顾盼结构--顾磊的另类游记（六），采光顶浅谈

我对采光顶的痴迷

始于1999年博士论文研究期间

我在做完单层网壳研究之后

为了增加论文的创新性

我决定增加一章预应力技术研究

除了常见的在网壳支座之间加拉索的形式

我查阅到了

德国汉堡历史博物馆庭院加建的天顶照片

（翻拍自施莱希《轻?远》）

一下子就被这种辐射状拉索体系所吸引

这是一种最直接的受力方式

（翻拍自我的博士学位论文）

水平面下方的两根拉索一端固定在下部支座

另一端在中心节点拉住水平面以上辐射出的拉索群

整个拉索系统

通过张拉水平面下方的两根索而张紧

不仅作为加劲肋增加了单层网壳的稳定性

而且可以直接平衡向上的风吸力

因此玻璃顶的单层网壳杆件截面可以十分纤细

细心的朋友仔细观察

四边形玻璃框对角线上拉的细钢索依稀可见

这是结构大师施莱希的著名作品

遗憾的是我2017年去汉堡登门膜拜

却遇上中庭采光顶维修

只能透过半透明的围挡

隐约拍到犹抱琵琶半遮面的效果

类似的设计思路在广州南站站房采光顶上有所应用

广州南站

采用了更轻的ETFE气枕和PTFE膜代替玻璃

但杆件和节点细节设计不够精致

幕墙体系的连接结构未与网壳钢结构一体化设计

广州南站的效果

似乎缺少了施莱希作品的那种优雅和神韵

采光顶是一个建筑绝对的高光焦点

人们步入大英博物馆明亮的中庭

都会忍不住仰头欣赏

自由曲面的玻璃采光顶结构逻辑几乎都是一样的

——三角形网格的单层网壳结构

或对角线拉索的四边形网格

其实质也是三角形

三角形是一个平面

而空间四边形四角点往往不共面

于是三角形的玻璃可以是平面的

任何复杂的曲面都可以离散成三角形的网格单元

同时三角形网格在结构上又是稳定的

而四边形平面内的刚度极差易变形

采用三角形网格可以获得较纤细的杆件截面

（深圳KKmall中庭）

对于跨度较小的规则球面或柱面采光顶

采用四边形网格会显得简洁清爽

像深圳华侨城的威尼斯人酒店的这个半球采光顶

玻璃未另外附加铝边框

而是直接附着在肋环形网壳的方钢管杆件上

显得非常简洁

迪拜Mall的采光长廊也是四边形网格

米兰会展中心这个落地采光棚

则是形状和受力复杂的地方采用三角形网格

而屋面边缘受力小且以受弯为主的区域

则采用了四边形网格

从而兼顾了受力和简洁双重需求

钢结构博物馆的入口采光穹顶

是非常漂亮的联方型网格

玻璃幕墙龙骨的网格比主体钢网壳的网格加密一倍

即兼顾了玻璃片的大小又避免了钢结构网格过密

球壳玻璃的清洗使用吊车吊运工人完成

而阿布扎比清真寺的游客入口大厅穹顶

则将联方型网壳的结构外露于室外

别有一番韵味

采光顶结构设计在保证安全的前提下

追求轻巧、简洁和图案美观

因此节点刚接的单层网壳备受青睐

相贯节点、焊接球节点以及铸钢节点

都能达到刚接的要求

但是位于深圳华强北的一座老牌五星级酒店

圣庭苑酒店中庭

却是一座采用螺栓球节点

杆件较为纤细的单层网壳

二十多年台风和暴雨的考验证明

并非螺栓球节点绝对不能用于单层网壳

圣庭苑酒店中庭

网壳矢跨比（球冠高度与跨度之比）适中

周边支座支承条件均匀可靠

网格划分也稠密均匀

中心两环为凯威特K6-2型（径向6瓣、环向2环）

接着5环为三角形网格向外扩散过度

每环杆件数量随周长增加而增加

最外3环则杆件数不变采用联方型网格

这样避免了

单一联方型网格尺寸中小外大的不均匀问题

且划分较密

杆件计算长度不大

同时采光顶屋面未采用玻璃

而是阳光板（PC板）覆盖

非常轻

因而螺栓球节点半刚性连接的单层球面网壳

获得了足够的安全性

二十年前的设计已然如此精细考究

我尚未考证设计人是谁

巴黎卢浮宫入口的玻璃金字塔

不仅是建筑师贝聿铭的杰作

其结构也是高技派设计手法

圆钢管上弦被一根撑杆支在下弦索和斜索上

虽然结构厚度并不小

但钢管和索都十分纤细

因此获得了轻盈通透的效果

2003年12月份的一天

我在悉尼街头溜达

远远看到一片玻璃如浮云一般飘在空中

走近一看原来是连接几栋高楼之间的采光顶

点驳玻璃只是吊在头顶

走远才看出真正的受力结构

是张拉于周围建筑上的马鞍形单层索网

而临街的边缘则是由建筑挑出的两个三角架撑住

结构构思十分巧妙

虽然错过了欣赏

施莱希大师的汉堡历史博物馆玻璃中庭

