這是某機場交通中心中庭的一個圓形天窗，天窗直徑30米。如果讓我們隨便設計，有哪些方法可以填滿這個圈呢，我們來看下。
交通中心圓形天窗
01 石穹頂
思緒被拉回到了一千八百年前的萬神殿。萬神殿修建于公元126年，原本用來供奉羅馬諸神，自7世紀后這里便成為了羅馬天主教堂。萬神殿中間為中空狀態(tài)，謂之萬神之瞳，其規(guī)模之大自竣工兩千年來一直長踞世界同類建筑之首。
萬神殿
萬神殿穹頂直徑43.3米，最高點也是43.3米，中部采光洞口直徑8.9米。穹頂采用古老的混凝土，其材料特性與石塊類似，抗壓王者抗拉弱雞。而穹頂結構以受壓為主，建筑材料與結構體系可謂天作之合。
萬神殿大穹頂
一千五百年前的圣索菲亞大教堂也因其巨大的穹頂而聞名于世。穹頂直徑31.24米。這座著名的穹頂也算是命運多舛，自建成之后由于穹頂自身巨大的側推力曾先后倒塌三次。工程師也曾試圖通過增加墻厚、增設飛扶壁、增加穹頂矢高等方法加固，但依然沒有結束它不斷倒塌的命運。
圣索菲亞大教堂
直到工程師充分認識穹頂?shù)氖芰χ?，在底部增設一圈鐵鏈，倒塌重建的循環(huán)才得以終止。鐵鏈在穹頂?shù)撞啃纬衫Φ拈]合環(huán)以抵消穹頂巨大的推力，大幅減小了扶壁所受側向力。即使后期拆除了某些影響建筑外觀的扶壁，穹頂依然在經(jīng)歷了幾次大地震后屹立至今。
圣索菲亞大教堂穹頂
如果用穹頂填滿這個圈，我們還可以對穹頂做各種裝飾，讓其看起來更加絢麗，古今中外也有各種各樣的例子供我們參考。
裝飾的穹頂
更多的裝飾穹頂
穹頂由于其特有的建筑特點一般被用于教堂，但如果真把它用于現(xiàn)代機場，可以想象建筑師的表情如下。
02 木穹頂
我們通過將連續(xù)的穹頂面網(wǎng)格化，也可以用木頭來填滿這個圈。木頭相比于石塊，抗拉和抗彎性能都更加優(yōu)秀，并且材料本身也不會顯得那么冰冷，可以給人以親近和溫暖的感覺。
施威德勒型木穹頂
肋環(huán)型木穹頂
木頭好是好，現(xiàn)如今也越來越被大眾所追捧，但應用于天窗的例子很少見。而我如果在交通中心鋼筋混凝土中間，突然出弄出一個古樸的木穹頂，怕是也逃不脫建筑師的嘲諷。
03 混凝土
稍稍把腦洞收回來一些，還是選用現(xiàn)代材料吧。如果主體結構都是混凝土，那么設計一個混凝土穹頂怎么樣？第一個跳入腦海的是奈爾維的羅馬小體育宮。
羅馬小體育宮穹頂
羅馬小體育宮（Palazzetto DelloSport）外形輕巧，輻射狀的Y形斜柱撐起混凝土薄殼，薄殼周邊褶皺起伏，它呈現(xiàn)的造型符合曲面吊掛時的受力形態(tài)。猜想奈爾維應該是采用了實驗逆吊法。在計算機技術應用于結構工程設計之前，實驗逆吊法是建筑師常用的形態(tài)創(chuàng)建方法，尤其是在薄殼結構中。
羅馬小體育宮剖面
羅馬小體育館（Palazzetto DelloSport）不僅由奈爾維設計，而且由其建筑公司（Nervi and Bartoli Engineers公司）建造。組成薄殼穹頂?shù)?620塊用鋼絲網(wǎng)水泥預制的菱形槽板，在地面模板上澆注成形。板間的鋼筋混凝土肋和節(jié)點現(xiàn)澆，之后在上面再整澆一層混凝土，形成整體并兼作防水層。由于采用了奈爾維體系（Nervi system）”工法，建造成本大幅降低，而工期僅用了7個月時間。預制的菱形板和現(xiàn)澆的肋線，形成優(yōu)美的天花，堪稱建筑、結構、施工完美呈現(xiàn)的藝術品。
