![[分享]天幕：采光的华盖](/skin/img/logo.png){kind=logo}
[分享]天幕：采光的华盖
作者：杨笑天 李存庆
天幕Canopy，更加通俗的名字是采光顶篷或采光天窗。天幕为公共空间遮风挡雨的同时，又能保证明亮的采光，在街区覆盖、历史建筑改造、商场中庭等公共大空间中应用的案例越来越多。
Great Court at the British Museum
小i 团队最近正在参与设计一个天幕结构，今天把我们收集的资料和自己的实践案例分享给大家。
图 多 预 警！
天幕结构可以从建筑形态、网格形状、结构形式、结构材料、是否封闭等多个维度进行分类，本文选择从建筑曲面形态和结构形式方向展开介绍。
平面：梁的跨越
对于跨度比较小的天幕，采用单向梁或交叉梁即可实现。这一类天幕的结构创新主要体现的网格布置、截面形式和节点细节方面。例如，网格布置可以是三角形、四边形、联方形、六边形等等。
普通单梁结构
单向空腹桁架结构
空腹桁架结构
Chadstone Shopping Centre, Atelier One
VICTORIA GATE ARCADES LEEDS, ACME
联方形网格天幕
平面/曲面 + 树形柱
对于跨度稍大的天幕，如果单纯采用梁跨越，构件截面会比较大。可以设置树形柱支承，以减小天幕结构的跨度。这种情况下，树形柱的拓扑、天幕网格以及节点细部设计是影响建筑结构效果的重点。
Strawinskylaan 自行车停车场,荷兰,wUrck
六边形网格 + 分叉柱
三角形网格 +树柱
天幕结构与树柱的一体化
Parque Toreo
设计Sordo Madaleno Arquitectos
Parque Toreo
结构梁被包装为三角形，网格线角硬朗
Goede Doelen Loterijen Head Offices
设计Benthem Crouwel Architects
天幕下方的遮阳片制造出有趣的光影效果
有的天幕虽然设计为曲面，但其曲面形状的力学性能差，结构受力仍然以抗弯为主。这类曲面天幕结构与树形柱相结合，才能以较细小的结构构件完成。
Westfield London Shopping Centre
Benoy & Westfield Design Architects
New Milan Trade Fair,Archivio Fuksas
“Unione Militare” Building
规则曲面网壳
规则曲面的天幕一般采用钢结构网壳形式，利用网壳曲面的形抗原理，结构以轴向受力为主、效率高，以较小的截面尺寸即可实现很大跨度。这一类网壳曲面多为圆柱面、球面。
千变万化的球面网壳天窗
英国博物馆中庭
Great Court at the British Museum(2000)
Great Court at the British Museum，2000
英国博物馆为了解决内部缺乏空间、缺乏通道、中心图书馆利用率低的问题，启动了大庭院加建天幕的改造项目，由福斯特事务所负责设计，其设计构想是新与旧共生。
加建天幕前后的建筑鸟瞰对比
设计中保留了原有古典式建筑主体，在中间庭院加建6000平方米的玻璃天幕。由此，大庭院再次成为了整个博物馆的核心，并且可以在博物馆的正常开放时间以外开放，提供了一个新的公共空间。
这个经典的改造项目把轻与重巧妙组合。钢结构网壳内侧支承于圆形阅览室，外侧支承于方形博物馆建筑的内墙，通过找形分析得到一个拱起的规则形态。
英国博物馆中庭：天幕曲面
中庭平面
中庭剖面
沿中心圆径向布置主受力网格，再辅助另两个方向的圆弧线条划分出1656个三角形平面玻璃板。
原有博物馆建筑为天幕提供了一个坚固的边界条件，使得网壳可以充分发挥形体的作用。构件以轴力为主、截面纤细，极大地突出了整体通透明亮的建筑效果。
自由曲面
随着建筑构型手段和建造技术的进步，出现了越来越多的自由曲面天幕。这一类曲面没有严密的数学逻辑，如何以轻巧的结构形式构建是结构设计最大的难点。
CARIOCA WAVE, 设计Knippers Helbig
以规则的三角形划分自由曲面，网格往往显得不太规则、构件布置略显凌乱，但是可以保证幕墙玻璃为平板、减小了幕墙工艺的难度和玻璃造价。
CARIOCA WAVE,设计Knippers Helbig
CUTTY SARK CONSERVATION PROJECT
设计Grimshaw Architects
自由曲面天幕采用四边形网格的建筑效果往往更加简洁，但由此也会产生另一个难题——玻璃翘曲。
