这是某机场交通中心中庭的一个圆形天窗，天窗直径30米。如果让我随便设计，我可以怎么填满这个圈？
交通中心圆形天窗
01 石穹顶
思绪被拉回到了一千八百年前的万神殿。万神殿修建于公元126年，原本用来供奉罗马诸神，自7世纪后这里便成为了罗马天主教堂。万神殿中间为中空状态，谓之万神之瞳，其规模之大自竣工两千年来一直长踞世界同类建筑之首。
万神殿
万神殿穹顶直径43.3米，最高点也是43.3米，中部采光洞口直径8.9米。穹顶采用古老的混凝土，其材料特性与石块类似，抗压王者。而穹顶结构以受压为主，建筑材料与结构体系可谓天作之合。
万神殿大穹顶
一千五百年前的圣索菲亚大教堂也因其巨大的穹顶而闻名于世。穹顶直径31.24米。这座著名的穹顶也算是命运多舛，自建成之后由于穹顶自身巨大的侧推力曾先后倒塌三次。工程师也曾试图通过增加墙厚、增设飞扶壁、增加穹顶矢高等方法加固，但依然没有结束它不断倒塌的命运。
圣索菲亚大教堂
直到工程师充分认识穹顶的受力之后，在底部增设一圈铁链，倒塌重建的循环才得以终止。铁链在穹顶底部形成拉力的闭合环以抵消穹顶巨大的推力，大幅减小了扶壁所受侧向力。即使后期拆除了某些影响建筑外观的扶壁，穹顶依然在经历了几次大地震后屹立至今。
圣索菲亚大教堂穹顶
如果用穹顶填满这个圈，我们还可以对穹顶做各种装饰，让其看起来更加绚丽，古今中外也有各种各样的例子供我们参考。
装饰的穹顶
更多的装饰穹顶
穹顶由于其特有的建筑特点一般被用于教堂。
02 木穹顶
我们通过将连续的穹顶面网格化，也可以用木头来填满这个圈。木头相比于石块，抗拉和抗弯性能都更加优秀，并且材料本身也不会显得那么冰冷，可以给人以亲近和温暖的感觉。
施威德勒型木穹顶
肋环型木穹顶
木头好是好，现如今也越来越被大众所追捧，但应用于天窗的例子很少见。
03 混凝土
稍稍把脑洞收回来一些，还是选用现代材料吧。如果主体结构都是混凝土，那么设计一个混凝土穹顶怎么样？第一个跳入脑海的是奈尔维的罗马小体育宫。
罗马小体育宫穹顶
罗马小体育宫（Palazzetto DelloSport）外形轻巧，辐射状的Y形斜柱撑起混凝土薄壳，薄壳周边褶皱起伏，它呈现的造型符合曲面吊挂时的受力形态。猜想奈尔维应该是采用了实验逆吊法。在计算机技术应用于结构工程设计之前，实验逆吊法是建筑师常用的形态创建方法，尤其是在薄壳结构中。
罗马小体育宫剖面
罗马小体育宫（Palazzetto DelloSport）不仅由奈尔维设计，而且由其建筑公司（Nervi and Bartoli Engineers公司）建造。组成薄壳穹顶的1620块用钢丝网水泥预制的菱形槽板，在地面模板上浇注成形。板间的钢筋混凝土肋和节点现浇，之后在上面再整浇一层混凝土，形成整体并兼作防水层。由于采用了奈尔维体系（Nervi system）工法，建造成本大幅降低，而工期仅用了7个月时间。预制的菱形板和现浇的肋线，形成优美的天花，堪称建筑、结构、施工完美呈现的艺术品。
罗马小体育宫屋面肌理
再比如托罗哈1933年在瑞士设计的阿赫西拉斯镇集市屋面。正八角形穹顶直径达47.6m，曲率半径为44.2m。作为单一的球壳，它的跨度第一次超越了万神庙穹顶。壳体厚度最小为8.9cm，厚跨比是1/535；支承点附近加厚至45.7cm。
阿赫西拉斯镇集市
阿赫西拉斯镇集市的壳体比较扁，中心角约32度，加之采用了预应力，壳体呈整体受压的状态。当地雨水比较少，壳体表面没有做防水，裸露的混凝土表面依旧充满光泽，没有太多岁月侵蚀的痕迹。时年34岁的托罗哈凭借这样一个小镇集市的设计，一举成名。
阿赫西拉斯镇集市
混凝土壳的经典案例还有很多，但多建成于上世纪三四十年代的欧洲。而后由于钢结构的兴起，逐渐被钢网格结构所取代。
04 钢结构
还是用钢结构比较稳妥。要用钢结构表现天窗的轻盈，网壳是一个很好的选择。经典的网壳划分方法有很多，比如肋环型、联方型、施威德勒型、凯威特型等等。其中肋环型适合中、小跨度；联方型抗风抗震性能相对更好，适用与大、中跨度；施威德勒型能承受较大的非对称荷载，适用于大、中跨度；凯威特型为均匀的三角形网格，适用于各种跨度。
钢网壳经典的网格划分方法
德国国会大厦改造中的穹顶即采用了肋环式网壳，中庭中部还有一螺旋式通道一直引领人们到达圆顶和瞭望平台。相对于混凝土网壳，钢与玻璃的组合通透性更好，同时也更符合密斯对于现代建筑的定义和现代人的审美标准。
