穹顶结构介绍(穹顶结构有什么作用)

这是位于机场交通中心中庭的圆形天窗，直径30米。如果允许我设计任何我想要的东西，我该如何填满这个圆圈？

交通中心圆形天窗

01石穹顶

他的思绪被拉回到1800年前的万神殿。万神殿建于公元126年，最初是用来敬拜罗马诸神的。自7世纪起，它成为罗马天主教堂。万神殿的中心是空心的，被称为众神之眼。其规模自建成以来两千多年来一直为世界同类建筑之最。

万神殿

万神殿穹顶的直径为43.3米，最高点也为43.3米，中央照明孔的直径为8.9米。穹顶由古老的混凝土制成，其材料性能与石材相似，抗压能力最好。穹顶结构主要承受压力，因此建筑材料和结构体系完美匹配。

万神殿圆顶

圣索菲亚大教堂建于1500年前，也因其巨大的圆顶而闻名于世。穹顶的直径为31.24米。这座著名的圆顶也命运多舛。自建成以来，由于穹顶本身巨大的侧向推力，它已经倒塌了3次。工程师们还尝试通过增加墙体厚度、增加飞扶壁、增加穹顶高度等方式对其进行加固，但仍然没有结束其不断倒塌的命运。

圣索菲亚大教堂

直到工程师充分了解穹顶所承受的压力后，他们才在底部添加了一圈铁链，倒塌与重建的循环才结束。铁链在穹顶底部形成张力闭环，抵消穹顶巨大的推力，大大减少扶壁的侧向力。尽管后来一些影响建筑外观的扶壁被拆除，但在经历了几次大地震后，穹顶至今仍然屹立不倒。

圣索菲亚大教堂圆顶

如果我们用一个圆顶填充这个圆圈，我们还可以在圆顶上做各种装饰，让它看起来更加华丽。国内外有很多例子可供我们参考。

装饰圆顶

更多装饰圆顶

圆顶因其独特的建筑特色而普遍用于教堂。

02木圆顶

通过对连续的圆顶面进行网格划分，我们还可以用木头填充圆圈。与石材相比，木材具有更好的拉伸和弯曲性能，而且材料本身看起来不那么冰冷，给人一种亲切和温暖的感觉。

施韦德勒式木圆顶

肋木圆顶

木材是好的，现在也越来越受到大众的欢迎，但是用在天窗上的例子却很少。

03混凝土

收回您的想象力并选择现代材料。如果主体结构全部是混凝土，那么设计一个混凝土圆顶怎么样？首先映入我脑海的是奈尔维的波尔图宫（PalazzodellePorto）。

罗马小体育宫的圆顶

罗马的PalazzettoDelloSport外观轻盈，辐射状的Y形斜柱支撑着薄薄的混凝土外壳，薄薄的外壳周围有起伏的褶皱。它呈现的形状符合悬挂在曲面上时的应力形式。我猜奈尔维一定是用了实验性的反挂法。在计算机技术应用于结构工程设计之前，实验反演是建筑师常用的形式创建方法，尤其是在薄壳结构中。

罗马小宫的一部分

罗马的PalazzettoDelloSport不仅是由奈尔维设计的，而且也是由他的建筑公司（NerviandBartoliEngineers）建造的。构成薄壳穹顶的1620块用钢网水泥预制的菱形槽板浇筑在地面模板上。钢筋混凝土肋和板间接缝现浇，然后在上面浇一层混凝土，形成整体，并兼作防水层。由于采用了Nervi系统施工方法，施工成本大幅降低，工期仅用了7个月。预制的菱形面板和现浇的肋骨形成了美丽的天花板，堪称完美呈现建筑、结构和构造的艺术品。

罗马小体育宫的屋顶纹理

又如Toroha于1933年在瑞士设计的Agcilas城镇市场的屋顶，正八角形的穹顶，直径为47.6m，曲率半径为44.2m。作为一个单一的球壳，它的跨度首次超过了万神殿穹顶的跨度。壳体最小厚度8.9cm，厚跨比1/535；在支撑点附近加厚至45.7cm。

阿克西拉斯镇市场

阿克西拉斯镇市场的外壳比较平坦，圆心角约为32度。另外，由于采用了预应力，因此壳体处于整体受压状态。该地区雨水相对较少，因此外壳表面不防水。裸露的混凝土表面依然充满光泽，并没有太多时间侵蚀的痕迹。34岁的Toroha就凭借这样一个小镇市场的设计一举成名。

阿克西拉斯镇市场

混凝土外壳的经典例子有很多，但大多数是20世纪30年代和1940年代在欧洲建造的。后来由于钢结构的兴起，逐渐被钢网架结构所取代。

04钢结构

采用钢结构比较安全。想要用钢结构来表现天窗的轻盈感，网格壳是一个不错的选择。经典的网壳划分方法有很多，如肋环式、联合方型、Schwedler型、凯威特式等。其中，肋环式适用于中、小跨度；该接头型式具有相对较好的抗风、抗震能力，适用于大、中跨度；Schwedler型可承受较大的不对称载荷，适用于大、中跨度；凯威型具有均匀的三角形网格，适合各种跨度。

