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天幕:采光的华盖

来源:公众号iStructure 时间:2020-07-13 作者:杨笑天 李存庆 浏览量:

作者:杨笑天  李存庆(公众号iStructure成员)

天幕Canopy,更加通俗的名字是采光顶篷或采光天窗。天幕为公共空间遮风挡雨的同时,又能保证明亮的采光,在街区覆盖、历史建筑改造、商场中庭等公共大空间中应用的案例越来越多。

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Great Court at the British Museum

小i 团队最近正在参与设计一个天幕结构,今天把我们收集的资料和自己的实践案例分享给大家。

天幕结构可以从建筑形态、网格形状、结构形式、结构材料、是否封闭等多个维度进行分类,本文选择从建筑曲面形态和结构形式方向展开介绍。

平面:梁的跨越

对于跨度比较小的天幕,采用单向梁或交叉梁即可实现。这一类天幕的结构创新主要体现的网格布置、截面形式和节点细节方面。例如,网格布置可以是三角形、四边形、联方形、六边形等等。

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普通单梁结构

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单向空腹桁架结构

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空腹桁架结构

Chadstone Shopping Centre, Atelier One

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VICTORIA GATE ARCADES LEEDS, ACME

联方形网格天幕

平面/曲面 + 树形柱

对于跨度稍大的天幕,如果单纯采用梁跨越,构件截面会比较大。可以设置树形柱支承,以减小天幕结构的跨度。这种情况下,树形柱的拓扑、天幕网格以及节点细部设计是影响建筑结构效果的重点。

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Strawinskylaan 自行车停车场,荷兰,wUrck

六边形网格 + 分叉柱

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三角形网格 +树柱

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天幕结构与树柱的一体化

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Parque Toreo

设计Sordo Madaleno Arquitectos

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Parque Toreo

结构梁被包装为三角形,网格线角硬朗

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Goede Doelen Loterijen Head Offices

设计Benthem Crouwel Architects

天幕下方的遮阳片制造出有趣的光影效果

有的天幕虽然设计为曲面,但其曲面形状的力学性能差,结构受力仍然以抗弯为主。这类曲面天幕结构与树形柱相结合,才能以较细小的结构构件完成。

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Westfield London Shopping Centre

Benoy & Westfield Design Architects

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New Milan Trade Fair,Archivio Fuksas

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“Unione Militare” Building

规则曲面网壳

规则曲面的天幕一般采用钢结构网壳形式,利用网壳曲面的形抗原理,结构以轴向受力为主、效率高,以较小的截面尺寸即可实现很大跨度。这一类网壳曲面多为圆柱面、球面。

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千变万化的球面网壳天窗

英国博物馆中庭

Great Court at the British Museum(2000)

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Great Court at the British Museum,2000

英国博物馆为了解决内部缺乏空间、缺乏通道、中心图书馆利用率低的问题,启动了大庭院加建天幕的改造项目,由福斯特事务所负责设计,其设计构想是新与旧共生。

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加建天幕前后的建筑鸟瞰对比

设计中保留了原有古典式建筑主体,在中间庭院加建6000平方米的玻璃天幕。由此,大庭院再次成为了整个博物馆的核心,并且可以在博物馆的正常开放时间以外开放,提供了一个新的公共空间。

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这个经典的改造项目把轻与重巧妙组合。钢结构网壳内侧支承于圆形阅览室,外侧支承于方形博物馆建筑的内墙,通过找形分析得到一个拱起的规则形态。

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英国博物馆中庭:天幕曲面

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中庭平面

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中庭剖面

沿中心圆径向布置主受力网格,再辅助另两个方向的圆弧线条划分出1656个三角形平面玻璃板。

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原有博物馆建筑为天幕提供了一个坚固的边界条件,使得网壳可以充分发挥形体的作用。构件以轴力为主、截面纤细,极大地突出了整体通透明亮的建筑效果。

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没有改建,老馆暮气沉沉;离开老馆,新建部分无法达到现有境界。设计师充分挖掘了原有建筑的潜力,使新老建筑一起焕发出活力。

自由曲面

随着建筑构型手段和建造技术的进步,出现了越来越多的自由曲面天幕。这一类曲面没有严密的数学逻辑,如何以轻巧的结构形式构建是结构设计最大的难点。

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CARIOCA WAVE, 设计Knippers Helbig 

以规则的三角形划分自由曲面,网格往往显得不太规则、构件布置略显凌乱,但是可以保证幕墙玻璃为平板、减小了幕墙工艺的难度和玻璃造价。

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CARIOCA WAVE,设计Knippers Helbig

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CUTTY SARK CONSERVATION PROJECT

设计Grimshaw Architects

自由曲面天幕采用四边形网格的建筑效果往往更加简洁,但由此也会产生另一个难题——玻璃翘曲。

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The National Portrait Gallery of the USA

