【智慧证书】悉尼歌剧院的屋顶居然不是薄壳结构？？

或许你没有去过澳洲，但你一定听过悉尼歌剧院。它的外形像三个三角形翘首于海边，白色的屋顶犹如贝壳。你一定想不到，这座“壳形”的屋顶，并不是真正的薄壳结构，而是采用了肋拱结构。其设计建造过程极其曲折艰辛，历时14年，超支达1457%。从设计图纸被选中的那一刻起，正式拉开了建筑师和结构工程师长达十几年的“斗争”。

 一.结构外形  

“灵感来源于切开的橙子”

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。

由三大部分组成：音乐厅、歌剧厅和贝尼朗餐厅，前面两个是音乐厅和歌剧厅，后面较小的是贝尼朗餐厅。

 二.建筑方案  

“故事总有几分戏剧性”

时间回到1955年，澳洲政府为悉尼歌剧院举办了全球性的设计比赛，吸引了233名来自32个国家的建筑师参赛。最终意外胜出的是丹麦籍名不见经传的建筑师Jørn Utzon(约恩.伍重)。

悉尼歌剧院草图

约恩.伍重的设计评委美国设计师埃罗.沙里宁看到后欣喜若狂，力排众议，最终确立了其优胜的地位。然而，约恩.伍重是著名的纸上建筑师，他曾经在18次建筑比赛中胜出了7次，最终仅有悉尼歌剧院落地建成。因为他的设计大多着重建筑的美学部分，从技术层面上看却存在较多问题，实现起来也是难倒了工程师们。这不，结构大师Arup就在悉尼歌剧院这个项目上倾力近10年的时光。

 三.屋顶结构方案  

“从建筑方案到落地是一个艰难而曲折的过程”

大家进入歌剧院内参观时，第一眼看到的是各种素面朝天的水泥柱子。很多人会觉得幻灭。然而，当年这一条条如肋骨状的预制混凝土嵌板可是伟大的建筑创新。这些混凝土肋一共有2194个嵌板，每个重量约15吨。

寻求解决方案是由建筑师和工程师团队之间紧密的沟通和交流相互推动的。为了保持伍重的原始想法，奥雅纳公司的工程师们在1957年至1963年之间开发了多达12种不同版本的混凝土屋顶设计。屋顶从建筑师原始草图的自由形状演变为最终设计的球形几何形状。

悉尼歌剧院早期模型

奥雅纳和伍重

薄壳结构的早期探索

   A.竞赛设计 ,1957          B.早期抛物形设计，1958

   伍重手绘                         抛物状屋脊，抛物状屋肋

   单层混凝土薄壳                     单层混凝土薄壳

建筑师最初设想：

100mm(屋顶处)~500mm(基座处) 混凝土薄壳结构

方案失败原因：

1. 混凝土壳结构形状合适的情况下，薄的混凝土壳结构才能得以实现。而伍重的结构显然不能满足要求。
   
2. 如果壳体屋盖都是凸面向上平放，当受到重力作用时，可以通过壳体的薄膜压力来抵抗外界荷载；当受风力作用时，所受的向上风吸力，只要小于壳体自重，一般无害。所以壳体的优越性是在重力作用下其产生的大部分内应力是压应力，对混凝土这种耐压性能好的材料，采用壳体结构形式是十分合适的。但悉尼歌剧院的壳体屋盖不是平放，而是斜向悬挑，这样壳体受到对的作用时，其内应力根本不是薄膜压应力，壳体的优越性完全没有了。特别是受到风力作用时，如风力施加于壳体凸面，则是与壳体自重联合作用下，更会增加壳体的倾覆倾向。所以斜向悬挑放置的壳体屋盖，其内力不全是压力，而存在力矩，这样就不能采用壳体厚度很薄的壳体。

双层混凝土薄壳结构

 C.抛物形设计，1959-61       D.圆形屋脊设计，1961

双层混凝土薄壳                   混凝土包裹屋顶空间桁架

双向屋肋，结构百叶墙             百叶薄壳取代百叶窗

薄壳结构进阶方案：

混凝土壳外壳+坚固的钢结构内部结构

方案失败原因：

1. 建筑师弃用，壳的主要结构会被隐藏起来
2. 仍然存在很多结构问题，并不完善
   

预制混凝土肋拱结构

E 圆弧屋脊设计，1961           F 圆弧屋脊设计，1961

抛物状屋脊，圆弧屋肋            抛物状屋脊，圆弧屋肋

混凝土包裹屋顶空间桁架        预制混凝土屋肋

结构接点穿过百叶墙                结构塔墙

 G 椭球面设计，1961             H 椭球面设计，1961

椭球面屋脊，椭球面屋肋    椭球面屋脊，椭球面屋肋

钢结构外包混凝土表面            现浇及预制混凝土

肋拱结构方案：

1961年，由Arup高级结构工程师Jack Zunz提出采用以预制预应力Y形、T形水泥肋骨拼接的壳体及因之而带来的厚重边沿结构，其灵感来源于古代哥特式穹券。

方案分析：

这种三铰拱并列拼接而成的”壳体”结构，外表面呈球面形状，其凹面形成招风的“口袋”,因此拱在风吸力的作用下，其受力状态与平常拱在重力荷载作用下的情况完全相反，拱内力不是受压，而是受拉，必须利用拱的自重和施加预应力才能抵消其拉力。拱在风额荷载和自重作用下所引起的整体倾覆问题，则需在拱脚采取抗拉措施解决。

结构体系上的受力问题虽然得以解决，但是在施工难度上却有很大的问题。原来的设计不但没有规律，各扇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， 在无规律弯曲面的接合上，是很难确保施工的品质管理。

屋顶结构剖面图

竖向力：沿着内部肋骨向下延伸到底座

水平力：外部载荷沿壳体向下传递

球状设计，预制混凝土肋拱结构

J 椭球面设计，1961                K 球状设计，1961

椭球面屋脊，椭球面屋肋          大圆屋脊，小圆屋肋

现浇及预制混凝土                      现浇及预制混凝土

L 球状设计，1962            M 最终球状设计，1962-63

大圆屋脊，小圆屋肋                大圆屋脊，小圆屋肋

现浇及预制混凝土                    现浇及预制混凝土

最终方案：

由建筑师约恩.伍重在肋拱方案的基础上提出。所有的壳体都是半径75米球体的一个部分。所有的混凝土都可以在相同的模具中铸造。

位于悉尼歌剧院门口的青铜浮雕模型

肋拱布置示意图

施工中浇筑肋拱

 四.新技术在结构设计中的运用  

“乌松的屋顶给结构设计带来了巨大的挑战”

非常值得一提的是，在悉尼歌剧院的设计中，Arup公司的工程师们开创了计算机辅助设计的先河。在此之前，建筑行业的工程师们并不使用计算机进行计算，结构分析计算是在各种工具的帮助下手工进行的，例如计算尺和对数表。或者最多使用像Curta计算器或FACIT计算机这样的小型机械、手摇装置。奥雅纳率先在悉尼歌剧院项目上应用电脑，推动了当代技术的极限，并彻底改变了工程实践。奥雅纳公司的工程师们进行了一系列的模型测试，以评估不同版本屋顶设计的稳定性。这些测试包括在南安普顿大学结构实验室的一个大型有机玻璃屋顶模型上进行的应力分布测试，以及在特丁顿国家物理实验室和南安普顿大学的风洞模型的一系列测试。

南安普敦大学风洞试验模型

计算机帮助运算

结构设计是一门艺术，没有唯一解。只有不断地探索去寻求相对的最佳，而无绝对的最优 。

——————Ove Arup