钢网壳的经典网格划分方法

正在修缮的德国国会大厦穹顶采用了肋状格子壳，中庭中部有一条螺旋通道引导人们前往穹顶和观景台。与混凝土网格外壳相比，钢与玻璃的结合具有更好的通透性，也更符合密斯对现代建筑的定义和现代人的审美标准。

德国国会大厦圆顶

除了钢与玻璃结合的透明天窗，我们还有哪些选择？我的脑海中浮现出了出云巨蛋。

出云巨蛋，球形穹顶直径143.8米，穹顶顶部高度48.9米。其最大的结构特点是其综合性。材料包括钢材、木材、膜材；结构形式有拱、桁架、索膜等，充分发挥了各部分的优点。

出云巨蛋

出云穹顶结构体系

木拱门是穹顶的主要受力构件。共有36个木拱门，呈放射状排列。足弓主要承受压力。穹顶中心为钢制承压环；底部是木制空间桁架形式的拉环，使穹顶成为自平衡系统，并减少对柱子和基础的推力。同时采用钢拉杆以拉弦的形式增强球壳的面外弯曲刚度。外部覆盖白色膜材料，并用稳定缆将膜向下压在两个框架之间（折叠面的波谷处），形成V形，使雪自然滑落。

出云巨蛋内部

如果体现科技感的话，我们还可以选择富勒的短螺纹圆顶。

测地线是连接曲面上两点且线长最短的线。二十面体可以描述为由31个大圆交错形成的球面三角形网络，并且二十面体可以分解为八面体，然后分解为四面体。通过这种方式，可以制成半球形结构或圆顶。球体的三角形表面是四面体的暴露侧。这些四面体指向球体的中心并且是不可分离的。

正二十面体及正十二面球体外观设计专利

不懂原理也没关系，看案例就行。1967年，富勒将这一设计思想应用到蒙特利尔国际博览会美国馆的设计中。场馆是一座直径76米的3/4球形建筑，外表面覆盖着透明亚克力板。这座展馆成为美国先进技术的象征，在当时备受关注。

富勒和蒙特利尔世博会美国馆

蒙特利尔世博会美国馆内部

05其他结构

继续思考！如果您考虑轻量化和高强度，不妨尝试一下铝结构。结构铝的密度约为钢的1/3，强度与Q235大致相同。由于具有较强的耐腐蚀性和免维护的特点，是理想的建筑材料。

亨利多利动物园沙漠圆顶

但由于焊接会导致铝合金的强度显着下降，因此铝合金通常采用圆盘来连接节点。盘式接头的抗剪性能较差，不适合用于主要承受弯曲的梁结构。壳结构以压应力为主，构件设计稳定控制，节点要求低。因此，铝合金结构特别适用于主要承受压力的球壳结构。

铝合金结构圆盘连接节点

铝合金结构网壳的经典案例有很多。其中，近两年为人熟知的有牛首山大小的穹顶、北京新机场的天窗。铝构件的尺度很小，在透气性方面，效果比普通钢网壳要好。这也是该项目填充圆圈的一个选项。

牛首山佛顶宫

北京新机场天窗

如果想追求结构的极致轻薄，膜结构也是一种选择。东京巨蛋和大阪世博会美国馆都可以借鉴这一点。但是在我们想要填充的圆圈中对膜结构的尺度感存在问题。

如果大规模使用膜结构，建筑效果就会显得轻盈。而如果用在30米这样的中小尺度上，就会显得细节不足，甚至廉价。因此，膜结构仍然不能使用。

东京巨蛋

大阪世博会美国馆

回到现实

大家按照小编的想象想了很久，最终在实际设计中采用了弦撑穹顶方案。为什么？陶工说：结构可能不是最经济的，施工可能不是最方便的，科技含量可能不是最高的，但设计感觉是最适合建筑功能和外观的。

交通中心中庭

天窗位于交通中心底层圆形中庭上方，人们在此相遇。选择结构网格布局时，需要考虑其向心收敛效应。因此方向性较弱的Schwedler网格和Kaiweit网格比较适合。不合适。

三角网格方向性差

同时考虑到节能，需要在天窗底部设置遮阳帘。如果结构本身的结构层次过于复杂，叠加遮阳帘的光影效果会显得特别混乱，所以辐条结构并不适合。

中心辐射法

最后，我们选择了弦穹顶。上弦钢梁布置为肋环形状，以增加方向性。下弦遮阳帘布置在缆索间隙内。在降低结构层次的同时，将结构构件和遮阳帘以虚实结合的方式表达结构，而不刻意表现。结构。

天光效果

我感觉最终的效果达到了建筑与结构的融合。与传统高科技结构外露的光彩相比，它体现了东方文化的含蓄意境。

天窗结构外露效果

天窗结构图

今天小编就以该项目为介绍，回顾一下穹顶的结构体系选型和经典案例。不禁感叹，没有一种结构体系、结构材料是最先进的。

只有合适的才是最好的。