天幕 Canopy 能够为公共空间遮风挡雨，同时还能确保有明亮的采光。天幕的结构完全呈现在建筑空间里，其结构形式、拓扑关系以及节点细部等方面都会对建筑效果产生影响，所以结构与建筑、幕墙的一体化设计是非常重要的。
网格节点的设计难点
自由曲面形态的天幕，其设计难点在于多个杆件汇交的网格节点。要兼顾结构力学性能、施工便利性和建筑美观这三个方面。在曲面网格节点的多杆汇交处，数量众多的钢板几乎难以完全对齐，错边咬边问题较为常见，这对结构、施工以及建筑外观都产生了不利影响。
常见的三角形网格，其结构刚度较大。并且能够保证幕墙玻璃为平板，这样就减小了幕墙工艺的难度。然而，三角形网格节点的构件数量相对更多，从理论上来说，不存在绝对的无扭转节点（Torsion-Free Nodes），这就导致节点的设计和施工难度变得更大。
CARIOCA WAVE, BRASIL
四边形网格的建筑效果呈现出简洁通透的特点。然而，在解决网格四点共面以及拟合复杂曲面的问题上，显然会面临更大的困难。即便使用的是无扭转节点，在节点处，构件出现咬边错边的情况也难以避免。
Chadstone Shopping Centre 拥有 Atelier One。Chadstone Shopping Centre 包含 Atelier One。Atelier One 在 Chadstone Shopping Centre 内。Chadstone Shopping Centre 有 Atelier One 这一区域。Atelier One 位于 Chadstone Shopping Centre 之中。
曲面网格的杆件实际上具有宽度和高度，并非单线。杆件的角度各不相同。结构杆件层和玻璃面板层等构造层都有一定的厚度。这些因素使得问题变得更加复杂。
无扭转节点（左）Vs 扭转节点（右）
总之，在复杂曲面网格里，节点设计需要协调处理多个问题。这些问题包括曲面平滑（像幕墙表皮以及结构上下表面这 3 个表面）、构件尺寸的均一性、焊接难度等。通常情况下，很难将这些问题同时兼顾好。
2010 年上海世博会的世博轴拥有 6 个呈喇叭状的阳光谷。这些阳光谷不但要承受自身的荷载，而且还为索膜结构提供了支点，其受力情况较为复杂。
最大的 1 号阳光谷，其上部径长在 70 到 90 米之间，下部径长在 12 到 18 米之间，总高度为 42 米，并且它是喇叭状的，阳光谷的内侧覆盖着玻璃。
上海世博轴阳光谷
阳光谷呈三角形网格状。每个节点处有 5 到 8 个杆件与之相连。这些杆件是方钢管，其长度在 1.5 到 3.5 米之间。其中大多数杆件的截面尺寸为 65x180mm 以及 80x180mm。
阳光谷拥有一万多个节点。在这些节点中，存在空间关系最为复杂且受力最大的位置钢结构方管檩条规格，针对该位置采用了铸钢节点，数量为 573 个。铸钢节点的关键之处在于怎样以低成本且快速的方式制作不同的铸模。
本工程把各种不同的铸钢节点依据一定的截面规格分解为标准模块。采用了“组合成模工艺”（类似于活字印刷）以及熔模精铸工艺（使用高密度泡沫）。通过机器人数控切割和定位，提升了铸钢节点的精度。
铸钢节点
杆件与节点牛腿拼接精确，焊缝外观不明显
图中节点中心圆形为景观灯点，小圆管为线管
弯扭牛腿节点
阳光谷大多数节点除了少量铸钢节点外，采用了牛腿焊接节点。弯扭牛腿节点的翼缘板是整片裁切的，然后把翼缘（盖板）按照杆件角度进行精加工弯扭，以此来保证与杆件焊接节点能够顺滑过渡。
弯扭牛腿焊接节点，翼缘整体裁切
将翼缘板弯扭与每个杆件方向对齐
普通牛腿节点，受力大的腹板贯通
牛腿节点的节点外观较为平整，铸钢节点的节点外观也较为平整。牛腿节点与铸钢节点施工的难点在于怎样精确地拼接牛腿和杆件。阳光谷每个节点的径向误差被控制在 2mm 以内，其角度误差被控制在 0.1 度以内。
牛腿焊接节点
拉结索膜的相关节点，局部杆件截面加高至450mm
排水管将膜面的雨水引入阳光谷内侧
钢结构和幕墙积灰较多，建筑已显得有些老旧
