2021年3月12日，RFR执行总监于辉在广州举行的α世界建筑设计与技术革新大会中的建筑之冠——采光顶、金属屋面技术论坛上发表主题演讲“实现通透的结构创新”，总结了RFR在建筑屋面采光顶方面的经典案例，并结合sbp, Arup, Happold, Sobek等多家国际知名工程顾问公司的经典案例进行解读分享。

同时，RFR近期三个工程也分别作为范例在SOM建筑事务所理事王玮琦、芝加哥办公室资深建筑师郑纪瑚，金螳螂幕墙有限公司总裁、幕墙设计总院院长牟永来，三鑫科技发展有限公司总工程师花定兴的主题演讲中进行分享：广商中心大堂、启东文体中心、国家会议中心二期。

RFR执行总监于辉发表主题演讲

实现通透的结构创新

总结了建筑屋面采光顶的经典案例，包括RFR在国内外的多个代表案例和许多杰出同行的著名案例，并归纳了诸如此类的结构与幕墙融合性的创新设计及计算方法的发展演变。

“欲戴其冠，必承其重。”

如果把屋顶比作建筑之冠，

采光顶则是冠上的珠宝，

是决定建筑视觉通透性的重要元素。

通常，结构方案不论尺度大小，不应只拘泥于从小处着眼，而需对建筑帷幕、复杂几何、特殊结构多方面进行整合，以实现极致的感官体验。

基于以上整合性思维模式，实现采光顶结构方案的通透性，可以从整体到细部分解成以下三个层次：

■ 平面梁格

这种结构体系主要利用了结构形式跟随的几何弯矩形状，形成钢结构渐变式构件，实现通透感。此类做法在公共文化建筑上应用较多，缺点是加工制作较为繁琐。代表项目有德国汉诺威总部大楼、德国汉诺威中央汽车站。

RFR团队十年前在上海北外滩完成的浦江玻璃云，同样采用类似的结构体系。并且在加工建造和精度控制上积累了经验。

上海浦江玻璃云

工程师：RFR

■ 空间网壳

空间网壳是利用网壳非平面的几何形状形成的，几何刚度最大程度上把网壳构件从受弯转化成轴向受力，从而尽可能减小构件尺寸，以实现构件杆系的轻盈性。此类做法比较有名的代表案例如伦敦大英博物馆、新加坡樟宜机场、伦敦布里斯托尔 Cabot 圆环广场等。

伦敦大英博物馆

工程师：BURO HAPPOLD

RFR团队设计的卢森堡新明斯特修道院，一改常规双向轴压构件的结构系统，仅采用单一方向拱结构，在另外两个方向采用预应力拉索，通过有层次结构设计与创新去实现通透性。

卢森堡新明斯特修道院

工程师：RFR

■ 索+拱混合

最著名的索结构代表项目是贝聿铭先生设计的巴黎卢浮宫金字塔。他的另一个项目卢森堡现代艺术博物馆，RFR通过拉压构件的分离，形成独特的结构美学。

巴黎卢浮宫金字塔

工程师：RFR

索拱混合结构比单纯的索结构更适应采光顶的需求。柏林中央合作银行，由Frank Gehry负责建筑设计，sbp创新性地采用手指状拉索以稳定壳面结构，再加上端部预应力拉索来代替常规桁架作为其边界条件。汉堡历史博物馆，通过清晰的传力途径，采用拉索去稳定只处于受压状态的构件，最大程度实现通透感。

斯特拉斯堡火车站，由RFR执行总监于辉在巴黎工作期间亲自参与实现。斯特拉斯堡老火车站于1883年投入使用，以石材为主要材料，为了改善高铁（TGV）服务，于2007对车站进行了扩建，在老建筑外部设计了一个长达约120米的“玻璃泡泡”。扩建部分采用拱形钢立柱，与石材建筑受力脱开，配合手指状索系结构，解决了建筑结构的传力和稳定性问题，使建筑达到良好通透性的同时，满足了抗震需求。

斯特拉斯堡火车站

工程师：RFR

■ 结构找形

结构找形的目标在于让网壳结构中的杆件最大程度上承受轴力，而非弯矩。从以上找形目标出发，落实具体的目标，充分考虑找形限制条件，来完成结构优化。

2015年普利策奖得主、建筑结构大师Frei Otto，曾在斯图加特的结构学院对不同结构的效率高低以及如何减小材料的使用这一课题进行研究。

最早，人们采用倒置悬挂模型方法对网壳结构进行找形，材料满足胡克定律且只承受轴力。这些研究鞭策了我们在二三十年后继续探索结构找形。如今，技术的发展为我们提供了更加高效准确的分析手段，但始终都是为了追寻同一找形目标。

倒置悬挂模型法

■ 网络分格

以RFR近期的深圳中兴通讯总部项目的采光顶部分为例，分析对比了几种不同的网格形态。

深圳中兴通讯总部

通过使用Evolute工具，对离散网格面进行找形（MESH RELEXATION)和细分(SUBDIVISION)，采用权重系数平衡以下各种特性：

  • 曲面平顺度 

  • 等边三角形或四边形 

  • 四边平面（Planar quad)或翘曲 

  • 六边形无扭转节点（利用ball packing）

工作流程

总体分板策略研究

三角形网格与四边形网格对比

从结构效率、杆件尺寸、最后呈现的观感体验等方面，对比三角形网格和斜缝四边形网格，我们认为四边形网格将是未来设计的潮流趋势，它能够实现结构愉悦感，更少的胶缝，更少的漏水隐患。当然，如果原有自由曲面的几何不做处理，强制做四边形网格会产生玻璃翘曲等问题，导致玻璃加工上的难度。

三角形网格

构件数量多

各杆件不共平面

扭曲节点

四边形网格

玻璃板块翘曲

各杆件不共平面

构件咬边错边

六边形网格

节点处交汇杆件少 

节点设计较简单

■ 圆环原理

圆环原理是可以用来降低四边形网格玻璃加工制作难度的一种解决方案。圆环面是一个非常典型的经典几何形状，它能够近似达到建筑要求的曲面，由于每一个切割线是可重复的，这样的板具有一定的规律性，甚至可以用较少种类的圆柱玻璃做出更圆滑的形状，是RFR团队比较推荐的一个几何原则。

板块分组

■ 定制节点

定制点夹的问世以及优化，配合索结构的连接，是索结构幕墙轻盈化设计的关键。巴黎卢浮宫金字塔采用了定制点式玻璃连接节点，使悬挂玻璃不会产生偏心和应力。

巴黎卢浮宫金字塔——定制点式玻璃连接节点

■ 梁截面形态设计

“Parque Toreo”商业综合体项目的采光顶截面较为复杂，采用人为缩小下表面宽度的方式，在视觉上形成通透轻盈的效果，同时解决炫光问题以及拥有比较好的兼容性。上海K11的采光顶形态非常特殊，采用定制开模，完成极致的三角形镶冠构造。

Parque Toreo

工程师：Rioboo Jorod

巴黎圣拉扎尔地铁站，是RFR团队完成的一个小尺度项目，相对结构非常的纤细。利用一个焊接节点实现了所有不同角度的变化。三角形截面配合精致的定制钢结构连接节点，同时实现节点刚接和美观精致的要求。

巴黎圣拉扎尔地铁站

工程师：RFR

■ 索连接节点设计

卢森堡现代艺术博物馆建筑里采用索连接节点，通过双向拉杆结构，解决旋转和伸缩的功能。

比利时现代艺术博物馆

工程师：RFR