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怎么填滿一個(gè)圈？

時(shí)間:2019-09-09 01:58:51 瀏覽數(shù)：

這是某機(jī)場(chǎng)交通中心中庭的一個(gè)圓形天窗，天窗直徑30米。如果讓我們隨便設(shè)計(jì)，有哪些方法可以填滿這個(gè)圈呢，我們來(lái)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(wàn)神殿。萬(wàn)神殿修建于公元126年，原本用來(lái)供奉羅馬諸神，自7世紀(jì)后這里便成為了羅馬天主教堂。萬(wàn)神殿中間為中空狀態(tài)，謂之萬(wàn)神之瞳，其規(guī)模之大自竣工兩千年來(lái)一直長(zhǎng)踞世界同類建筑之首。

萬(wàn)神殿

萬(wàn)神殿穹頂直徑43.3米，最高點(diǎn)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(jié)構(gòu)以受壓為主，建筑材料與結(jié)構(gòu)體系可謂天作之合。

萬(wàn)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(yùn)多舛，自建成之后由于穹頂自身巨大的側(cè)推力曾先后倒塌三次。工程師也曾試圖通過(guò)增加墻厚、增設(shè)飛扶壁、增加穹頂矢高等方法加固，但依然沒(méi)有結(jié)束它不斷倒塌的命運(yùn)。

圣索菲亞大教堂

直到工程師充分認(rèn)識(shí)穹頂?shù)氖芰χ?，在底部增設(shè)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(cè)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(gè)圈，我們還可以對(duì)穹頂做各種裝飾，讓其看起來(lái)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(diǎn)一般被用于教堂，但如果真把它用于現(xiàn)代機(jī)場(chǎng)，可以想象建筑師的表情如下。

02 木穹頂

我們通過(guò)將連續(xù)的穹頂面網(wǎng)格化，也可以用木頭來(lái)填滿這個(gè)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(huì)顯得那么冰冷，可以給人以親近和溫暖的感覺(jué)。

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(lái)越被大眾所追捧，但應(yīng)用于天窗的例子很少見(jiàn)。而我如果在交通中心鋼筋混凝土中間，突然出弄出一個(gè)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(lái)一些，還是選用現(xiàn)代材料吧。如果主體結(jié)構(gòu)都是混凝土，那么設(shè)計(jì)一個(gè)混凝土穹頂怎么樣？第一個(gè)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(shí)的受力形態(tài)。猜想奈爾維應(yīng)該是采用了實(shí)驗(yàn)?zāi)娴醴ā?/span>在計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)之前，實(shí)驗(yàn)?zāi)娴醴ㄊ墙ㄖ煶Ｓ玫男螒B(tài)創(chuàng)建方法，尤其是在薄殼結(jié)構(gòu)中。

羅馬小體育宮剖面

羅馬小體育館（Palazzetto DelloSport）不僅由奈爾維設(shè)計(jì)，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(yù)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(diǎn)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(gè)月時(shí)間。預(yù)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(jié)構(gòu)、施工完美呈現(xiàn)的藝術(shù)品。

羅馬小體育宮屋面肌理

再比如托羅哈1933年在瑞士設(shè)計(jì)的阿赫西拉斯鎮(zhèn)集市屋面。正八角形穹頂直徑達(dá)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(wàn)神廟穹頂。殼體厚度最小為8.9cm，厚跨比是1/535；支承點(diǎn)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(yù)應(yīng)力，殼體呈整體受壓的狀態(tài)。當(dāng)?shù)赜晁容^少，殼體表面沒(méi)有做防水，裸露的混凝土表面依舊充滿光澤，沒(méi)有太多歲月侵蝕的痕跡。時(shí)年34歲的托羅哈憑借這樣一個(gè)小鎮(zhèn)集市的設(shè)計(jì)，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(jì)三四十年代的歐洲。而后由于鋼結(jié)構(gòu)的興起，逐漸被鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)所取代。如果在本項(xiàng)目這個(gè)圓圈里復(fù)刻一個(gè)混凝土殼，弄好了網(wǎng)紅打卡，弄不好登報(bào)批判，而且后者可能性遠(yuǎn)大于前者，還是打消掉這個(gè)危險(xiǎn)的念頭。

04 鋼結(jié)構(gòu)

還是用鋼結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)妥。要用鋼結(jié)構(gòu)表現(xiàn)天窗的輕盈，網(wǎng)殼是一個(gè)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(fēng)抗震性能相對(duì)更好，適用與大、中跨度；施威德勒型能承受較大的非對(duì)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(guó)國(guó)會(huì)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(lǐng)人們到達(dá)圓頂和瞭望平臺(tái)。相對(duì)于混凝土網(wǎng)殼，鋼與玻璃的組合通透性更好，同時(shí)也更符合密斯對(duì)于現(xiàn)代建筑的定義和現(xiàn)代人的審美標(biāo)準(zhǔn)。

