大跨度-千年穹顶

大跨度结构——伦敦千年穹顶•美国的建筑师投票选出英国的千年穹为“世界上最大的丑东西”。千年穹过去一直被形容为一座畸形的建筑物，但同时却是伦敦的代表性建筑物。著名财经杂志《福布斯》对建筑师进行民意调查，结果英国为庆祝千禧年而耗资7.5亿英镑兴建的千年穹，被选为“世界上最丑东西”的首位。该杂志指出：“很难不讨厌这一座耗资庞大，而又同时拥有一个自命不凡名字的建筑物。自从千年穹关闭以来，其营运公司‘新千年经验’已经花了约410万美元来结束其运作。”不过，英国皇家建筑师学院却站出来维护千年穹，院长弗格森说：“我不明白建筑师们如何能够望着这样的一座建筑物说它丑陋，它是一个优雅的结构，同时亦是工程学上的卓越作品。”英国伦敦千年穹顶•千年穹顶（MillenniumDome）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。这个工程原先只考虑建成临时性的，后经研究，这项工程不论是从周围市区的复兴，或是建筑交通基础设施的长期投资来说都具有很大价值，1997年英国工党政府上台后，决定建成一个占地73公顷、总造价达12.5亿美元的大型综合性展览建筑。其纵中包括一系列展示与演出的场地，以及购物商场、餐厅、酒吧等，在1999年12月31日揭幕。英国旅游协会评出的2000年度英国最受欢迎的观光景点并被誉为“伦敦的明珠”更是入选了全球十年十大建筑。基本资料•地理位置位于伦敦东部泰晤士河畔的格林威治半岛上。•起始时间1997年～1999年。•千年穹顶，是英国政府为了迎接21世纪而兴建的标志性建筑。设计之初，业主并没有明确规定建筑的外形。建筑师经过悉心的比较论证，决定将繁多的功能归入同一屋顶下，提出了穹顶的方案。他们主张桅杆要尽可能的高，穹顶要尽可能的大，雄心勃勃地要为伦敦创造出新的标志性建筑。穹顶所在的地点也是经过多次比较，从块候选地点中挑选出来的。建筑简介•英国伦敦的千年穹顶是世界各国为了迎接新千年的到来而兴建的一系列千禧建筑中最为著名的作品。它造型独特，气魄宏伟，辉煌一时，引起了人们的极大关注，许多人称它是20世纪90年代产生的鸿篇巨作。它是英国旅游协会评出的2000年度英国最受欢迎的收费观光景点，被誉为“伦敦的明珠”，入选全球10年十大建筑。英国设计师理查德·罗杰斯设计的千年穹顶造价带有几分想象力和创造力，但是现在建筑却静静地躺在它的“墓地”里，等着英国政府花上巨额费用将其拆除。现在维护它的费用也在逐渐上升。有报道声称正在运作千年穹顶的英国“新千年公司”已经花了410万美元用于维护。建造历史•建筑设计:理查德.罗杰斯事务所Architects:RichardRogersPartnership结构设计：布罗.哈波尔德StructuralEngineers:BuroHappold•千年穹顶的建造地点是千年庆典委员会在1996年2月从英国参与角逐的57个地点中选定的，位于伦敦泰晤士河畔的格林威治半岛北端,面积大约20万㎡；其上是一个已遗弃了20多年的煤气站。•为满足千年庆典的功能要求，此场地应规划一个18000㎡广场篷顶和迎宾场所、停车场、河边步道、码头及主体结构--100000㎡的穹顶，将容纳千年庆典的大部分展览和庆祝活动。建筑形式•千年穹顶，伦敦明珠，这又是一个用现代科技营造传统宗教梦魇的现代设计，那直刺云天的12根100米高的钢桅杆，犹如歌特式建筑高耸入云的塔尖。表现出现代西方人，仍旧重复着先人追寻与上帝同在的梦幻。•事实上，这种由拱券演变成穹隆的建筑形式，也早已在欧洲的宗教建筑——大教堂中经常不断地采用，其中最著名的就有罗马万神庙、佛罗伦萨主教堂、罗马圣彼得大教堂、伦敦圣保罗大教堂。穹顶结构它由RichardRogers事务所承担建筑设计，结构设计由BuroHappold完成，是建筑师梦幻与工程师创新的完美结合。整个建筑为穹庐形，12根100米高的钢桅杆直刺云天，张拉着直径365米，周长大于1000米的穹面钢索网。光是钢索网就用了长达43英里的钢缆。