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天幕Canopy，更加通俗的名字是采光頂篷或采光天窗。天幕為公共空間遮風(fēng)擋雨的同時(shí)，又能保證明亮的采光，在街區(qū)覆蓋、歷史建筑改造、商場(chǎng)中庭等公共大空間中應(yīng)用的案例越來(lái)越多。

Great Court at the British Museum

天幕結(jié)構(gòu)可以從建筑形態(tài)、網(wǎng)格形狀、結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)材料、是否封閉等多個(gè)維度進(jìn)行分類，本文選擇從建筑曲面形態(tài)和結(jié)構(gòu)形式方向展開介紹。

平面：梁的跨越

對(duì)于跨度比較小的天幕，采用單向梁或交叉梁即可實(shí)現(xiàn)。這一類天幕的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新主要體現(xiàn)的網(wǎng)格布置、截面形式和節(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)方面。例如，網(wǎng)格布置可以是三角形、四邊形、聯(lián)方形、六邊形等等。

普通單梁結(jié)構(gòu)

單向空腹桁架結(jié)構(gòu)

空腹桁架結(jié)構(gòu)

Chadstone Shopping Centre, Atelier One

VICTORIA GATE ARCADES LEEDS, ACME

聯(lián)方形網(wǎng)格天幕

平面/曲面 + 樹形柱

對(duì)于跨度稍大的天幕，如果單純采用梁跨越，構(gòu)件截面會(huì)比較大?？梢栽O(shè)置樹形柱支承，以減小天幕結(jié)構(gòu)的跨度。這種情況下，樹形柱的拓?fù)?、天幕網(wǎng)格以及節(jié)點(diǎn)細(xì)部設(shè)計(jì)是影響建筑結(jié)構(gòu)效果的重點(diǎn)。

Strawinskylaan 自行車停車場(chǎng),荷蘭,wUrck

六邊形網(wǎng)格 + 分叉柱

三角形網(wǎng)格 +樹柱

天幕結(jié)構(gòu)與樹柱的一體化

Parque Toreo

設(shè)計(jì)Sordo Madaleno Arquitectos

Parque Toreo

結(jié)構(gòu)梁被包裝為三角形，網(wǎng)格線角硬朗

Goede Doelen Loterijen Head Offices

設(shè)計(jì)Benthem Crouwel Architects

天幕下方的遮陽(yáng)片制造出有趣的光影效果

有的天幕雖然設(shè)計(jì)為曲面，但其曲面形狀的力學(xué)性能差，結(jié)構(gòu)受力仍然以抗彎為主。這類曲面天幕結(jié)構(gòu)與樹形柱相結(jié)合，才能以較細(xì)小的結(jié)構(gòu)構(gòu)件完成。

Westfield London Shopping Centre

Benoy & Westfield Design Architects

New Milan Trade Fair,Archivio Fuksas

“Unione Militare” Building

規(guī)則曲面網(wǎng)殼

規(guī)則曲面的天幕一般采用鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼形式，利用網(wǎng)殼曲面的形抗原理，結(jié)構(gòu)以軸向受力為主、效率高，以較小的截面尺寸即可實(shí)現(xiàn)很大跨度。這一類網(wǎng)殼曲面多為圓柱面、球面。

千變?nèi)f化的球面網(wǎng)殼天窗

英國(guó)博物館中庭

Great Court at the British Museum(2000)

Great Court at the British Museum，2000

英國(guó)博物館為了解決內(nèi)部缺乏空間、缺乏通道、中心圖書館利用率低的問(wèn)題，啟動(dòng)了大庭院加建天幕的改造項(xiàng)目，由福斯特事務(wù)所負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)構(gòu)想是新與舊共生。

加建天幕前后的建筑鳥瞰對(duì)比

設(shè)計(jì)中保留了原有古典式建筑主體，在中間庭院加建6000平方米的玻璃天幕。由此，大庭院再次成為了整個(gè)博物館的核心，并且可以在博物館的正常開放時(shí)間以外開放，提供了一個(gè)新的公共空間。

這個(gè)經(jīng)典的改造項(xiàng)目把輕與重巧妙組合。鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼內(nèi)側(cè)支承于圓形閱覽室，外側(cè)支承于方形博物館建筑的內(nèi)墻，通過(guò)找形分析得到一個(gè)拱起的規(guī)則形態(tài)。

英國(guó)博物館中庭：天幕曲面

中庭平面

中庭剖面

沿中心圓徑向布置主受力網(wǎng)格，再輔助另兩個(gè)方向的圓弧線條劃分出1656個(gè)三角形平面玻璃板。

原有博物館建筑為天幕提供了一個(gè)堅(jiān)固的邊界條件，使得網(wǎng)殼可以充分發(fā)揮形體的作用。構(gòu)件以軸力為主、截面纖細(xì)，極大地突出了整體通透明亮的建筑效果。