德國(guó)國(guó)會(huì)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)是綜合性。材料上有鋼、木、薄膜；結(jié)構(gòu)形式上有拱、桁架、索膜結(jié)構(gòu)，并充分發(fā)揮了每個(gè)部份的優(yōu)勢(shì)。

出云穹頂

出云穹頂結(jié)構(gòu)體系

木質(zhì)拱架是穹頂最主要的受力構(gòu)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(zhì)的承壓環(huán)；底部是木質(zhì)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(duì)柱子和基礎(chǔ)的推力。同時(shí)采用鋼拉桿以張弦的形式加強(qiáng)球殼面外抗彎剛度。外表覆蓋以白色膜材，在兩個(gè)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(nèi)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(diǎn)、線長(zhǎng)度最短的線條?？梢詫⒍骟w描繪成由31個(gè)大圓交錯(cuò)排列形成的球面三角形網(wǎng)絡(luò)，而二十面體可以分解為八面體并進(jìn)而分解為四面體。用這一方法就可以做成一個(gè)半球形結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)專利

原理看不懂沒(méi)關(guān)系，直接看案例。1967年富勒就將這一設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于蒙特利爾國(guó)際博覽會(huì)美國(guó)館的設(shè)計(jì)上，場(chǎng)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(guó)先進(jìn)科技的象征，當(dāng)年可謂萬(wàn)眾矚目。

富勒和蒙特利爾世博會(huì)美國(guó)館

（你瞅啥？瞅你咋地?。?/span>

蒙特利爾世博會(huì)美國(guó)館內(nèi)部

05 其他結(jié)構(gòu)

繼續(xù)發(fā)散思維！想到輕質(zhì)高強(qiáng)，那么鋁結(jié)構(gòu)也不妨一試。結(jié)構(gòu)鋁的密度大約是鋼的1/3，而強(qiáng)度大約與Q235相當(dāng)，并且由于抗腐蝕性強(qiáng)、免維護(hù)的特點(diǎn)，是非常理想的建筑材料。

Henry doorly zoo desert dome

但是由于焊接會(huì)造成鋁合金強(qiáng)度大幅下降，鋁合金通常采用圓盤(pán)連接節(jié)點(diǎn)。而圓盤(pán)節(jié)點(diǎn)抗剪性能差，不適合用在以受彎為主的梁式結(jié)構(gòu)。殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)以壓應(yīng)力為主，構(gòu)件設(shè)計(jì)均為穩(wěn)定控制，對(duì)節(jié)點(diǎn)需求低。因此，鋁合金結(jié)構(gòu)特別適合用于受壓為主的球殼結(jié)構(gòu)。

鋁合金結(jié)構(gòu)盤(pán)式連接節(jié)點(diǎn)

鋁合金結(jié)構(gòu)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(jī)場(chǎng)天窗。鋁構(gòu)件的尺度都很小，從通透性上來(lái)說(shuō)，效果比普通鋼網(wǎng)殼要好。對(duì)于本項(xiàng)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(jī)場(chǎng)天窗

如果要追求結(jié)構(gòu)的極致輕薄，膜結(jié)構(gòu)也是一種選擇。東京巨蛋（Tokyo Dome）和大阪世博會(huì)美國(guó)館都可以借鑒。但如果在我們要填滿的圓圈中用膜結(jié)構(gòu)，尺度把握是個(gè)問(wèn)題。

膜結(jié)構(gòu)如果用在大尺度，建筑效果會(huì)顯得輕盈。而如果用在30米這種中小尺度，就會(huì)顯得細(xì)節(jié)不夠，甚至廉價(jià)感。因此，還是不能用膜結(jié)構(gòu)。

東京巨蛋（Tokyo Dome）

大阪世博會(huì)美國(guó)館

回到現(xiàn)實(shí)

雖然開(kāi)了半天腦洞，而實(shí)際設(shè)計(jì)中最終采用了弦支穹頂?shù)姆桨?。為什么？專家說(shuō)：結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)中感覺(jué)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(jié)構(gòu)網(wǎng)格布置時(shí)需要考慮其向心匯聚效應(yīng)，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(shí)考慮到節(jié)能，天窗底部需布置遮陽(yáng)帷幕，如果結(jié)構(gòu)本身的構(gòu)造層次太過(guò)復(fù)雜，疊加遮陽(yáng)帷幕若影若現(xiàn)的光影效果，會(huì)顯得結(jié)構(gòu)特別亂，因此輪輻式結(jié)構(gòu)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(yáng)帷幕布置于拉索空擋，在減少構(gòu)造層次的同時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件與遮陽(yáng)帷幕虛實(shí)結(jié)合，既表現(xiàn)結(jié)構(gòu)又不刻意表現(xiàn)結(jié)構(gòu)。