室内最高处为50多米，容积约为240万立方米。它的屋面材料表面积10万平方米，仅为1毫米厚的膜状材料，却坚韧无比，据说可承受波音747飞机的重量。同时它有卓越的透光性，可充分利用自然光。设计之初，业主并没有明确规定建筑的外形。建筑师经过悉心的比较论证，决定将繁多的功能归入同一屋顶下，提出了穹顶的方案。他们主张桅杆要尽可能的高，穹顶要尽可能的大，使人在飞机上能一眼看到它。要为伦敦创造新的标志性建筑，并活跃格林威治半岛的天际线。从空中鸟瞰，它如同泰晤士河畔的一颗珍珠。建筑构造•弯项直径320m，周圈大于1000m，有12根穿出屋面高达100m的桅杆，屋盖采用圆球形的张力膜结构。膜面支承在72根辐射状的钢索上，其截面为2×φ32，这些钢索则通过间距25m的斜拉吊索与系索为桅杆所支撑，吊索与系索同时对桅杆起稳定作用。另外还设有四圈索行架将钢索联成网状。膜结构屋面设计中的一个关键问题是要避免雨雪所形成的坑洼，千年穹顶的大部分屋面都比较平坦，因此膜面的支承结构必面对清除这些难点，同时将周围的索抬高于膜面，能使连续水流达到排放干管。幅向索在周圈与悬链索相连共固定在24个锚圆点上，顶部则与12根φ48钢索组成的拉环连接，拉环直径为30m，中设天窗供穹顶通风用。桅杆为梭形，由纵向的圆钢管与横向的方钢相贯焊接成格构状，桅杆沿直径200m的圆周设置，支承在由四根杆组成的四角锥形底座上。一些细钢索从高10m的底座引出，因而不妨碍展出。•虽然千年穹顶被评为十大最差建筑，但就建造技术而言，可说是达到了登峰造极的地步。•膜结构因为自重轻，近年来在大跨度建筑中得到了广泛应用。同时，质量小，地震反应也就小。建筑结构•千年穹顶”的外形和大小对建筑师工程技术和参与的公司都提出了很高的要求。大厅直径为356米12根桅杆布置成环形跨度为200米。穹顶高度为50米10米高的基座支撑着100米高的钢杆。大厅的形状是球形的屋顶由带PTFE涂层的玻纤材料制成的膜结构。•罗杰斯选择了膜结构作为千年穹顶的建筑形式是因为与其他建筑形式相比膜结构建筑可能是最倾向于直接从结构性能和建筑材料方面来寻求解决方案的一类。膜结构屋顶是建筑外形与结构功能之间密不可分关系的最纯粹的外在表现——建筑外在的美感直接来自于其内部结构体系。并且无论置身何处膜结构建筑总是能保持自己内在特有的“建筑语言”而不被历史地理周边建筑或社会环境的因素所影响这确实是这一建筑类型最有趣同时也最富有价值的特点之一。膜结构•膜结构历来被认为是“不同的”或“困难的”结构形式。在这其中有很多原因：1在环境和结构方面对原料的不熟悉和长期性能的不确定性2找形过程中的不确定性以及设计团队的交互需求3相对大形变的情况下计算和细节化结构的需求。•另一方面膜结构建筑拥有令人惊讶的资源和能源高利用率。它拥有利用最少的材料覆盖庞大面积的潜能又能将自然光和新鲜空气吸纳到更广泛的空间中去所有这些都为罗杰斯和他的结构工程师实现更多的创新方案提供了可能。现在只需使用薄薄的一层膜材料就能覆盖庞大的建筑空间而材料消耗却只有原来的几分之一。在这之前仅仅使用传统材料是远远不能做到的即使能够做到其花费也是相当的惊人。例如伦敦的“千年穹顶”——PVC聚氟乙烯涂层聚酯纤维。——ETFE四氟乙烯聚合物膜材。•索膜结构设计采用哈泼德事务所自己开发的Tensyl程序，风荷载先采用现有的数据计算，然后以风洞试验结果校核。为安全起见，结构设计还考虑意外破坏的情况，例如桅杆的四角锥支座考虑有一根杆失效，最不利时只支承在三根杆上。索膜结构“千年穹顶”的膜结构•“千年穹顶”的膜结构包括一个仅承受拉应力的织物面层和一个支撑体系。在膜的建造形式中竖向内力只有通过受压构件才能传递到地面这就与另一种包括“皮肤与骨骼”的结构有类似之处。其中“骨骼”起到主要的承荷作用“皮肤”起次要作用。这一形象的比喻也说明了两部分之间的相互作用。换句话说“主要”和“次要”并不代表两方面的作用与功能互相独立。许多情况下这种“皮肤”与“骨骼”之间具有一种很强的互补关系。