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作者：杨笑天

在空间几何体中
没有棱角的球体
是最完美的！



球体的表面势能最小，正是气泡、气球、充气结构，甚至星球天体成为球形的原因。


“北理工1号”卫星的空间帆球            

空间帆球：卫星正常入轨后，释放柔性材料并膨胀展开成为球状，如同展开一面“风帆”，可以作为卫星的太阳能电池板，也可以作为卫星通信的大型天线。

在力学方面，当球体受到均匀的张力或压力时，只承受轴向拉力或压力。球壳是一种非常高效的结构形式，就像我们很难用手握碎薄薄的鸡蛋壳一样。


蒙特利尔世博会美国馆，空间球壳，1967年

储存气体和液体的压力罐也常常设计为球形，是因为相同的表面积，球形围合的体积最大，同时球壳具有轻质高效的受力特点。


球形储罐
相同的直径和工作压力下，板厚仅为筒形储罐的一半

球体独特的形状、高效的受力，以及空间特性呈现出的魅力，在建筑设计中也有许多优秀的案例。小i团队最近正在设计一个球形结构，本文借此机会，将我们收集的案例分享给大家。



球壳的网格形式  

球形网壳的分格形式有：短程线形Geodesic Dome、肋环形Ribbed Dome、联方形Lamella Dome、施威德勒形Schwedler Dome、凯威特形Kiewitt Dome等。


肋环形 Ribbed Dome


联方形Lamella Dome


施威德勒形 Schwedler Dome(双斜无纬线)



  富勒 与 短程线穹顶  

在1927年左右，富勒开发了一种对球面测量和投影制图的新策略，称为Dymaxion地图，把球面地势转换成一系列平面三角形和正方形的几何。“通过控制投影绘制时产生的扭曲，使地图上陆地的大小能够与现实保持较为准确的比例。因为这些几何元素可以重新排列，我们也就能用无数种不同方式“剥开”地球。”


富勒与Dymaxion地图(1945年)
Kyle Vanhemert为富勒绘制的插画

富勒将Dymaxion地图想法和能量几何学结合，发明了短程线穹顶。短程线(Geodesic Line)是连接曲面上两点、线长度最短的线条。


富勒-短程线穹顶专利

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，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，引得世人瞩目。


富勒和蒙特利尔世博会美国馆(1967年)




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。

除了蒙特利尔美国馆以外，富勒还做了许多球形结构设计，包括Fly's Eye Dome和张拉整体球形结构。


富勒设计建造的 Fly's Eye Dome，1965


基于短程线穹顶构造的张拉球结构（Icosahedron）  

富勒认为“自然界存在着能以最少材料，提供最大强度的系统，基本单元四角锥体与八面体聚合后便成为最高效的空间结构”。

巧合的是，1985年H.W. Kroto和R.E.Smalley发现了碳元素的第三种晶体形态(前两种是金刚石和石墨)。为了纪念富勒早年的猜想，将其命名为“富勒烯”（Fullerenes）--C60。它的分子结构为球形32面体，碳原子以20个六元环和12个五元环连接而成，具有极强的分子稳定性。




富勒烯、足球、短程线穹顶具有类似的结构
球体可以由正六边形和正五边形组成，
且五边形的数量一定是12个。

奥兰多迪士尼的Spaceship Earth, 设计为乘客通过时间机器的一次旅行，也采用了短程线网格形式。


Spaceship Earth

不同的是，Spaceship Earth是一个完整的球体，并且采用单层而非双层的结构，直径50m,由3根巨大的斜柱支承着。球体表面覆盖折面铝板，使得球体外观更具质感。




球体表面覆盖折面铝板
共3840个节点，11324块铝板




亚马逊球体 Amazon Spheres



亚马逊在西雅图总部花费巨资建造了3个玻璃球，称之为Amazon Spheres。球形建筑内部种植着数百种郁郁葱葱的植物，在大都市核心区打造出一个室内版“亚马逊热带雨林”。