羅馬小體育宮屋面肌理
再比如托羅哈1933年在瑞士設計的阿赫西拉斯鎮(zhèn)集市屋面。正八角形穹頂直徑達47.6m，曲率半徑為44.2m。作為單一的球殼，它的跨度第一次超越了萬神廟穹頂。殼體厚度最小為8.9cm，厚跨比是1/535；支承點附近加厚至45.7cm。
阿赫西拉斯鎮(zhèn)集市
阿赫西拉斯鎮(zhèn)集市的殼體比較扁，中心角約32度，加之采用了預應力，殼體呈整體受壓的狀態(tài)。當?shù)赜晁容^少，殼體表面沒有做防水，裸露的混凝土表面依舊充滿光澤，沒有太多歲月侵蝕的痕跡。時年34歲的托羅哈憑借這樣一個小鎮(zhèn)集市的設計，一舉成名。
阿赫西拉斯鎮(zhèn)集市
混凝土殼的經(jīng)典案例還有很多，但多建成于上世紀三四十年代的歐洲。而后由于鋼結構的興起，逐漸被鋼網(wǎng)格結構所取代。如果在本項目這個圓圈里復刻一個混凝土殼，弄好了網(wǎng)紅打卡，弄不好登報批判，而且后者可能性遠大于前者，還是打消掉這個危險的念頭。
04 鋼結構
還是用鋼結構比較穩(wěn)妥。要用鋼結構表現(xiàn)天窗的輕盈，網(wǎng)殼是一個很好的選擇。經(jīng)典的網(wǎng)殼劃分方法有很多，比如肋環(huán)型、聯(lián)方型、施威德勒型、凱威特型等等。其中肋環(huán)型適合中、小跨度；聯(lián)方型抗風抗震性能相對更好，適用與大、中跨度；施威德勒型能承受較大的非對稱荷載，適用于大、中跨度；凱威特型為均勻的三角形網(wǎng)格，適用于各種跨度。
鋼網(wǎng)殼經(jīng)典的網(wǎng)格劃分方法
德國國會大廈改造中的穹頂即采用了肋環(huán)式網(wǎng)殼，中庭中部還有一螺旋式通道一直引領人們到達圓頂和瞭望平臺。相對于混凝土網(wǎng)殼，鋼與玻璃的組合通透性更好，同時也更符合密斯對于現(xiàn)代建筑的定義和現(xiàn)代人的審美標準。
德國國會大廈穹頂
除了鋼與玻璃組合的通透天窗，我們還有什么選擇？腦海中蹦出了出云穹頂。
出云穹頂，球形穹頂直徑143.8米，拱頂部高度48.9m米。它最大的結構特點是綜合性。材料上有鋼、木、薄膜；結構形式上有拱、桁架、索膜結構，并充分發(fā)揮了每個部份的優(yōu)勢。
出云穹頂
出云穹頂結構體系
木質拱架是穹頂最主要的受力構件，共有36榀，呈放射狀布置。拱架以受壓為主。穹頂中心為鋼質的承壓環(huán)；底部是木質空間桁架形式的拉環(huán)，使得穹頂成為自平衡的體系，減小對柱子和基礎的推力。同時采用鋼拉桿以張弦的形式加強球殼面外抗彎剛度。外表覆蓋以白色膜材，在兩個骨架之間(折面波谷處)用穩(wěn)定索把薄膜向下壓緊，形成V字形狀，可以使積雪自然滑落。
出云穹頂內部
如果體現(xiàn)科技感，我們還可以選擇富勒的短線程穹頂。
短程線(Geodesic Line)是連接曲面上兩點、線長度最短的線條?？梢詫⒍骟w描繪成由31個大圓交錯排列形成的球面三角形網(wǎng)絡，而二十面體可以分解為八面體并進而分解為四面體。用這一方法就可以做成一個半球形結構或圓屋頂，球體上的三角形表面是四面體露在外的一面，這些四面體均指向球心并且牢固不可分離。
