【解构】从项目出发，谈谈带天窗的大跨屋盖结构设计

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最近有读者在后台留言，说“小i们每周都要写一篇文章，平时做不做设计呀？”正好，最近小i参与设计了一年多的“乌鲁木齐国际机场北航站区航站楼（即T4航站楼）”终于完成施工图，这一期就介绍一下自己参与的项目。再从项目出发，谈谈带天窗的大跨屋盖结构设计。

乌鲁木齐国际机场北航站区航站楼

▲乌机效果图

乌鲁木齐国际机场北航站区航站楼，是华东建筑设计研究总院原创中标的项目，一般同事们都亲切地称为“乌机”。乌机是一带一路重要节点机场，所以这次新建的北航站区规模非常大。一些总体的建筑参数小i就不在此罗列了，大家可以参阅这篇文章

乌鲁木齐国际机场北航站区“丝路天山”创作巡礼。

▲乌机室内效果图

乌机的重要特点在于它的造型和天窗，一条条此起彼伏的光带，就仿若天山上飘下的丝带，给室内空间带来了柔美的体验感。同时，一条条天窗也给结构设计带来了很大的难度。

天窗给结构设计带来的难度

乌机屋盖南北向为连续光滑的自由曲面，东西向呈高低错落的台阶状用以布置天窗，天窗两侧结构最大高差约6m。

钢屋盖被天窗分成五片，其中第二、第四片屋盖下部无结构柱支撑。从直觉上可以感受到，天窗的设置使屋盖结构沿短跨方向的刚度有较大削弱。

▲中部对称轴处屋盖剖面

▲有结构柱处屋盖剖面

因此，乌机的屋盖有两个结构难点：1）竖向力的传递；2）水平力的传递。

竖向力的传递

▲竖向荷载作用下屋盖力流示意图

假设在第二片屋面的中部作用有一个竖向力。首先，它需要沿长方向往两边传递（白色箭头）。而由于第二片屋面下部没有柱子，所以，到了两边力流还需要沿着短跨方向（黄色箭头），传递到相邻屋盖下部的柱顶。

在考虑短跨方向荷载传递时，柱顶区域的屋盖可以简化为一根“连续梁”，弯矩如下图所示。可见天窗正好是设在大致反弯点的位置，理论上这些地方是可以铰接的。所以，我们发现实际上竖向力的传递并没有问题。

▲柱顶区域短跨方向的受力示意图（不设置天窗）

▲柱顶区域短跨方向的受力示意图（设置天窗）

水平力的传递

水平力沿长跨方向传递是没有问题的。而当水平力沿短跨方向作用时，屋盖传力路径如下图所示。

▲水平荷载沿短跨方向作用时屋盖力流示意图

水平力的传递与竖向力类似，都是先沿长方向往两边传递（白色箭头），随后沿着短跨传递到相邻屋盖下部的结构柱顶（黄色箭头）。

结构柱所在位置，天窗高度已经很小，但还未完全闭合，水平力传递不够直接。在抗震评审专家的建议下，我们优化加强了该处的构造节点，使相邻屋盖之间的水平力可以由杆件轴力直接传递，如下图所示。

▲结构柱位置处屋盖剖面

在非柱顶区域的天窗位置，水平力则由天窗竖杆的剪力传递。因此，在非柱顶区域水平刚度比较小，水平力大多不从该处传递。

▲中部对称轴处屋盖剖面

如此，虽然天窗起伏比较大，但是闭合区域还是比较大的，通过加强闭合区域的构造措施，仍可以保证屋面的水平力和竖向力传递，结构体系也就能够成立。

从天窗说开去

说完乌机，小i还想说说其他带天窗的大跨屋面结构的设计。

一般民用住宅大多是多层建筑，层高比较低，进深也不大，所以主要开侧窗。工业厂房由于单层空间很大，为了满足天然采光和自然通风的要求，工业厂房在屋顶经常设置天窗。

▲水平长窗

▲西安大华纱厂改造项目

（保留了天窗，自然采光充足，工业特征明显。）

现代机场、运动场等大跨度建筑，出于采光的要求，经常在屋面上开设天窗。同时出于消防要求，天窗往往兼做排烟窗。一条条光带使建筑空间更有活力，同时也给结构设计带来了挑战。

▲都灵展厅（Pier Luigi Nervi）

小i总结了一下，天窗的设置主要分为两种：一种是水平天窗、一种是侧面天窗。

这两种设置对结构的影响是不一样的，为了保证天窗的透光性，天窗区域需要尽可能通透，也就是结构构件做到最少。

对于水平天窗，虽然天窗区域比较薄弱，但是天窗与整个结构仍处于同一平面内，水平力的传递可以得到保证；而侧面天窗则不同，天窗两边的屋面标高存在突变，屋面的结构构件不再处于同一平面内，水平力在天窗处会被阻断。因此，结构如何与天窗和谐共处，就成了屋面结构设计的关键因素。

