楊笑天
作者：楊笑天
在空間幾何體中
沒有棱角的球體
是最完美的！
球體的表面勢能最小，正是氣泡、氣球、充氣結構，甚至星球天體成為球形的原因。
“北理工1號”衛星的空間帆球
空間帆球：衛星正常入軌後，釋放柔性材料並膨脹展開成為球狀，如同展開壹面“風帆”，可以作為衛星的太陽能電池板，也可以作為衛星通信的大型天線。
在力學方面，當球體受到均勻的張力或壓力時，只承受軸向拉力或壓力。球殼是壹種非常高效的結構形式，就像我們很難用手握碎薄薄的雞蛋殼壹樣。
蒙特利爾世博會美國館，空間球殼，1967年
儲存氣體和液體的壓力罐也常常設計為球形，是因為相同的表面積，球形圍合的體積最大，同時球殼具有輕質高效的受力特點。
球形儲罐
相同的直徑和工作壓力下，板厚僅為筒形儲罐的壹半
球體獨特的形狀、高效的受力，以及空間特性呈現出的魅力，在建築設計中也有許多優秀的案例。小i團隊最近正在設計壹個球形結構，本文借此機會，將我們收集的案例分享給大家。
球殼的網格形式
球形網殼的分格形式有：短程線形Geodesic Dome、肋環形Ribbed Dome、聯方形Lamella Dome、施威德勒形Schwedler Dome、凱威特形Kiewitt Dome等。
肋環形 Ribbed Dome
聯方形Lamella Dome
施威德勒形 Schwedler Dome(雙斜無緯線)
富勒 與 短程線穹頂
在1927年左右，富勒開發了壹種對球面測量和投影制圖的新策略，稱為Dymaxion地圖，把球面地勢轉換成壹系列平面三角形和正方形的幾何。“通過控制投影繪制時產生的扭曲，使地圖上陸地的大小能夠與現實保持較為準確的比例。因為這些幾何元素可以重新排列，我們也就能用無數種不同方式“剝開”地球。”
富勒與Dymaxion地圖(1945年)
Kyle Vanhemert為富勒繪制的插畫
富勒將Dymaxion地圖想法和能量幾何學結合，發明了短程線穹頂。短程線(Geodesic Line)是連接曲面上兩點、線長度最短的線條。
富勒-短程線穹頂專利
1967年蒙特利爾國際博覽會上，富勒和Shoji Sadao設計了壹座直徑為76m的3/4球形建築---美國館，外表面覆蓋著透明的亞克力板。這座展館成為美國先進 科技 的象征，引得世人矚目。
富勒和蒙特利爾世博會美國館(1967年)
1976年，球頂在改造過程中遭受火災
外裝飾被燒毀，外露的結構顯得更加清晰。
除了蒙特利爾美國館以外，富勒還做了許多球形結構設計，包括Fly's Eye Dome和張拉整體球形結構。
富勒設計建造的 Fly's Eye Dome，1965
基於短程線穹頂構造的張拉球結構（Icosahedron）
富勒認為“自然界存在著能以最少材料，提供最大強度的系統，基本單元四角錐體與八面體聚合後便成為最高效的空間結構”。
巧合的是，1985年H.W. Kroto和R.E.Smalley發現了碳元素的第三種晶體形態(前兩種是金剛石和石墨)。為了紀念富勒早年的猜想，將其命名為“富勒烯”（Fullerenes）--C60。它的分子結構為球形32面體，碳原子以20個六元環和12個五元環連接而成，具有極強的分子穩定性。
富勒烯、足球、短程線穹頂具有類似的結構
球體可以由正六邊形和正五邊形組成，
且五邊形的數量壹定是12個。
奧蘭多迪士尼的Spaceship Earth, 設計為乘客通過時間機器的壹次旅行，也采用了短程線網格形式。
Spaceship Earth
不同的是，Spaceship Earth是壹個完整的球體，並且采用單層而非雙層的結構，直徑50m,由3根巨大的斜柱支承著。球體表面覆蓋折面鋁板，使得球體外觀更具質感。
球體表面覆蓋折面鋁板
***3840個節點，11324塊鋁板
亞馬遜球體 Amazon Spheres
亞馬遜在西雅圖總部花費巨資建造了3個玻璃球，稱之為Amazon Spheres。球形建築內部種植著數百種郁郁蔥蔥的植物，在大都市核心區打造出壹個室內版“亞馬遜熱帶雨林”。