世博轴建成已经超过十年了。在那时，找形技术、BIM 技术以及数字控制技术都不像现在这般成熟。由此可以想象得出，设计和施工的难度是相当大的。而如今，世博轴已变为世博源，继续承载着建筑的意义。
上海爱琴海购物公园的树形天幕和阳光谷的形态较为相似。它的网格经过优化，变得更加均质且优美，奇异点极少。其节点采用的是节点牛腿与杆件拼接的方式。
上海爱琴海购物公园
中庭为喇叭形的独立支承网格
从屋顶看玻璃板块划分，均质优美
结构表面有灯槽遮盖，所以节点和牛腿的焊缝不易被看到。而其它直接外露的节点，其焊接质量问题（如杆件拼接不对齐、焊缝外观不佳）得以暴露。
节点杆件拼接的精准度和焊缝外观问题
与阳光谷类似，室外天幕钢结构积灰较多
辐射状插板
铸钢和焊接牛腿避免了节点区在现场进行焊接这一情况。不过，这种牛腿的杆件分段比较多，并且牛腿与杆件的拼接精度要求很高。而另一种插板节点，是将整段杆件与节点板进行焊接。
LuOne 凯德晶萃广场天幕
今天要给大家介绍的是 LuOne 凯德晶萃广场。“LuOne”这个名字是由“卢湾”谐音而来，以此向昔日老上海的经典格调表达敬意。在这座建筑中，最为引人瞩目的是被 46 米直径的圆形玻璃穹顶所覆盖。其伞状穹顶结构充分展现了网壳的形抗优势，营造出了一种精致轻盈的效果，这正是建筑师所非常期待的。
节点中心是实心圆棒。6 块插板将节点划分成了 6 个扇形角。杆件的端头被切成尖角，这些尖角与插板相互贯通并进行焊接。
天幕节点连接设计
树干6插板节点：竖向插板较长
底部近人的树干部分，节点插板被简化为 4 块。杆件节点的焊缝打磨得更加平整，也更加美观。
树干4插板节点
幕墙和灯线槽在结构背后，仅灯点外露
天幕顶部的节点采用的是 6 插板节点。灯光和机电线槽被布置在结构的上表面，而节点下表面的焊缝则直接暴露在外。未经打磨的焊缝对外观有略微的影响。不过，可能只有结构工程师才会将这个节点进行 10 倍变焦放大来看。
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结合天幕形态设置检修架、爬梯、吊点
插板节点的焊缝是在现场进行施焊的。现场焊接的工作量较大，并且控制质量的难度也更大。因为是整体稳定控制设计的网壳结构，构件的应力水平较小，所以在一般情况下，插板节点也能够满足受力的要求。
其它案例：MyZeil Shopping Mall
中心圆筒节点
之前介绍的“”项目，其天幕悬链顶的开口为 52 至 73 米，垂度最大约 73 米，属于大跨度的复杂曲面结构。在建筑效果方面，要求结构形式简洁且通透，构件尺寸要尽可能纤细。
杭州世纪中心悬链形天幕
悬链形式的构件，其截面宽度为 150mm，高度为 300mm（选用 H300x150x6.5x9），这种构件的结构效率非常高。
四边形网格的圆筒节点
悬链是四边形网格，节点汇交的杆件数量较少。在设计时采用了中心圆筒节点。用直径 273mm 的空心圆钢管与网格杆件相贯，这样就避免了杆件之间的焊缝重叠。通过较厚的圆筒封板来传递钢梁翼缘的力。
结构节点设计图
悬链整体是在水平风荷载作用下进行稳定性控制设计的，所以构件的应力比较小，焊缝的应力变幅也相对较小。在项目评审期间，专家提出，在不影响建筑外观的前提下，可以对腹板采用高强螺栓、翼缘进行焊接的节点方式，这样能够减少现场焊接量，也便于施工安装调节。
苏州中心天幕：箱形构件与圆筒焊接节点
盘式装配节点
钢结构焊接设计时，焊缝能够做到与构件强度相同。然而，铝合金焊接会使材料的强度和延性大幅降低。正因如此，在铝合金的连接中，大多会采用机械连接。
铝合金网壳常用的节点形式包含板式节点、钢芯螺栓节点以及铸铝节点。在这些节点形式中，节点盘板式节点的应用最为广泛。节点盘板式节点的构造是通过螺栓把上下弧形的圆盘盖板与杆件的上下翼缘相连接，然而腹板并未进行连接。
铝合金圆盘连接节点
这种连接方法的特点是节点无法与构件等强，并且节点的抗剪性能较弱。基于此，它不适合用于以受弯为主的梁式结构，也不适合用于以拉应力为主且对节点需求较高的张力结构。而球壳结构主要以压应力为主，其构件设计均以稳定控制为重点，对节点的需求较低，所以在工程中应用较为广泛。
