那根細繩，而不是胖子本身。既然如此，兩個胖子本身如果有很好的抗震性能，連接構件的提前破壞說明這種結構形式並沒有充分發揮結構抗震性能，所以為何不讓他們各自為政呢？

從結構上來說，如果在殼體加樓板或者其他連接構件，會導致剛度的突變，傳力路徑也變得不合理和直接，連接構件的部位很可能成為薄弱層或者薄弱構件而過早地發生破壞。

看到這裡，你對於文首提出的問題，應該會有相應的答案了。

2. 建築

18 世紀，飛行物理學家蓋勒在研究形式和功能模擬之後，首次提出「仿生學」的概念。在以後的時間裡，仿生建築應運而生。說到建築仿生學，就不得不提到我很推崇的一位建築和結構工程師：西班牙建築師聖地亞哥 $cdot$ 卡拉特拉瓦。

卡拉特拉瓦是結構仿生實踐方面的傑出代表，他設計的里昂機場火車站和密爾沃基藝術博物館是當今仿生結構建築的代表，體現了來自於動物骨骼的框架結構、羽毛，甲殼類動物的外殼以及人體器官的靈感。

里斯本火車站（靈感源自甲殼蟲）

里昂國際機場（靈感源自羽毛）

卡拉特拉瓦是以橋樑結構設計聞名，他與多數建築設計師不同的是，他認為美態能夠由力學的工程設計表達出來，而大自然之中，林木蟲鳥的形態美觀，同時亦有著驚人的力學效率。所以，他常常以大自然作為他設計時啟發靈感的泉源，而他的作品也多數成為了仿生建築的代表作，在他的建築作品裡，我能看到一種有別於藝術美的東西，我稱之為邏輯美，他把兩者很好地有機結合了起來。

殼體建築，最大的優點在於仿照了雞蛋的結構形態，內力可以沿著薄壁均勻擴散和分布，從而達到輕質高強的效果。雞蛋里挑不出骨頭，是因為上帝經過計算，這樣的殼體所承載著的力學模型對雞寶寶而言是最安全的，而千萬年的自然演化，也證明了確實如此。

建築形態除了仿照殼體結構，還有仿纖維結構、仿氣泡結構、仿動植物骨幹結構、仿雙螺旋結構，而其中的大部分原因，都應該歸功於結構形式力學的合理性。

我喜歡這個光溜溜的殼，因為在結構師眼裡，它就像一具光溜溜的胴體讓人著迷呀。

跑個題，

畢業後一直在做體育建築。

殼體沒做過，但是了解很多體育場看台和外表皮罩棚的關係，可能會給你點啟示。

很多體育場館的「混凝土部分」和「罩棚」在結構上是脫離的，

比如在建的杭州奧體中心體育場