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结构穹顶发展历史及经典案例赏析

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穹顶,常被代指为宽阔厅堂上空所修筑的半球形或多边的曲面形状的顶盖。在历史上,第一座著名的穹顶结构即是古罗马的万神庙,当时的古罗马人应用混凝土拱券技术构造出了直径四十余米的穹顶,突破了当时的建筑概念,使穹顶技术开始替换原来的平屋顶,成为西方教堂、宫殿建筑的主角。但由于当时的技术水平问题,万神庙的穹顶很是沉重,要通过整体连续的承重墙来负荷,可以说还是不成熟的雏形的穹顶技术。直到6世纪中叶的圣索菲亚大教堂的中央穹顶运用帆拱的新技术,才让穹顶建筑开始摆脱承重墙,开始形成延展复合的空间,实线了实际作用和宗教美感的统一。在此之后,古代砖石穹顶技术在奥斯曼帝国时期达到鼎盛,但限于材料的局限性,穹顶规模也陷入了瓶颈,可以说要建造更高更大的穹顶不再是砖石材料所能满足的了。
















穹顶,常被代指为宽阔厅堂上空所修筑的半球形或多边的曲面形状的顶盖。在历史上,第一座著名的穹顶结构即是古罗马的万神庙,当时的古罗马人应用混凝土拱券技术构造出了直径四十余米的穹顶,突破了当时的建筑概念,使穹顶技术开始替换原来的平屋顶,成为西方教堂、宫殿建筑的主角。但由于当时的技术水平问题,万神庙的穹顶很是沉重,要通过整体连续的承重墙来负荷,可以说还是不成熟的雏形的穹顶技术。直到6世纪中叶的圣索菲亚大教堂的中央穹顶运用帆拱的新技术,才让穹顶建筑开始摆脱承重墙,开始形成延展复合的空间,实线了实际作用和宗教美感的统一。在此之后,古代砖石穹顶技术在奥斯曼帝国时期达到鼎盛,但限于材料的局限性,穹顶规模也陷入了瓶颈,可以说要建造更高更大的穹顶不再是砖石材料所能满足的了。








万神庙外观结构图






到了现代,随着科学技术的不断发展和人民物质要求的不断提高,在计算机技术的辅助之下,越来越多复杂结构的设计分析也成为了现实,穹顶技术的更新也是日新月异。





从二十世纪五十年代开始,薄膜穹顶开始在工程中得到应用,并引起了广泛的关注。七十年代,尤其是八十年代以来,在美国、日本和欧洲国家得到了大量的应用。薄膜穹顶主要有三种形式:(1)骨架式薄膜穹顶;(2)充气式薄膜穹顶;;(3)张拉薄膜式穹顶。由于充气式薄膜穹顶存在一些缺陷(如为防止因空气压力不足而损坏结构,时刻需要有充气设备来根据室内压力及外荷载的变化不断补充空气,维持所需的压力;存在人感觉上舒适感的问题;恶劣天气维护比较困难等),所以逐渐被淘汰,而只用于一些比较特殊的建筑中。





自80年代以来,又发展起来一种新的穹顶形式:张拉式穹顶。其比较有代表性的一种形式 是索穹顶结构。美国工程师Geiger对这种结构进行了改进,使其由连续的拉索和不连续的受压立柱构成。他发现这类结构随着跨度的增加,重量并不明显增加,是一种效率极高的张力体系,合乎自然界的连续拉和间断压之客观规律。整个结构中除极少数几根压杆外,都处于拉力状态。同时,正是由于张拉式穹顶结构的出现,它和薄膜组合使用,展示了更高的结构效率,使得这种结构形式称为张拉薄膜式穹顶结构的主要形式之一。



穹顶的新结构如网壳穹顶、张拉式穹顶、悬挂式穹顶和气承式穹顶等开始在现实建筑中得到应用,各种新材料如轻质板材、膜材和玻璃等使得穹顶在体现结构美感的同时,能够建造出更加富有特色的多样化的造型。








No.1








































格林威治千年穹顶



































千年穹顶位于伦敦东部泰晤士河畔的格林威治半岛上,是英国政府为迎接21世纪而兴建的标志性建筑。建成的穹顶周长为1km,直径365 m,中心高度为50m,它由超过70km的钢索悬吊在12根100m高的钢桅杆上,并使用了很多的天棚帘。屋顶由带PTEE涂层的玻纤材料制成。这种独特的膜结构建筑,在穹顶的中心形成一个灵活的、极富戏剧性空间效果的中心舞台。




















