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网格球形钢结构建筑分析和案例

发布日期:2019-8-8 10:14:59

在空间几何体中,没有棱角的球体是最完美的!球体的表面势能最小,正是气泡、气球、充气结构,甚至星球天体成为球形的原因。
近年来民用建筑中的异型钢结构逐渐增多,而异型钢结构的安装较常规结构安装难度大,技术水平要求高,安装工艺复杂。在球形钢结构施工中,难度较大的是弧型钢柱的安装及屋面结构的安装。
在力学方面,当球体受到均匀的张力或压力时,只承受轴向拉力或压力。球壳是一种非常高效的结构形式,就像大家很难用手握碎薄薄的鸡蛋壳一样。
球形储罐:相同的直径和工作压力下,板厚仅为筒形储罐的一半;1967年蒙特利尔世博会美国馆,空间球壳,储存气体和液体的压力罐也常常设计为球形,是因为相同的表面积,球形围合的体积最大,同时球壳具有轻质高效的受力特点。

球形网壳的分格形式有:短程线形Geodesic Dome、肋环形Ribbed Dome、联方形Lamella Dome、施威德勒形Schwedler Dome、凯威特形Kiewitt Dome等。


肋环形 Ribbed Dome


联方形Lamella Dome


施威德勒形 Schwedler Dome(双斜无纬线)






球体独特的形状、高效的受力,以及空间特性呈现出的魅力,在建筑设计中也有许多优秀的案例。下面将大家收集的案例分享给大家。

1.  富勒 与 短程线穹顶  
在1927年左右,富勒开发了一种对球面测量和投影制图的新策略,称为Dymaxion地图,把球面地势转换成一系列平面三角形和正方形的几何。“通过控制投影绘制时产生的扭曲,使地图上陆地的大小能够与现实保持较为准确的比例。因为这些几何元素可以重新排列,大家也就能用无数种不同方式“剥开”地球。”


富勒与Dymaxion地图(1945年)Kyle Vanhemert为富勒绘制的插画;富勒将Dymaxion地图想法和能量几何学结合,发明了短程线穹顶。短程线(Geodesic Line)是连接曲面上两点、线长度最短的线条。
 
1967年蒙特利尔国际博览会上,富勒和Shoji Sadao设计了一座直径为76m的3/4球形建筑---美国馆,外表面覆盖着透明的亚克力板。这座展馆成为美国先进科技的象征,引得世人瞩目。


富勒和蒙特利尔世博会美国馆(1967年)



1976年,球顶在改造过程中遭受火灾。外装饰被烧毁,外露的结构显得更加清晰。除了蒙特利尔美国馆以外,富勒还做了许多球形结构设计,包括Flys Eye Dome和张拉整体球形结构。


张拉整体结构

“Small islands of compression in a sea of tension” (压杆的孤岛存在于拉杆的海洋之中)。富勒比喻宇宙中的天体就像是漂浮在张力的海洋之中、受压的孤岛,万有引力是一个平衡的张力网,而各个星球是这个网中相互独立的受压体,大自然符合“间断压连续拉”的规律。富勒创造了一个新词“tensegrity”(张拉整体)来描述这种平衡,由“tensional”和“integrity”两个词的缩写组合而成。张拉整体结构是一种稳定的自平衡结构体系。

张拉整体结构的最早的记录可追溯到1921年,当时雕刻家K.约翰逊在莫斯科的建筑模型展览会上展出了一个平衡结构,它由三根杆和七根索组成,并由第八根非应力索控制。三杆八索的模型并不具有刚度,任一根索的收缩都会使模型产生机构性位移。这个模型与后来经典的三杆九索自平衡体已经非常接近。

二十世纪50年代,K.斯内尔逊的极具艺术性的雕塑给了人们灵感。之后富勒、P.G.Emmerich、瓦尔耐O.Vilnay、莫特罗R.Motro、汉纳A.Hanaor等基于数学和图形理论研究,创造了多种张拉整体结构体系。

基于短程线穹顶构造的张拉球结构(Icosahedron)  
富勒认为“自然界存在着能以最少材料,提供最大强度的系统,基本单元四角锥体与八面体聚合后便成为最高效的空间结构”。
巧合的是,1985年H.W. Kroto和R.E.Smalley发现了碳元素的第三种晶体形态(前两种是金刚石和石墨)。为了纪念富勒早年的猜想,将其命名为“富勒烯”(Fullerenes)--C60。它的分子结构为球形32面体,碳原子以20个六元环和12个五元环连接而成,具有极强的分子稳定性。
 

