超支1457%的悉尼歌剧院，屋顶居然不是薄壳结构
“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JørnUtzon(约恩.伍重)。
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。
“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。
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
100mm(屋顶处)~500mm(基座处)混凝土薄壳结构
C.抛物形设计，1959-61D.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
混凝土壳外壳+坚固的钢结构内部结构
E圆弧屋脊设计，1961F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，1961H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
1961年，由Arup高级结构工程师JackZunz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。
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。
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
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
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
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
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
[1]“悉尼歌剧院”话题之一|结构大师彼得·莱斯的驻场故事
[2]汪达尊,傅涛.建筑的巨人结构的侏儒——从悉尼歌剧院谈起[J].建筑工人,2000(7).
[3]你所不知道的悉尼歌剧院http://blog.sina.com.cn/s/blog_4d43aa9c0102wd14.html
[4]违反常规的建筑—悉尼歌剧院(结构篇)
[5]建筑结构剖析之悉尼歌剧院