但沿着易北河一路向南

在美丽的德累斯顿古城

我偶遇了一座加建在古建筑中庭

同样轻巧通透的采光顶

这个顶清澈得似乎伸手就可以触摸到天上的云

我在里面还躲了一阵雨

雨过天晴

一碧如洗的蓝天和斜射的光影

凸显结构的纤细和优雅

也辨别出四边形一条对角线上拉了细索

甚至在光线直射之处

我还看清了方钢管的节点采用了十字板焊接

细看那顶上泛的弧状光斑

告示着我覆盖材料不是平面玻璃

而是我颇为熟悉的ETFE气枕

这是我参与设计的水立方一样的围护结构，非常轻

（摄于水立方工地）

2003年水立方的设计

因其墙面和屋面

采用国内尚无成熟应用经验的ETFE气枕

而备受质疑

一个很大的呼声就是为什么不用玻璃

记得在一次

就“ 鸟巢 ”“ 水立方 ”和五棵松体育馆等项目

向时任北京市委书记刘淇作汇报时

书记向我提了这个问题

我毫不含糊地回答

“ETFE气枕的重量与玻璃相比几乎可以忽略不计

对于一百多米跨度的建筑

如果上面背上重重的玻璃

那么承重的钢结构将需要更大的用钢量

采用轻质的ETFE气枕是最合理的选择”

除了采光顶的覆盖材料不局限于玻璃

主体结构也不局限于钢材

上海辰山植物园玻璃房的结构材料是铝合金

这样主体结构和幕墙龙骨合二为一非常简洁

当游客们痴迷于让·努维尔精心营造的

阿布扎比卢浮宫穹顶的“光之雨”效果时

我作为结构师的强迫症抑制不住地发作了

我透过它重重叠叠的多层装饰板的间隙

拍到了实际支撑起这个大跨穹顶

双层网壳的方钢管杆件和螺栓连接节点

采光顶的美首先在于设计精巧和简洁

自由灵动的曲面也会增加建筑的体验感

如果在您沉浸于精致和灵动的同时

又叠加上跨度和面积的博大

那会是一种什么样的震撼和感动呢？

澳门路氹美狮美高梅视博广场玻璃天幕

面积达8100平米

足以覆盖一个足球场

这是一个三角形网格的自由曲面单层网壳

是采光顶结构的经典选型

（摄影：刘耀鹏）

但是它有着独特的设计

杆件是H型钢

而不是常用的方钢管或圆钢管

H型钢截面更显通透

梁侧有利于安置消防照明等设备管线

受力变化处的H型钢杆件采用了变截面

从而保证了结构下翼缘轮廓线的光滑

六杆相交的节点

采用了形状最为契合的开敞六棱柱节点

中建科工（中建钢构）

通过香港的中国建筑国际集团

获得了天幕（钢结构和玻璃幕墙）的设计施工合同

所以我给出了施工过程中的照片

我们联合了香港理工大学、深圳大学设计院

共同完成钢结构设计

天幕三峰两谷的自由曲面

是通过对水平的三角形网格

施加向上的压力找形得到的

设置几道大直径（大刚度）的杆单元

受力后变形小

而形成山谷

在山谷之间则设置较小直径的杆单元

受力后变形大

而形成山峰

采用大位移“动力松弛法”来计算成形

由此受力分析产生的位移形状被冻结后

用于定义网壳结构的初始中心线几何图形

方案中我们还对比了采用圆钢管焊接球节点网壳

与变截面H型钢梁的建筑效果

天幕的基本数据如下

这些精致的设计都要求

杆件和节点的BIM详图放样

必须与结构有限元建模计算同步交互进行

天幕设计要求

同时满足了欧洲、港澳地区和中国大陆规范

中建钢构和深大院的张剑、刘畅和我的学生刘强

完成了网壳建模、非线性分析和杆件截面设计

模型传递给

香港理工大学陈绍礼教授和刘耀鹏博士团队

用NIDA完成直接分析法设计、绘制施工图

及配合施工阶段模拟分析

为了验证H型钢网壳杆件弱轴方向缺陷

对整体稳定性的影响

我在哈工大（深圳）带着研究生做了极限破坏试验

对比了圆钢管网壳与H型钢网壳的极限承载力

空中俯视天幕仿佛玻璃海浪在翻腾

（图片源于网络）

走进澳门美高梅视博广场

这广阔的天幕是否震撼到您？

（摄影：刘耀鹏）

同时您是否又为它的设计精巧细致而着迷?

（摄影：刘耀鹏）

由于疫情的原因

美高梅开幕后我至今未能亲临

以上完工后照片由刘耀鹏博士授权使用

业主在2019年申报了吉尼斯世界纪录

获评

全球最大自由跨度的网格壳体玻璃顶

（无柱自承重）

The largest free-span gridshell glazed roof

 (self-supporting)

这是澳门地区

首个建筑及结构范畴的吉尼斯世界纪录荣誉

绝对没有料到

我在不知不觉中设计了一座世界之最

期待着走进它！