沒有改建，老館暮氣沉沉；離開老館，新建部分無(wú)法達(dá)到現(xiàn)有境界。設(shè)計(jì)師充分挖掘了原有建筑的潛力，使新老建筑一起煥發(fā)出活力。

自由曲面

隨著建筑構(gòu)型手段和建造技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了越來(lái)越多的自由曲面天幕。這一類曲面沒有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)邏輯，如何以輕巧的結(jié)構(gòu)形式構(gòu)建是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最大的難點(diǎn)。

CARIOCA WAVE, 設(shè)計(jì)Knippers Helbig 

以規(guī)則的三角形劃分自由曲面，網(wǎng)格往往顯得不太規(guī)則、構(gòu)件布置略顯凌亂，但是可以保證幕墻玻璃為平板、減小了幕墻工藝的難度和玻璃造價(jià)。

CARIOCA WAVE,設(shè)計(jì)Knippers Helbig

CUTTY SARK CONSERVATION PROJECT

設(shè)計(jì)Grimshaw Architects

自由曲面天幕采用四邊形網(wǎng)格的建筑效果往往更加簡(jiǎn)潔，但由此也會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)難題——玻璃翹曲。

The National Portrait Gallery of the USA

自由曲面形態(tài)使得結(jié)構(gòu)表現(xiàn)得富于變化

柱間布置拉索以平衡網(wǎng)殼的推力

對(duì)于自由曲面天幕，四邊形網(wǎng)格的翹曲可能比較大，全部采用異形曲面玻璃往往是不現(xiàn)實(shí)的。因此，四邊形網(wǎng)格平面化、減小玻璃尺寸的規(guī)格種類、網(wǎng)格與建筑外觀的協(xié)調(diào)是幕墻設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

蘇州中心天幕結(jié)構(gòu)

樹形柱支承+自由曲面+四邊形網(wǎng)格+拉索平衡

隱約可見的拉索，平衡殼體的水平推力

蘇州中心天幕：箱形構(gòu)件與圓筒焊接節(jié)點(diǎn)

MyZeil Shopping Mall

對(duì)于自由曲面天幕，結(jié)構(gòu)找形分析是實(shí)現(xiàn)形抗作用和建筑效果的關(guān)鍵。此外，對(duì)網(wǎng)格均勻性、玻璃板翹曲、構(gòu)件節(jié)點(diǎn)方位做優(yōu)化分析也是必要的。任何方面的差之毫厘，都可能導(dǎo)致項(xiàng)目完成度的損傷。

Chadstone Shopping Centre，Atelier One

經(jīng)過(guò)曲面找形的天幕曲面

Chadstone Shopping Centre

“喇叭形”曲面

以上各種天幕結(jié)構(gòu)均是支承在周邊建筑或樹形上的。除此以外，還有一種以天幕網(wǎng)格獨(dú)立或相對(duì)獨(dú)立支承的結(jié)構(gòu)，其建筑形態(tài)往往呈現(xiàn)“喇叭形”。

上海世博軸陽(yáng)光谷，華東建筑設(shè)計(jì)研究總院

上海愛琴海購(gòu)物公園，安藤忠雄，LDI：華東建筑設(shè)計(jì)研究總院

中庭為喇叭形的獨(dú)立支承網(wǎng)格

裙房之間的天幕為樹形柱支承

LuOne 凱德晶萃廣場(chǎng)天幕

LuOne之名來(lái)自“盧灣”的諧音，致敬昔日老上海的經(jīng)典格調(diào)。建筑中最矚目的是三條長(zhǎng)廊環(huán)繞的中庭花園，由46米直徑的圓形玻璃穹頂覆蓋。

LuOne凱德晶萃廣場(chǎng)天幕

建筑：Safdie Architects；結(jié)構(gòu)：Arup

穹頂及天幕示意圖 © Arup

傘狀穹頂結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了網(wǎng)殼的形抗優(yōu)勢(shì)，最小桿件截面僅100x100mm，營(yíng)造出建筑師非常期待的精致輕盈效果。

天幕節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)© Arup

巨大透明天幕能增強(qiáng)自然采光和視覺通透性，然而另一方面，也帶來(lái)眩光和太陽(yáng)熱輻射增加等潛在問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)師采用低輻射鍍膜玻璃、通風(fēng)裝置和氣簾、雨水收集系統(tǒng)等兼顧了訪客的最佳舒適度和綠色生態(tài)品質(zhì)。

© Safdie Architects / Arup

根據(jù)消防規(guī)范，中庭鋼結(jié)構(gòu)要涂防火涂層以提供1.5~3小時(shí)的耐火保護(hù)。通過(guò)性能化分析，設(shè)計(jì)師提出創(chuàng)新的水簾保護(hù)系統(tǒng)作為鋼材防火替代方案。水簾經(jīng)由氣化，可以吸收火與煙霧大部分熱量，使鋼材表面溫度顯著降低。

鋼結(jié)構(gòu)消防水簾保護(hù)系統(tǒng) © Arup