铝合金圆盘连接节点
上海“G60 科创云廊”（拉斐尔云廊）项目，其平面尺寸为长约 730 米且宽 120 米。它通过 Y 形外伸斜柱，从整体上对由 11 栋塔楼建筑群顶部所支承的结构进行支承。此项目是一个具有超长和大跨特点的单层网格结构。
为降低结构防腐维护的需求并减轻自重，“云廊”在结构选材上以铝合金为主，部分区域采用钢铝混合。根据工程实际需求，结构设计对已有的铝合金盘式节点进行了改进，提升了节点的抗剪性能和抗弯性能，并且通过试验以及有限元分析对这些改进进行了验证。
普通盘式节点和改进后的盘式节点对比
此外，对现场施工的可操作性进行了充分考虑。设计了钢铝混合连接节点，并且通过有限元分析来研究它的受力性能。
钢铝混合连接节点
中心筒式装配节点
米兰新贸易展览中心的网格结构采用了一种新形式的栓接装配式节点。杆件的端面是通过螺栓与节点圆筒相连接的。这种栓接节点能够克服全焊接节点存在的焊接工作量大、焊接变形难以控制以及咬边错边等问题。
放大看！！节点螺栓与圆筒的连接
螺栓布置在杆件端面，所以不能完全传递杆件翼缘的力。节点刚度具有半刚性特征，这对网壳的刚度和稳定有一定的削弱作用。
6根方管与中心圆筒栓接装配节点
相贯焊接
如果网格存在明确的主要传力方向，那么可以使主受力杆件保持贯通状态。同时，其他次要杆件要与主杆件进行相贯连接钢结构方管檩条规格，也就是采用相贯焊接节点的方式。
英国国王十字火车站西侧广场的屋盖，其高度约为 20 米，直径约为 150 米，是由周边 16 颗树形柱以及一个锥形的中央树状结构来进行支撑的。
菱形网格开始编织并向上生长，接着逐步扩大。到了顶部的 3/4 处，在菱形网格里面增加了一根对角杆件，从而形成了三角形网格。
内力分析表明，屋盖的径向杆件主要承担弯矩。因此，采用了抗弯效率更高的矩形钢管。这种矩形钢管的截面宽度为 150mm，高度在 250mm 到 450mm 之间不等。而菱形的网格杆件主要承担轴力，所以采用了圆钢管，其直径在 139mm 到 219mm 之间不等。
方管与圆管进行了巧妙搭配，区分出了主次层级关系，其中次级的圆管与贯通的方管进行了焊接。并且，圆管与方管之间的衔接节点以及方管与上部屋面檩条的连接节点都被简化了。
圆管、方管以及屋面檩条的节点
编织节点
如果网格结构的杆件比较大，那么难以采用上述的汇交节点。在这种情况下，以错层编织的方式来保持构件的连续，这也是一种方法。
布鲁克菲尔德广场展厅的面宽为 33 米，进深是 20 米，高度达到 16 米。展厅由两棵呈网格状的钢结构柱来支承屋面，其周围是通透的悬挂式幕墙，从街道上便能够看到展厅内那两棵巨大的“铁树”。
“铁树”的形状为椭圆形，并且运用了富有韵律感的菱形网格。其结构构件比较大，汇交节点无法做到等强连接，同时也难以达成精致的外观。编织的方式是让内外两层圆管相互错开且互不相交。
布鲁克菲尔德广场展厅
18 根圆钢管呈顺时针方向排布，另外 18 根圆钢管呈逆时针方向排布。在网格的中部设置了 4 道环形构件，这些环形构件是用方管制成的，方管恰好处于内外两层圆管的中间位置。三层构件各自不处于同一平面，这种设计在对节点的处理方面更为有利。
北京凤凰传媒中心和广州东塔也有用这种编织的做法。
北京凤凰传媒中心
工程中遇到的问题各不相同，然而我坚信办法总是比困难要多。并且我们所遭遇的大部分问题，或许我们的前辈们已经碰到并且解决了。因此我认为结构工程师多去走走、多去看看，就会获得更多的启发和收获。
希望你若有关于建筑结构的游记，能够欢迎投稿并分享在 iStructure 公众号。
参考资料
世博轴阳光谷属于大跨空间结构优秀工程汇编，其设计单位是华东建筑设计总院。
自由的是网壳，而网格却是不自由的。这是刘康在公众号“结构札记”中所提到的。
3. 世博轴阳光谷钢结构设计与研究汪大绥等
世博轴阳光谷有单层异形钢结构网壳节点，对其制作工艺进行了研究，研究者是盛林峰。
5. LuOne：花园中庭设计. 公众号"Arup奥雅纳"
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