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[分享]网架，丑...吗
作者：杨笑天
旧金山国际机场，桁架结构
今天讲的“网架”，与桁架受力有些类似。它堪称空间结构的Bug级存在，是一种非常高效、理性的结构体系，虽然常常因为不符合建筑师对于感性和美的要求而被嫌弃。
柏林泰格尔机场 © Marcus Bredt
网架，是由多根杆件组装成稳定的几何单元，再由重复的几何单元扩展组成的空间杆系结构。它的主要特点如下：
- 网架整体受弯，但每个基本单元均为稳定的几何，杆件主要受轴力，结构效率高，以较小的杆件截面可实现很大的跨度；
- 与空间桁架相似，但其腹杆呈现空间布置，从而具有更好的稳定性；
- 整体的冗余度高、传力路径分散，能适应各种支承条件；
- 网架整体可直可弯，对自由曲面、不规则轮廓线的适应性极强；
- 杆件和节点均在工厂加工，现场组装，施工操作简单快捷；
阿塞拜疆Heydar Aliyev文化中心
网架的历史
最早完整地提出空间网架概念并实践的是A.G.贝尔。没错，正是发明电话的跨界天才贝尔先生。1898~1908年间，贝尔开发了基于四面体几何的空间网架，他用网架形式制作了许多风筝和铁塔。
贝尔的四面体风筝试验(1907年) ©建筑结构的奥秘
由于没有进行连续的研究和实践尝试，网架结构的发展停滞了大约半个世纪。直到20世纪70年代，随着精密机械加工的自动化，空间网架被视为建筑结构中比较新的一种结构形式，迎来了新的发展。
规则的网格：富勒美国馆
1967年蒙特利尔国际博览会上，富勒和Shoji Sadao设计了一座直径为76m的3/4球形建筑---美国馆。与普通的单层球壳结构不同，富勒的美国馆采用了双层的空间网格结构。
蒙特利尔世博会美国馆，空间球壳，1967年
美国馆为三角锥网格形式，外层为三角形网格、内层为六边形网格。内外两层网格的顶点用6根斜杆连接而成。
蒙特利尔世博会美国馆(1967年)
外层弦杆钢管的直径89mm，
内层弦杆和腹杆直径73mm，
共2.4万根杆件，6000个扣件节点。
美国馆的网格、斜杆几何、杆件规一化的截面、节点连接，都体现了网架设计的最基本要素，堪称早期网架(双层网壳)设计的典范。美国馆成为当时美国先进科技的象征，引得世人瞩目。在它的影响之下，网架和双层网壳的空间结构形式得到了迅速发展。
1976年，球顶在改造过程中遭受火灾
外装饰被烧毁，外露的结构显得更加清晰。
网架结构由重复的几何单元组成，其基本单元主要有三角锥、四角锥、正方体、截头四角锥等类型。
网架结构的分类示意图
©大跨度钢结构施工技术，王宏
然而，重复的几何也导致网架过于理性规则、杆件繁多。因为建筑效果不佳，而不被建筑师所待见。
网架结构杆件繁多
因此，在网架结构设计时，除了结构受力以外，也不能忽略对建筑效果的考虑。例如，部分抽空网架下弦，组成的几何图形可能与室内吊顶结合，创造出较好的建筑空间效果。
正放四角锥和三角锥下弦抽空的网架
三角锥网架不同的抽空与下弦图形
美国馆的内层弦杆抽空，形成六边形
强大的跨越能力：大阪博览会节日广场
大阪博览会节日广场大屋盖，1970年，大阪
网架采用了最为普通的正方形网格，网格尺寸全部统一为10.8米。在地面拼装，然后整体提升施工，建造非常迅速。
大屋盖结构简图
6根支承柱与屋盖刚接，而柱脚为集中于一点的球铰节点，单柱承受大约1550吨的压力。
节日广场大屋盖的柱脚节点模型
网架于1977年拆除，仅有少数构件保留作为纪念
网架的跨越能力非常强，对于相同的大跨度，网架的钢材用量通常比其它结构形式更少。首都机场A380飞机维修库的跨度达(176.3+176.3)x110m，也采用了网架形式。
网架节点
网架节点是实现网架杆件汇交、可靠传力、快速组装的关键，应当具备以下特点：