正二十面和正十二面球體的設計專利
原理看不懂沒關系，直接看案例。1967年富勒就將這一設計思想應用于蒙特利爾國際博覽會美國館的設計上，場館是一3/4球形建筑，直徑為76米，外表面覆蓋著透明的亞克力板。這座展館成為美國先進科技的象征，當年可謂萬眾矚目。
富勒和蒙特利爾世博會美國館
（你瞅啥？瞅你咋地?。?/span>
蒙特利爾世博會美國館內部
05 其他結構
繼續(xù)發(fā)散思維！想到輕質高強，那么鋁結構也不妨一試。結構鋁的密度大約是鋼的1/3，而強度大約與Q235相當，并且由于抗腐蝕性強、免維護的特點，是非常理想的建筑材料。
Henry doorly zoo desert dome
但是由于焊接會造成鋁合金強度大幅下降，鋁合金通常采用圓盤連接節(jié)點。而圓盤節(jié)點抗剪性能差，不適合用在以受彎為主的梁式結構。殼體結構內以壓應力為主，構件設計均為穩(wěn)定控制，對節(jié)點需求低。因此，鋁合金結構特別適合用于受壓為主的球殼結構。
鋁合金結構盤式連接節(jié)點
鋁合金結構網(wǎng)殼經(jīng)典案例也有很多，其中近兩年被大家熟知的有牛首山大小穹頂和北京新機場天窗。鋁構件的尺度都很小，從通透性上來說，效果比普通鋼網(wǎng)殼要好。對于本項目要填滿的圓圈，也不失為一種選擇。
牛首山佛頂宮
北京新機場天窗
如果要追求結構的極致輕薄，膜結構也是一種選擇。東京巨蛋（Tokyo Dome）和大阪世博會美國館都可以借鑒。但如果在我們要填滿的圓圈中用膜結構，尺度把握是個問題。
膜結構如果用在大尺度，建筑效果會顯得輕盈。而如果用在30米這種中小尺度，就會顯得細節(jié)不夠，甚至廉價感。因此，還是不能用膜結構。
東京巨蛋（Tokyo Dome）
大阪世博會美國館
回到現(xiàn)實
雖然開了半天腦洞，而實際設計中最終采用了弦支穹頂?shù)姆桨?。為什么？專家說：結構可能不是最省的、施工可能不是最方便的、科技含量可能不是最高的，但是設計中感覺是最貼合建筑功能和外觀訴求的。
交通中心中庭
天窗位于交通中心地下一層圓形中庭上空，人流在這里交匯，在選擇結構網(wǎng)格布置時需要考慮其向心匯聚效應，因此方向性較弱的施威德勒網(wǎng)格和凱威特網(wǎng)格就不適合。
三角形網(wǎng)格方向性差
同時考慮到節(jié)能，天窗底部需布置遮陽帷幕，如果結構本身的構造層次太過復雜，疊加遮陽帷幕若影若現(xiàn)的光影效果，會顯得結構特別亂，因此輪輻式結構也不適合。
輪輻式方案
最終選擇弦支穹頂，上弦鋼梁呈肋環(huán)型布置，增加方向性；下弦遮陽帷幕布置于拉索空擋，在減少構造層次的同時，結構構件與遮陽帷幕虛實結合，既表現(xiàn)結構又不刻意表現(xiàn)結構。
天窗效果
最終效果達到了建筑和結構的融合，與傳統(tǒng)高技派結構外露的炫技相比，更體現(xiàn)了東方文化中似露非露的含蓄意境。
天窗結構外露效果
天窗結構圖
今天，回顧了一下穹頂?shù)慕Y構體系選擇和經(jīng)典案例，不禁感嘆，沒有哪種結構體系或者結構材料是最高級的。
只有適合的，才是最好的。
相關資訊
Copyright © 2021 junyanjiari.com.cn. 萬豪膜結構 版權所有. | 技術支持：幽設網(wǎng)絡 | 浙ICP備11065613號-2 | |