水平天窗

上海浦东国际机场T2航站楼

上海浦东国际机场T2航站楼采用Y形斜柱支承的张弦梁屋盖结构，创造出轻盈、活泼的超大空间，令人印象深刻。

位于Y形柱之间的梭形天窗，像天空的眼睛，照亮着航站楼内的超大空间。勾勒出天窗形状的周边杆件为张弦结构的上弦，是传递竖向荷载的主要结构构件。

由于平时有遮阳板，天窗内部的结构无法看清。实际上，天窗窗内部的杆件是连续的，传递着水平作用。

南京禄口机场T2航站楼

禄口机场T2航站楼主楼屋面被细分为9个单元，每个单元都在平缓的屋顶曲面上形成高度逐渐变化的波峰。渐变的波峰之间设置了8个修长的水滴形天窗，天窗隐蔽在波峰之间，避免了对屋顶整体形态的割裂。

屋盖上表面起伏较大，下表面相对缓和，这种上下表面的曲率差异形成了可用作结构厚度的空间，因此非天窗区域采用双层桁架结构。

而在天窗区域，为了使天窗透光性尽可能好，同时提高室内净高，该区域设计成单层结构。

又考虑到天窗基本上将柱间的屋面割裂。所以，为确保屋盖的平面内刚度，天窗区域选择了三角形网格。

天窗将自然光引入室内，给人以放松舒适的感觉。

温州永强机场T2航站楼

航站楼屋盖整体没有太大起伏，其最大的特色是中轴线的天窗。天窗与主楼空侧立面幕墙连成一体、一直至延伸到两翼候机廊的空侧立面，建筑造型上要求尽量减小结构构件厚度、以得到较好的通透效果。

结构设计采用多个“十字形张弦梁”沿进深方向连续复合而成，顺着天窗进深方向的布置延伸到空侧，沿开间方向则与两侧网架的悬挑端相连接。

中轴线天窗的平面呈交叉网格形态，具有很好的平面内刚度，可有效地将其两侧的网架连成一体，提高屋盖整体性。

萧山机场T4航站楼

萧山机场的T4航站楼目前还在设计阶段，在起伏的屋面上规律地布置了阵列的菱形天窗。

小i一开始以为，柱子是布置在天窗范围以外的区域。后来同事跟我说，天窗正好开在柱顶区域。异形的结构柱就像一片片荷叶一样，轻盈地托起了整个屋盖。

阳光从荷叶的天窗镂空处洒进航站楼，相信建成后会是一个惊艳的作品。

结构柱采用下小上大的变截面直柱与分叉柱结合的形式。直柱部分柱底截面最小，与混凝土结构采用铰接连接，随着高度的增大截面逐渐变大，分叉点处截面最大；直柱在分叉点以上分为10根分叉柱，分叉柱通过封边桁架与屋盖的主体网架下弦连接。

侧面天窗

港口仓库“Port Warehouse”

结构大师迪埃斯特（Eladio Dieste）在上世纪七八十年代，利用高斯拱设计了体育馆、仓库等大跨结构。

高斯拱“Gaussian vault”

唐.博斯克学校体育馆

“Don Bosco SchoolGymnasium”1983年

每组壳体单元首尾相连，相邻“S”形的高低端之间，形成建筑横向狭长的月牙状空隙，也是理想的自然采光面，所以迪埃斯特利用这个狭长的月牙形布置通长的玻璃天窗。使整个屋面显得通透、轻薄，自然光洒在砌体上漫反射形成自然而原始的光晕，对屋面起到了画龙点睛的效果。

港口仓库“Port Warehouse”1979年

因为侧向天窗的存在，屋面结构不再连续。每一个壳体都各自为政，水平力的传递需在单个壳体内部传递至两边的柱顶。

希斯罗机场T2航站楼

希斯罗机场T2航站楼由一组组波浪形的屋面排列而成。在波峰处，天窗比较高；在波谷处，天窗比较低。

柱子排列在天窗下部，这样每一片屋面两端均有柱子支撑。抗侧力构件是布置在波谷，从图中可以看出，在天窗较大的区域，柱顶是铰接的；在天窗比较小的区域，布置了若干对比较靠近的结构柱，且柱间打了斜撑。

类似的设计还有SAKTHI SP21 SA厂房

SP21是位于葡萄牙阿格达的现代工业厂房，整个结构由多片拱架一字排开。每个天窗的中部都有一个Y形柱支撑，在相邻拱架相交的位置，则设置了用于抗侧的结构柱。

侧向天窗对于结构来说，往往是破坏屋面整体性的设计。但也无需过于紧张，天窗总有闭合的区域，结构工程师要做的就是在闭合的区域把屋面整性做强，在这些区域设置结构柱，传递水平和竖向力。

小结

路易斯康说“设计空间即为设计光亮”，光线的设计在建筑设计中是一个永恒的主题。无论是出于功能性的考虑，还是出于场所感仪式感的塑造，天窗的设置对于建筑来说往往起着画龙点睛的作用。对于结构工程师来说，如果能够将自己的结构与天窗完美地结合在一起，设计出与光带共舞的结构，那应该是非常值得自豪的作品。

本文中乌鲁木齐国际机场北区航站楼、南京禄口机场T2航站楼、浦东机场T2航站楼、温州永强机场T2航站楼、杭州萧山机场T4航站楼均为华东建筑设计研究总院设计，图片资料均已获得授权，版权属于华东建筑设计研究总院。

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参考资料：

1）华东建筑设计研究总院设计资料

2) www.archdaily.com