No.2








































美国国会大厦穹顶



































美国国会大厦穹顶是美国最著名的标志性建筑之一。它直径96英尺,高度288英尺。它实际上由两个圆顶组成,现在的穹顶覆盖原来的圆顶。现在的铁穹顶是由美国建筑师托马斯·乌斯蒂克·沃尔特在1855年至1866年间设计的。1851年,由于美国国会人口的增加,建筑师托马斯·U·沃尔特提出了扩建国会大厦和圆顶的计划。最初的木制圆顶是在1856年拆除的。现在的国会圆顶建筑始于1857年。














No.3








































日本出云体育馆穹顶



































出云穹顶规划设计时的基本理念,是以当代的大型空间结构来弘扬传统文化中的木造建筑。球形的穹顶,呈放射状布置的木骨架(层板胶合木),精致的折面以白色半透明的膜材覆盖,其设计意象来源于古代传统的折伞。出云穹顶,球形穹顶直径143.8米,拱顶部高度48.9m米。它最大的结构特点是综合性。材料上有钢、木、薄膜;结构形式上有拱、桁架、索膜,并充分发挥了每个部份的优势。




















No.4








































英国伊甸园植物园穹顶



































有着独特外观的伊甸园项目位于康沃尔,它包含一个序列的八个相互联系的穹顶。巨大、轻质、跨度清晰的结构位于之前的采石场内,部分灵感来源于Buckminster Fuller的网格穹顶设计。生物群落的覆盖层是三层枕头状的ETFE薄膜,它有着最大的表面积和最小的周长。在空间结构上,每个穹顶附着在两层六边形-三角形-六边形的空间框架上,框架的效率取决于几何形状的组成部分:钢管和接头是轻质的,比较小且容易运输,像泡泡一样的表皮自然地适应不平坦的地形。














No.5








































德国国会大厦



































两德统一后,为了再度承担国会大厦的作用,国会大厦经历了又一轮重修,增加了一个特别的玻璃穹顶,穹顶之轻盈与整栋建筑之厚重形成鲜明的对照。穹顶由12根圆柱支撑,通过一个铺满玻璃镜的倒置圆锥体将日光照射到议院的整个大厅。其内为两座交错走向的螺旋式通道,裸露的全钢结构支撑,参观者可以通过它到达50米高的瞭望平台,眺望柏林的景色。




















No.6








































蒙特利尔生物圈



































理查德·巴克敏斯特·富勒在1967年蒙特利尔世博会上把美国馆变成富勒球,使得轻质圆形穹顶今天风靡世界。美国馆的圆球直接76米,三角形金属网状结构合理地组合成一个球体。网桥结构系以杆件为基础,按一定规律组成网格,按壳体结构布置的空间构架,兼具杆系和壳体的性质。传力特点主要通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力。










































结语


































随着新的结构理念和材料的发展,穹顶结构也会逐渐突破传统结构观念的束缚,会变得越来越贴近人与自然,使人们的生活更加和谐。






参考文献


[1]  崔晓强、郭彦林、朱忠义,穹顶结构体系


[2]  聂凤兰,英国新千年穹顶的设计与施工


[3]  汪霞,千年穹顶——穹顶的过去·现在·未来


[4]  周有芒,日本穹顶体育馆实例调查


[5]  网络图片








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  • 灬言若灬
    灬言若灬 2020年12月04日 21:23:14 2楼

    建筑的革新就是一个时代的象征,作者带我们走过了一个又一个建筑发展时期,赞!!!

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  • fencerko
    fencerko 2020年12月05日 22:36:11 3楼

    建筑的革新就是一个时代的象征,作者带我们走过了一个又一个建筑发展时期,赞!!!

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  • 富强168
    富强168 2020年12月08日 11:44:01 4楼

    感谢楼主的无私奉献!这么好的资料,哪里都看不到啊,只有土木在线!

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  • feixia74
    feixia74 2020年12月10日 11:02:46 5楼

    不错啊,感觉很高大上,学习了,受益匪浅

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  • lw010
    lw010 2020年12月18日 10:20:57 6楼

    感谢楼主的无私奉献!这么好的资料,哪里都看不到啊,只有土木在线!

    感觉很高大上,学习了。

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