2.新德国国会大厦

新德国国会大厦:原为德意志第二帝国的帝国议会,后来在魏玛共和国时期是共和国议会的议会会址。从1994年开始每五年德国联邦大会在这里选举德国联邦总统。从1999年开始是德国联邦议院的会址。总的来说作为议会大厦国会大厦的内部设施优良。其内部建筑技术是当时领先的。大厦有一座自己的电站。它拥有中心暖气设施,房间里有温度调控、电扇、双层窗户、电话、坐式厕所……除德意志帝国议会和联邦议会的会议厅外还有:读书厅、多个会议室、一间休息室、存衣处、洗手间和更衣室。图书馆在开始使用时有九万卷藏书,一共计划可以容纳32万卷书。档案馆里很快就藏有上百万文件。这些文件可以通过一个高级的液压系统送到读书厅。
诺曼.福斯特设计的德国国会大厦改造也选用了肋环形圆顶,如同城市天际线上的一座灯塔,成为柏林的重要城市地标。



改造从原有建筑物获取灵感,一方面,保留旧日石匠的标记和1945年苏联红军留下的标语,作为"自身历史博物馆";另一方面,厚实的外壳之下是轻盈而透明的内部,360度的视角将柏林的美展露无遗,与旧建筑形成强烈的反差。大厦的公共领域一直延伸至屋顶到达露台餐厅和穹形圆顶,螺旋式通道一直引领人们到达圆顶和瞭望平台。圆顶钢网壳结构尽量做到通透,构件以及细部节点的表达上也很精致。虽然结构本身没有很大难度和创新,但是通过对外露钢结构本身精致的表达,最终仍然取得了很好的效果。

 
3.联方形球壳 Lamella Dome
在前文先容的亚马逊 Spheres项目初期,设计方案也曾考虑使用联方形球壳Lamella Dome,但因表现力不及后来的方案而作罢。

 亚马逊 Spheres初期的联方形球壳方案;在已建成的球形建筑中,采用联方形的案例不多。主要原因是联方形网格的尺寸差异比较大,球顶杆件密集地汇交在一起,而球身中部杆件稀疏、杆件长度不一。差异化的网格,使得结构和幕墙都难以采用统一规格的构件,增加了建造成本。


 
4. AMAZON球体 亚马逊 Spheres


AMAZON在西雅图总部花费巨资建造了3个玻璃球,称之为亚马逊 Spheres。球形建筑内部种植着数百种郁郁葱葱的植物,在大都市核心区打造出一个室内版“AMAZON热带雨林”。建筑总长约40米,球体直径约24-29m,像是3个相互干涉的气泡,结构材料为玻璃和钢结构相结合。设计团队采用了独特的网格方式划分球体。
亚马逊 Spheres共有2643块玻璃幕墙,4层超白玻璃既要降低太阳光热辐射,又要保证植物光合作用所必需的光线。




充满未来感、有机感的结构骨架,仍然能隐约看到正五边形和六边形的痕迹钢结构骨架具有流畅的线条,主骨架之间以钢板拉结,以增强结构整体性。亚马逊 Spheres虽然成为西雅图的新晋网红打卡地,但不得不吐槽一下它的幕墙板块设计。从上图可以看到,钢结构网格既有动态曲线的有机感,又不乏设计清晰的逻辑。但是粗暴地覆盖上三角形玻璃幕墙后,建筑效果大打折扣。

网格造型看起来十分复杂,但其生成逻辑源自规则的富勒烯或足球网格。网格生成的过程是,将五边形等分5份分后与旁边的六边形合并成一个基本单元;再将基本单元分以中心点分为5份,将相邻基本单元的边界融合,即得到亚马逊 Spheres的结构网格。



通过以上的几个案例能够表现出,球形建筑是存在着无限设计潜力的一种建筑形态。它不仅美观,而且具体科技感!在力学方面,当球体受到均匀的张力或压力时,只承受轴向拉力或压力。球壳是一种非常高效的结构形式,就像大家很难用手握碎薄薄的鸡蛋壳一样。
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