或許你沒有去過澳洲，但你一定聽過悉尼歌劇院。它的外形像三個三角形翹首於海邊，白色的屋頂猶如貝殼。你一定想不到，這座“殼形”的屋頂，並不是真正的薄殼結構，而是採用了肋拱結構。其設計建造過程極其曲折艱辛，歷時14年，超支達1457%。從設計圖紙被選中的那一刻起，正式拉開了建築師和結構工程師長達十幾年的“鬥爭”。
一.結構外形
悉尼歌劇院的外觀為三組巨大的殼片，聳立在南北長186米，東西最寬處為97米的現澆鋼筋混凝土結構的基座上。
由三大部分組成：音樂廳、歌劇廳和貝尼朗餐廳，前面兩個是音樂廳和歌劇廳，後面較小的是貝尼朗餐廳。
二.建築方案
“故事總有幾分戲劇性”
時間回到1955年，澳洲政府為悉尼歌劇院舉辦了全球性的設計比賽，吸引了233名來自32個國家的建築師參賽。最終意外勝出的是丹麥籍名不見經傳的建築師Jørn Utzon(約恩.伍重)。
悉尼歌劇院草圖
約恩.伍重的設計評委美國設計師埃羅.沙裡寧看到後欣喜若狂，力排眾議，最終確立了其優勝的地位。然而，約恩.伍重是著名的紙上建築師，他曾經在18次建築比賽中勝出了7次，最終僅有悉尼歌劇院落地建成。因為他的設計大多著重建築的美學部分，從技術層面上看卻存在較多問題，實現起來也是難倒了工程師們。這不，結構大師Arup就在悉尼歌劇院這個項目上傾力近10年的時光。
三.屋頂結構方案
“從建築方案到落地是一個艱難而曲折的過程”
大家進入歌劇院內參觀時，第一眼看到的是各種素面朝天的水泥柱子。很多人會覺得幻滅。然而，當年這一條條如肋骨狀的預製混凝土嵌板可是偉大的建築創新。這些混凝土肋一共有2194個嵌板，每個重量約15噸。
尋求解決方案是由建築師和工程師團隊之間緊密的溝通和交流相互推動的。為了保持伍重的原始想法，奧雅納公司的工程師們在1957年至1963年之間開發了多達12種不同版本的混凝土屋頂設計。屋頂從建築師原始草圖的自由形狀演變為最終設計的球形幾何形狀。
悉尼歌劇院早期模型
奧雅納和伍重
薄殼結構的早期探索
A.競賽設計 ,1957 B.早期拋物形設計，1958
伍重手繪 拋物狀屋脊，拋物狀屋肋
單層混凝土薄殼 單層混凝土薄殼
建築師最初設想：
100mm(屋頂處)~500mm(基座處) 混凝土薄殼結構
方案失敗原因：
- 混凝土殼結構形狀合適的情況下，薄的混凝土殼結構才能得以實現。而伍重的結構顯然不能滿足要求。
- 如果殼體屋蓋都是凸面向上平放，當受到重力作用時，可以通過殼體的薄膜壓力來抵抗外界荷載；當受風力作用時，所受的向上風吸力，只要小於殼體自重，一般無害。所以殼體的優越性是在重力作用下其產生的大部分內應力是壓應力，對混凝土這種耐壓性能好的材料，採用殼體結構形式是十分合適的。但悉尼歌劇院的殼體屋蓋不是平放，而是斜向懸挑，這樣殼體受到對的作用時，其內應力根本不是薄膜壓應力，殼體的優越性完全沒有了。特別是受到風力作用時，如風力施加於殼體凸面，則是與殼體自重聯合作用下，更會增加殼體的傾覆傾向。所以斜向懸挑放置的殼體屋蓋，其內力不全是壓力，而存在力矩，這樣就不能採用殼體厚度很薄的殼體。
雙層混凝土薄殼結構
C.拋物形設計，1959-61 D.圓形屋脊設計，1961
雙層混凝土薄殼 混凝土包裹屋頂空間桁架
雙向屋肋，結構百葉牆 百葉薄殼取代百葉窗
薄殼結構進階方案：
混凝土殼外殼+堅固的鋼結構內部結構
方案失敗原因：
- 建築師棄用，殼的主要結構會被隱藏起來
- 仍然存在很多結構問題，並不完善
預製混凝土肋拱結構
E 圓弧屋脊設計，1961 F 圓弧屋脊設計，1961