Amazon Spheres共有2643块玻璃幕墙，4层超白玻璃既要降低太阳光热辐射，又要保证植物光合作用所必需的光线。



建筑总长约40米，球体直径约24-29m，像是3个相互干涉的气泡，结构材料为玻璃和钢结构相结合。设计团队采用了独特的网格方式划分球体。


充满未来感、有机感的结构骨架
仍然能隐约看到正五边形和六边形的痕迹

网格造型看起来十分复杂，但其生成逻辑源自规则的富勒烯或足球网格。网格生成的过程是，将五边形等分5份分后与旁边的六边形合并成一个基本单元；再将基本单元分以中心点分为5份，将相邻基本单元的边界融合，即得到Amazon Spheres的结构网格。


Amazon Spheres的结构网格生成逻辑



Amazon Spheres虽然成为西雅图的新晋网红打卡地，但不得不吐槽一下它的幕墙板块设计。从上图可以看到，钢结构网格既有动态曲线的有机感，又不乏设计清晰的逻辑。但是粗暴地覆盖上三角形玻璃幕墙后，建筑效果大打折扣。


钢结构骨架具有流畅的线条
主骨架之间以钢板拉结，以增强结构整体性




钢结构骨架模块细部


悬空的鸟巢会议室

在顶层采光最好的位置，设有一个休息区。晒着太阳，小睡一会，醒来又可以精神抖擞地工作了。




  肋环形 Ribbed Dome

肋环形式简洁、构造简单，这一类球体建筑的案例比较多。

爱立信球形综合体育馆


爱立信球形综合体育馆 Ericsson Globe，1989

瑞典斯德哥尔摩的爱立信地球仪由Svante Berg和Lars Vretblad设计，可能是世界上最大的球形结构了。直径为110米，内部高度为85米，体积为60万平方米，可容纳16000名观众观看表演。


建筑结构剖面

建筑下部的演出场地和看台为钢筋混凝土结构，上部的半球形屋盖为肋环形式的双层网架。表面统一用白色金属板覆盖，像一个高尔夫球。




2010年外围的缆车启用，称为Skyview。


新德国国会大厦

诺曼.福斯特设计的德国国会大厦改造也选用了肋环形圆顶，如同城市天际线上的一座灯塔，成为柏林的重要城市地标。





改造从原有建筑物获取灵感，一方面，保留旧日石匠的标记和1945年苏联红军留下的标语，作为"自身历史博物馆"；另一方面，厚实的外壳之下是轻盈而透明的内部，360度的视角将柏林的美展露无遗，与旧建筑形成强烈的反差。大厦的公共领域一直延伸至屋顶到达露台餐厅和穹形圆顶，螺旋式通道一直引领人们到达圆顶和瞭望平台。



圆顶钢网壳结构尽量做到通透，构件以及细部节点的表达上也很精致。虽然结构本身没有很大难度和创新，但是通过对外露钢结构本身精致的表达，最终仍然取得了很好的效果。




联方形球壳 Lamella Dome

在前文介绍的Amazon Spheres项目初期，设计方案也曾考虑使用联方形球壳Lamella Dome，但因表现力不及后来的方案而作罢。


Amazon Spheres初期的联方形球壳方案

在已建成的球形建筑中，采用联方形的案例不多。主要原因是联方形网格的尺寸差异比较大，球顶杆件密集地汇交在一起，而球身中部杆件稀疏、杆件长度不一。差异化的网格，使得结构和幕墙都难以采用统一规格的构件，增加了建造成本。






迪拜某科技球概念方案



限于篇幅，以下案例不详细展开了。总之，球形建筑是存在着无限设计潜力的一种建筑形态。

LaGéode是由建筑师Adrien Fainsilber和工程师Gérard Chamayou设计的球形电影院，镜像不锈钢将巴黎优美的城市风景映射在建筑表面。


LaGéode镜像不锈钢球形建筑


中国科学技术馆的镜像不锈钢球形建筑


上海国际会议中心的两个球形建筑
与毗邻的东方明珠构成大珠小珠落玉盘景象








各式各样的球幕影院结构






各式各样的雷达罩




创新的球壳网格


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