德国国会大厦穹顶
除了钢与玻璃组合的通透天窗，我们还有什么选择？脑海中蹦出了出云穹顶。
出云穹顶，球形穹顶直径143.8米，拱顶部高度48.9m米。它最大的结构特点是综合性。材料上有钢、木、薄膜；结构形式上有拱、桁架、索膜，并充分发挥了每个部份的优势。
出云穹顶
出云穹顶结构体系
木质拱架是穹顶最主要的受力构件，共有36榀，呈放射状布置。拱架以受压为主。穹顶中心为钢质的承压环；底部是木质空间桁架形式的拉环，使得穹顶成为自平衡的体系，减小对柱子和基础的推力。同时采用钢拉杆以张弦的形式加强球壳面外抗弯刚度。外表覆盖以白色膜材，在两个骨架之间(折面波谷处)用稳定索把薄膜向下压紧，形成V字形状，可以使积雪自然滑落。
出云穹顶内部
如果体现科技感，我们还可以选择富勒的短线程穹顶。
短程线(Geodesic Line)是连接曲面上两点、线长度最短的线条。可以将二十面体描绘成由31个大圆交错排列形成的球面三角形网络，而二十面体可以分解为八面体并进而分解为四面体。用这一方法就可以做成一个半球形结构或圆屋顶，球体上的三角形表面是四面体露在外的一面，这些四面体均指向球心并且牢固不可分离。
正二十面和正十二面球体的设计专利
原理看不懂没关系，直接看案例。1967年富勒就将这一设计思想应用于蒙特利尔国际博览会美国馆的设计上，场馆是一座3/4球形建筑，直径为76米，外表面覆盖着透明的亚克力板。这座展馆成为美国先进科技的象征，当年可谓万众瞩目。
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
继续发散思维！想到轻质高强，那么铝结构也不妨一试。结构铝的密度大约是钢的1/3，而强度大约与Q235相当，并且由于抗腐蚀性强、免维护的特点，是非常理想的建筑材料。
Henry doorly zoo desert dome
但是由于焊接会造成铝合金强度大幅下降，铝合金通常采用圆盘连接节点。而圆盘节点抗剪性能差，不适合用在以受弯为主的梁式结构。壳体结构内以压应力为主，构件设计均为稳定控制，对节点需求低。因此，铝合金结构特别适合用于受压为主的球壳结构。
铝合金结构盘式连接节点
铝合金结构网壳经典案例也有很多，其中近两年被大家熟知的有牛首山大小穹顶和北京新机场天窗。铝构件的尺度都很小，从通透性上来说，效果比普通钢网壳要好。对于本项目要填满的圆圈，也不失为一种选择。
牛首山佛顶宫
北京新机场天窗
如果要追求结构的极致轻薄，膜结构也是一种选择。东京巨蛋（Tokyo Dome）和大阪世博会美国馆都可以借鉴。但如果在我们要填满的圆圈中用膜结构感觉尺度感会有问题。
膜结构如果用在大尺度，建筑效果会显得轻盈。而如果用在30米这种中小尺度，就会显得细节不够，甚至廉价感。因此，还是不能用膜结构。
东京巨蛋（Tokyo Dome）
大阪世博会美国馆
回到现实
大家随着小编开了半天脑洞，而实际设计中最终采用了弦支穹顶的方案。为什么？陶工说：结构可能不是最省的、施工可能不是最方便的、科技含量可能不是最高的，但是设计中感觉是最贴合建筑功能和外观诉求的。
交通中心中庭
天窗位于交通中心地下一层圆形中庭上空，人流在这里交汇，在选择结构网格布置时需要考虑其向心汇聚效应，因此方向性较弱的施威德勒网格和凯威特网格就不适合。
三角形网格方向性差
同时考虑到节能，天窗底部需布置遮阳帷幕，如果结构本身的构造层次太过复杂，叠加遮阳帷幕若影若现的光影效果，会显得结构特别乱，因此轮辐式结构也不适合。
轮辐式方案
最终选择弦支穹顶，上弦钢梁呈肋环型布置，增加方向性；下弦遮阳帷幕布置于拉索空挡，在减少构造层次的同时，结构构件与遮阳帷幕虚实结合，既表现结构又不刻意表现结构。
天窗效果
感觉最终效果达到了建筑和结构的融合，与传统高技派结构外露的炫技相比，更体现了东方文化中似露非露的含蓄意境。
天窗结构外露效果
天窗结构图
今天小编以本项目为引子，回顾了一下穹顶的结构体系选择和经典案例，不禁感叹，没有哪种结构体系或者结构材料是最高级的。
只有适合的，才是最好的。
文章来源：iStructure
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