Amazon Spheres***有2643塊玻璃幕墻，4層超白玻璃既要降低太陽光熱輻射，又要保證植物光合作用所必需的光線。
建築總長約40米，球體直徑約24-29m，像是3個相互幹涉的氣泡，結構材料為玻璃和鋼結構相結合。設計團隊采用了獨特的網格方式劃分球體。
充滿未來感、有機感的結構骨架
仍然能隱約看到正五邊形和六邊形的痕跡
網格造型看起來十分復雜，但其生成邏輯源自規則的富勒烯或足球網格。網格生成的過程是，將五邊形等分5份分後與旁邊的六邊形合並成壹個基本單元；再將基本單元分以中心點分為5份，將相鄰基本單元的邊界融合，即得到Amazon Spheres的結構網格。
Amazon Spheres的結構網格生成邏輯
Amazon Spheres雖然成為西雅圖的新晉網紅打卡地，但不得不吐槽壹下它的幕墻板塊設計。從上圖可以看到，鋼結構網格既有動態曲線的有機感，又不乏設計清晰的邏輯。但是粗暴地覆蓋上三角形玻璃幕墻後，建築效果大打折扣。
鋼結構骨架具有流暢的線條
主骨架之間以鋼板拉結，以增強結構整體性
鋼結構骨架模塊細部
懸空的鳥巢會議室
在頂層采光最好的位置，設有壹個休息區。曬著太陽，小睡壹會，醒來又可以精神抖擻地工作了。
肋環形 Ribbed Dome
肋環形式簡潔、構造簡單，這壹類球體建築的案例比較多。
愛立信球形綜合 體育 館
愛立信球形綜合 體育 館 Ericsson Globe，1989
瑞典斯德哥爾摩的愛立信地球儀由Svante Berg和Lars Vretblad設計，可能是世界上最大的球形結構了。直徑為110米，內部高度為85米，體積為60萬平方米，可容納16000名觀眾觀看表演。
建築結構剖面
建築下部的演出場地和看臺為鋼筋混凝土結構，上部的半球形屋蓋為肋環形式的雙層網架。表面統壹用白色金屬板覆蓋，像壹個高爾夫球。
2010年外圍的纜車啟用，稱為Skyview。
新德國國會大廈
諾曼.福斯特設計的德國國會大廈改造也選用了肋環形圓頂，如同城市天際線上的壹座燈塔，成為柏林的重要城市地標。
改造從原有建築物獲取靈感，壹方面，保留舊日石匠的標記和1945年蘇聯紅軍留下的標語，作為"自身 歷史 博物館"；另壹方面，厚實的外殼之下是輕盈而透明的內部，360度的視角將柏林的美展露無遺，與舊建築形成強烈的反差。大廈的公***領域壹直延伸至屋頂到達露臺餐廳和穹形圓頂，螺旋式通道壹直引領人們到達圓頂和瞭望平臺。
圓頂鋼網殼結構盡量做到通透，構件以及細部節點的表達上也很精致。雖然結構本身沒有很大難度和創新，但是通過對外露鋼結構本身精致的表達，最終仍然取得了很好的效果。
聯方形球殼 Lamella Dome
在前文介紹的Amazon Spheres項目初期，設計方案也曾考慮使用聯方形球殼Lamella Dome，但因表現力不及後來的方案而作罷。
Amazon Spheres初期的聯方形球殼方案
在已建成的球形建築中，采用聯方形的案例不多。主要原因是聯方形網格的尺寸差異比較大，球頂桿件密集地匯交在壹起，而球身中部桿件稀疏、桿件長度不壹。差異化的網格，使得結構和幕墻都難以采用統壹規格的構件，增加了建造成本。
迪拜某 科技 球概念方案
限於篇幅，以下案例不詳細展開了。總之，球形建築是存在著無限設計潛力的壹種建築形態。
LaGéode是由建築師Adrien Fainsilber和工程師Gérard Chamayou設計的球形電影院，鏡像不銹鋼將巴黎優美的城市風景映射在建築表面。
LaGéode鏡像不銹鋼球形建築
中國科學技術館的鏡像不銹鋼球形建築
上海國際會議中心的兩個球形建築
與毗鄰的東方明珠構成大珠小珠落玉盤景象
各式各樣的球幕影院結構
各式各樣的雷達罩
創新的球殼網格
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