除了将荷载传递到地面基本结构的诸多元件也构成了膜体形式的几何参数。这两部分之间的关系在组装阶段会自然地显现出来。•“千年穹顶”膜结构由两类主要的构件组成。膜本身是由一个或者几个大的区域和很多小的子域构成的。膜或者是在膜的边缘与支撑结构直接相连或者是采用边——拉索体系相连又通过几个离散的点与边界体系相连。桅杆结构形式•“千年穹顶”是桅杆结构形式的典型代表。桅杆用于与大跨度膜结构的结合使用。生成双曲面时通常要将结构设计得比它的必要功能使用高度更高一些。穹顶形的索网结构基本框架是由12根与底部铰接在外部呈放射状的桅杆组成。通过分析不同的桅杆系统得到以下类型、铰接固定的桅杆和索拉条。例如“千年穹顶”。膜体自稳定铰支固定桅杆、刚接桅杆。“千年穹顶”便属于铰接固定的桅杆和索拉条的类型。千年穹顶的连接•“千年穹顶”属于铰接固定的桅杆和索拉条的类型。膜体产生的较大外力导致了桅杆上的较大的侧向荷载由此导致的刚接桅杆底部产生需要的抵抗矩是非常大的。严格上讲使用索拉条的桅杆设计是在较广阔的基础上拉压混合应力所导致力矩的简单解决方案。拉力杆必须承受多重荷载的作用其中轴向荷载压力是主要的受力形式但还会受到风荷载和由倾覆杆的恒荷造成的瞬时应力的作用。因为外部荷载和结构几何上的缺陷使轴向力增加桅杆在整体结构稳定性扭曲方面仍存在隐患。出于这个考虑桅杆结构通常设计成网格形式或多重拉条锚固形式。这种形式既在审美上满足人们的要求又有很强的抗扭刚度。值得注意的是拉力杆在所有受力情况下都受拉并且能保持结构的稳定性。这些要求可以通过预拉伸得到满足。但是这种闭合系统导致了中心管受到的压应力的增加。锥形端部的底部圆柱形中间部分的管形杆件无论在视觉审美上还是在经济上都是令人满意的。这种结构形式的优势体现在通常的设计中。膜材的优势•理查德·罗杰斯选用了膜材料作为“千年穹顶”的屋顶材料还有其膜属性的缘故。•吸声性能膜材领域所取得的一系列进展有利的证明了它在实际建筑领域中的适用性。如果将轻质透明微孔吸声箔安装于千年穹顶屋顶膜材下面将会取得十分卓越的牺牲效果。•隔音效果建筑膜材由于体积较小所起到的隔音效果十分有限。一旦某一建筑工程对隔音性能有较高要求通常的解决方案是要另外加入其他隔音材料制成多层膜材以增强隔音效果。•隔热性能尽管塑料的导热性不高但厚度只有0.2—1.5毫米的膜材显然不能提供很优越的隔热效果。解决这一问题可以将其制造为多层结构膜材并且各层膜材之间留有气孔。•可涂绘性膜材的这一属性对一系列目的都极为有益。另外可涂绘的箔膜材还可用来引导光及能源的流动传导。PTFE或硅树脂涂层的玻璃纤维表面不可涂绘这些材料的可涂绘性能目前正在研究之中。•不易燃性由于膜材表面质量较小小于1.5千克/平方米其可承受燃料荷载也低。因此降低了火灾中膜材脱落的危险系数与其他建材相比这无疑是一点优势。•防紫外线和抗风化性能现在使用的室外膜材如箔片或涂层织物一般既有防紫外线性能同时又能抵抗风化。完全由氟塑料制成不含可塑剂的材料或涂层如PTFE涂层玻璃纤维即使暴露在日光和风雨中长达25年仍然不会出现明显的老化或质量衰退迹象。“千年表演”难掩悲哀•醒目的白色圆顶，搭配着四周的钢骨支柱，坐落在泰晤士河畔的“千年穹顶”曾被誉为英国最成功的收费观光景点，也曾是英国“庆祝2000年”活动最高潮的地点。但千年穹顶从兴建到落成一直争议不断，在世纪末最后一周吸引了无数游客前往参观，在封馆前还举办了最后一场“千年表演”，之后进行一个简短的闭馆仪式，同时施放了烟火。但这些活动难掩即将关闭的悲哀。•千年穹顶前后总计吸引650万人次造访，其中又以世纪末最后一个月（12月）为最，而光是最后一周，便有6万人次穿越千年穹顶的大门。虽然千年穹顶的整体造访人次不少，不过却仍比预期的1200万人次少了将近一半，财务亏损连连，因此不得不关门大吉。•随着英国政府无法支付千年穹顶的大量维护费用，导致千年穹顶的没落。•让我们明白了随着可持续发展的绿色观念的盛行我旨希望在未来我们会拥有越来越多的诸如膜结