The National Portrait Gallery of the USA
自由曲面形态使得结构表现得富于变化
柱间布置拉索以平衡网壳的推力
对于自由曲面天幕，四边形网格的翘曲可能比较大，全部采用异形曲面玻璃往往是不现实的。因此，四边形网格平面化、减小玻璃尺寸的规格种类、网格与建筑外观的协调是幕墙设计的难点。
苏州中心天幕结构
树形柱支承+自由曲面+四边形网格+拉索平衡
隐约可见的拉索，平衡壳体的水平推力
苏州中心天幕：箱形构件与圆筒焊接节点
MyZeil Shopping Mall
对于自由曲面天幕，结构找形分析是实现形抗作用和建筑效果的关键。此外，对网格均匀性、玻璃板翘曲、构件节点方位做优化分析也是必要的。任何方面的差之毫厘，都可能导致项目完成度的损伤。
Chadstone Shopping Centre，Atelier One
经过曲面找形的天幕曲面
Chadstone Shopping Centre
“喇叭形”曲面
以上各种天幕结构均是支承在周边建筑或树形上的。除此以外，还有一种以天幕网格独立或相对独立支承的结构，其建筑形态往往呈现“喇叭形”。
上海世博轴阳光谷，华东建筑设计研究总院
上海爱琴海购物公园，安藤忠雄，LDI：华东建筑设计研究总院
中庭为喇叭形的独立支承网格
裙房之间的天幕为树形柱支承
LuOne 凯德晶萃广场天幕
LuOne之名来自“卢湾”的谐音，致敬昔日老上海的经典格调。建筑中最瞩目的是三条长廊环绕的中庭花园，由46米直径的圆形玻璃穹顶覆盖。
LuOne凯德晶萃广场天幕
建筑：Safdie Architects；结构：Arup
穹顶及天幕示意图 © Arup
伞状穹顶结构充分发挥了网壳的形抗优势，最小杆件截面仅100x100mm，营造出建筑师非常期待的精致轻盈效果。
天幕节点连接设计© Arup
巨大透明天幕能增强自然采光和视觉通透性，然而另一方面，也带来眩光和太阳热辐射增加等潜在问题。因此，设计师采用低辐射镀膜玻璃、通风装置和气帘、雨水收集系统等兼顾了访客的最佳舒适度和绿色生态品质。
© Safdie Architects / Arup
根据消防规范，中庭钢结构要涂防火涂层以提供1.5~3小时的耐火保护。通过性能化分析，设计师提出创新的水帘保护系统作为钢材防火替代方案。水帘经由气化，可以吸收火与烟雾大部分热量，使钢材表面温度显著降低。
钢结构消防水帘保护系统 © Arup
近年小i 参与的天幕结构设计
世茂广场天幕结构
天幕结构长约500米，呈折板形态。天幕上覆盖有ETFE气枕膜面，膜面呈菱形；下部布置半透光的PTEF膜和LED灯条，赋予天幕幻影的效果。结构设计采用参数化建模分析，对构件布置、网格、节点进行精细化设计。
世茂广场天幕结构，华东建筑设计研究总院
拉斐尔云廊
“云廊”平面尺寸长约730米、宽120米，波峰到波谷最大矢高16米。通过Y形外伸斜柱整体支承于由11栋间距50-100米的塔楼建筑群顶部，实现“如浮云一般连绵起伏”的形象，是一个超长、大跨的单层网格结构。
世茂广场天幕结构，华东建筑设计研究总院
为实现结构效率的最大化，采用基于遗传算法进行结构找形分析。经过优化的结构形态以轴力为主、效率高，使得构件截面高度控制在550mm成为可能。飘逸的形态、规则的网格、纤细的构件、精致的节点，是建筑与结构一体化的成果。
双塔间悬吊天幕
两座超高层塔楼之间的曲面的悬挂天幕，利用了悬链线原理。天幕顶点的净距52~78m，最大矢高约73m，宽度52m，是一个大跨度的复杂曲面结构。建筑效果要求结构形式必须非常简洁、通透、构件尺寸尽可能地纤细。
绿地杭州之门悬链天幕结构
方案+初步设计：SOM
LDI设计：华东建筑设计研究总院
设计中尝试应用Grasshopper平台的结构参数化建模、分析、曲面优化、网格优化。应用参数化和结构优化方法拓宽了结构设计方案的可能性。
参数化结构建模与找形分析
最后，希望这篇浅显的资料收集短文能够对大家有所帮助，欢迎留言区交流讨论。
参考资料
1.Archdaily.com: New Milan Trade Fair
2.Archdaily.com: Chadstone Shopping Centre
3.Archdaily.com: Parque Toreo
4.Archdaily.com:Goede Doelen Loterijen
5.公众号Arup奥雅纳：LuOne：设计沪上最大的室内花园中庭
6.wikipedia.org：
![[分享]混凝土浇筑及注意事项](/e/data/images/no.jpg)
