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。车辆入口和停车场设在大台阶下面。悉尼歌剧院坐落在悉尼港湾，三面临水，环境开阔，以特色的建筑设计闻名于世，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
在最初的歌剧院设计竞赛中，这些壳并没有几何学上的定义，但在设计过程的开始阶段，这些“壳”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。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“壳”的方法。使用原地浇筑的混凝土来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，最终导致造价高昂。 从1957年到1963年，在最后找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12种不同的建造“壳”的方法（包括抛物线结构，圆形肋骨和椭圆体）。在“壳”的设计工作是最早利用电脑进行构造分析来完成构造分析的工作之一。在1961年中期，设计队伍找到了一个解决办法：所有的“壳”都由球体创建而来。该办法可以使用那个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发明者成了一些争论的主题。 “壳”由Hornibrook Group Pty Ltd建造，他负责建造了第三阶段。Hornibrook在工厂中制成了2400件预制肋骨和4000件屋顶面板，着加快了工程的进度。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好，而不是在高处一个一个的拼接上）。Ove Arup和合作方的工地工程师惊讶于这些“壳”在完工前使用了创新的调节型弯曲钢铁桁构梁来支撑不同的屋顶。在1962年4月6日，悉尼歌剧院被估计将于1964年8月到1965年3月之间完成。
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