自由曲面形态使得结构表现得富于变化

柱间布置拉索以平衡网壳的推力

对于自由曲面天幕,四边形网格的翘曲可能比较大,全部采用异形曲面玻璃往往是不现实的。因此,四边形网格平面化、减小玻璃尺寸的规格种类、网格与建筑外观的协调是幕墙设计的难点。

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苏州中心天幕结构

树形柱支承+自由曲面+四边形网格+拉索平衡

隐约可见的拉索,平衡壳体的水平推力

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苏州中心天幕:箱形构件与圆筒焊接节点

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MyZeil Shopping Mall

对于自由曲面天幕,结构找形分析是实现形抗作用和建筑效果的关键。此外,对网格均匀性、玻璃板翘曲、构件节点方位做优化分析也是必要的。任何方面的差之毫厘,都可能导致项目完成度的损伤。

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Chadstone Shopping Centre,Atelier One

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经过曲面找形的天幕曲面

Chadstone Shopping Centre

“喇叭形”曲面

以上各种天幕结构均是支承在周边建筑或树形上的。除此以外,还有一种以天幕网格独立或相对独立支承的结构,其建筑形态往往呈现“喇叭形”。

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上海世博轴阳光谷,华东建筑设计研究总院

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上海爱琴海购物公园,安藤忠雄,LDI:华东建筑设计研究总院

中庭为喇叭形的独立支承网格

裙房之间的天幕为树形柱支承

LuOne 凯德晶萃广场天幕

LuOne之名来自“卢湾”的谐音,致敬昔日老上海的经典格调。建筑中最瞩目的是三条长廊环绕的中庭花园,由46米直径的圆形玻璃穹顶覆盖。

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LuOne凯德晶萃广场天幕

建筑:Safdie Architects;结构:Arup

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穹顶及天幕示意图 

伞状穹顶结构充分发挥了网壳的形抗优势,最小杆件截面仅10Ox100mm,营造出建筑师非常期待的精致轻盈效果。

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天幕节点连接设计

巨大透明天幕能增强自然采光和视觉通透性,然而另一方面,也带来眩光和太阳热辐射增加等潜在问题。因此,设计师采用低辐射镀膜玻璃、通风装置和气帘、雨水收集系统等兼顾了访客的最佳舒适度和绿色生态品质。

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© Safdie Architects / Arup

根据消防规范,中庭钢结构要涂防火涂层以提供1.5~3小时的耐火保护。通过性能化分析,设计师提出创新的水帘保护系统作为钢材防火替代方案。水帘经由气化,可以吸收火与烟雾大部分热量,使钢材表面温度显著降低。

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钢结构消防水帘保护系统 

近年小i 参与的天幕结构设计

世茂广场天幕结构

天幕结构长约500米,呈折板形态。天幕上覆盖有ETFE气枕膜面,膜面呈菱形;下部布置半透光的PTEF膜和LED灯条,赋予天幕幻影的效果。结构设计采用参数化建模分析,对构件布置、网格、节点进行精细化设计。

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世茂广场天幕结构,华东建筑设计研究总院

拉斐尔云廊

“云廊”平面尺寸长约730米、宽120米,波峰到波谷最大矢高16米。通过Y形外伸斜柱整体支承于由11栋间距50-100米的塔楼建筑群顶部,实现“如浮云一般连绵起伏”的形象,是一个超长、大跨的单层网格结构。


“云廊”约25%的区域设置太阳能板覆盖。为降低结构防腐维护需求和减轻自重,采用铝合金为主、部分区域钢铝混合的结构选材。

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世茂广场天幕结构,华东建筑设计研究总院

为实现结构效率的最大化,采用基于遗传算法进行结构找形分析。经过优化的结构形态以轴力为主、效率高,使得构件截面高度控制在550mm成为可能。飘逸的形态、规则的网格、纤细的构件、精致的节点,是建筑与结构一体化的成果。

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双塔间悬吊天幕

两座超高层塔楼之间的曲面的悬挂天幕,利用了悬链线原理。天幕顶点的净距52~78m,最大矢高约73m,宽度52m,是一个大跨度的复杂曲面结构。建筑效果要求结构形式必须非常简洁、通透、构件尺寸尽可能地纤细。


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绿地杭州之门悬链天幕结构 

方案+初步设计:SOM

LDI设计:华东建筑设计研究总院

设计中尝试应用Grasshopper平台的结构参数化建模、分析、曲面优化、网格优化。应用参数化和结构优化方法拓宽了结构设计方案的可能性。

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参数化结构建模与找形分析

最后,希望这篇浅显的资料收集短文能够对大家有所帮助,欢迎留言区交流讨论。

参考资料

1.Archdaily.com: New Milan Trade Fair

2.Archdaily.com: Chadstone Shopping Centre

3.Archdaily.com: Parque Toreo

4.Archdaily.com:Goede Doelen Loterijen

5.公众号Arup奥雅纳:LuOne:设计沪上最大的室内花园中庭

6.wikipedia.org:


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