可连接多根杆件、构造简洁清晰； 有较大刚度和强度(受拉、受压)； 从受力和美观上，要求节点的尺寸相对杆件长度比较小； 对杆件长度的误差，有一定的调节能力。
大阪博览会的大屋盖网架节点是巨大的铸钢球，通过高强螺栓与杆件相连，这个节点是现代的螺栓球节点的雏形。
下面几种常见的网架节点形式：
大阪博览会的网架节点：铸钢球节点
现代的螺栓球节点
几种网架节点形式
对曲面的适应：Heydar Aliyev文化中心
网架可适应各种曲面和轮廓
通过调整网格的形状和尺寸，网架几乎可以适应任何平面、曲面和复杂边界，即使扎哈大师的自由曲面也不例外。
阿塞拜疆Heydar Aliyev文化中心
在这个建筑项目中，结构如何贴合建筑曲面表皮是一大挑战。其它结构形式难以解决的曲面问题，网架依然能够轻松应对。
Heydar Aliyev文化中心的自由曲面网架
自由曲面网架表现出极强的适应力
如何设计出漂亮的网架?
- 几何单元和网架规则、重复，体现秩序感；
- 杆件和节点的外观尺寸相同，体现均匀质感；
- 适当抽空冗余杆件，减轻杆件众多的混乱感；
1965年，gmp公司的三位创始人设计的第一个项目--完美六边形的柏林泰格尔机场中，也部分采用了网架结构形式。
柏林泰格尔机场 © Landesbildstelle Berlin
两层通高的大厅上方为玻璃屋顶 © Marcus Bredt
相同的杆件尺寸和螺栓球节点呈现出均质的特征，白色结构在黑色幕墙框的衬托下，显得更加纤细。
蒙特利尔世博会美国馆(1967年)
同样，富勒设计的美国馆逻辑规则、均质和杆件抽空，使得即使采用了杆件最多的三角锥形式，也不会显得杂乱。
走向太空的建筑?
Biosphere 2生态圈
七个生物群落区分别是1900平方米的热带雨林、850平米、的海洋珊瑚礁、450平方米、的红树林湿地、1300平方米的草原、1400平米的沙漠和两个2500平方米的人为生物群落（农业系统和生活空间、实验室和车间）。
Biosphere 2生态圈的大跨度网架
通常，网架结构相比其它大跨度结构用材更省。在外太空，用细小的杆件快速组装成大跨度的空间，采用网架结构形式再合适不过了。此外，镂空的网架几乎不会遮挡植物所需要的光线。
Biosphere 2看起来像是某个遥远星球上的未来前哨站，虽然研究计划以失败告终，但这个建筑得以保留至今。
限于篇幅，以下案例不详细展开了。
MIHO 美术馆 © http://www.miho.or.jp
新德里Pragati Maidan
贝聿铭设计的肯尼迪图书馆幕墙结构
轻松明快的加油站
正放四角锥网架与遮阳膜
当然，万能的网架还可以造自行车、汽车、飞机。。。
YA-1 和 CA-6飞机骨架
甚至珠宝首饰。。。
Beveled Shaker 玫瑰金挂坠项链
珠宝商Roule&Co推出的[Shaker]系列
以结构主题的首饰 ©公众号NORAJUE
球体直径3mm，杆件直径0.8-0.9mm
最后，希望这篇浅显的短文能够消除大家对网架的偏见。小i 认为，结构形式没有好坏之分，只有适合或不适合，结构工程师的任务是为建筑选择最合适的结构形式。
参考资料
1. 建筑结构的奥秘，川口卫著，王小盾陈志华译
2. 大跨度钢结构施工技术，王宏
3. 维基百科：Space Frame等词条
4.buildipedia.com/aec-pros/from-the-job-site/zaha-hadids-heydar-aliyev-cultural-centre-turning-a-vision-into-reality
5.www.worldsfaircommunity.org/topic/10727-expo-70-3d-film/
6. 三角网架结构的片段，公众号NORAJUE