拋物狀屋脊，圓弧屋肋 拋物狀屋脊，圓弧屋肋
混凝土包裹屋頂空間桁架 預製混凝土屋肋
結構接點穿過百葉牆 結構塔牆
G 橢球面設計，1961 H 橢球面設計，1961
橢球面屋脊，橢球面屋肋 橢球面屋脊，橢球面屋肋
鋼結構外包混凝土表面 現澆及預製混凝土
肋拱結構方案：
1961年，由Arup高級結構工程師Jack Zunz提出採用以預製預應力Y形、T形水泥肋骨拼接的殼體及因之而帶來的厚重邊沿結構，其靈感來源於古代哥特式穹券。
方案分析：
這種三鉸拱並列拼接而成的”殼體”結構，外表面呈球面形狀，其凹面形成招風的“口袋”,因此拱在風吸力的作用下，其受力狀態與平常拱在重力荷載作用下的情況完全相反，拱內力不是受壓，而是受拉，必須利用拱的自重和施加預應力才能抵消其拉力。拱在風額荷載和自重作用下所引起的整體傾覆問題，則需在拱腳採取抗拉措施解決。
結構體系上的受力問題雖然得以解決，但是在施工難度上卻有很大的問題。原來的設計不但沒有規律，各扇型結構都有不同的彎曲度，完全沒有邏輯可言，而且不同的彎曲面是互相接觸的， 在無規律彎曲面的接合上，是很難確保施工的品質管理。
屋頂結構剖面圖
豎向力：沿著內部肋骨向下延伸到底座
水平力：外部載荷沿殼體向下傳遞
球狀設計，預製混凝土肋拱結構
J 橢球面設計，1961 K 球狀設計，1961
橢球面屋脊，橢球面屋肋 大圓屋脊，小圓屋肋
現澆及預製混凝土 現澆及預製混凝土
L 球狀設計，1962 M 最終球狀設計，1962-63
大圓屋脊，小圓屋肋 大圓屋脊，小圓屋肋
現澆及預製混凝土 現澆及預製混凝土
最終方案：
由建築師約恩.伍重在肋拱方案的基礎上提出。所有的殼體都是半徑75米球體的一個部分。所有的混凝土都可以在相同的模具中鑄造。
位於悉尼歌劇院門口的青銅浮雕模型
肋拱佈置示意圖
施工中澆築肋拱
四.新技術在結構設計中的運用
“烏松的屋頂給結構設計帶來了巨大的挑戰”
非常值得一提的是，在悉尼歌劇院的設計中，Arup公司的工程師們開創了計算機輔助設計的先河。在此之前，建築行業的工程師們並不使用計算機進行計算，結構分析計算是在各種工具的幫助下手工進行的，例如計算尺和對數表。或者最多使用像Curta計算器或FACIT計算機這樣的小型機械、手搖裝置。奧雅納率先在悉尼歌劇院項目上應用電腦，推動了當代技術的極限，並徹底改變了工程實踐。奧雅納公司的工程師們進行了一系列的模型測試，以評估不同版本屋頂設計的穩定性。這些測試包括在南安普頓大學結構實驗室的一個大型有機玻璃屋頂模型上進行的應力分佈測試，以及在特丁頓國家物理實驗室和南安普頓大學的風洞模型的一系列測試。
南安普敦大學風洞試驗模型
計算機幫助運算
結構設計是一門藝術，沒有唯一解。只有不斷地探索去尋求相對的最佳，而無絕對的最優 。
——————Ove Arup[1] “悉尼歌劇院”話題之一| 結構大師彼得·萊斯的駐場故事
[2]汪達尊, 傅濤. 建築的巨人結構的侏儒——從悉尼歌劇院談起[J]. 建築工人, 2000(7).
[3] 你所不知道的悉尼歌劇院http://blog.sina.com.cn/s/blog_4d43aa9c0102wd14.html
[4] 違反常規的建築—悉尼歌劇院(結構篇)
[5] 建築結構剖析之悉尼歌劇院
[6] Happy birthday to our Sydeney Opera House
[7] 力學計算網
[8] An engineering walk around the sydeney opera house
閱讀更多 不若留白BRLB 的文章
