[摘要] 天幕，为公共空间遮风挡雨的同时，又能保证明亮的采光。天幕的结构形式、拓扑关系，及至节点细部都会影响建筑效果，最常用的网格结构让天幕呈现的更梦幻。
天幕Canopy，为公共空间遮风挡雨的同时，又能保证明亮的采光。天幕结构完全暴露在建筑空间中，结构形式、拓扑关系，及至节点细部都会影响建筑效果，结构与建筑、幕墙的一体化设计非常重要。于是，笔者特意参观了魔都的几个案例，结合自己的理解和经验，为大家介绍单层网格结构的节点设计。
网格节点的设计难点
自由曲面形态的天幕，多个杆件汇交的网格节点的设计难点在于，兼顾结构力学性能、施工便利性和建筑美观三个方面。曲面网格节点的多杆汇交处，数量众多的钢板几乎不可能完全对齐，错边咬边问题很常见，这对结构、施工和建筑外观都有不利的影响。
常见的三角形网格，虽然结构刚度更大，同时能保证幕墙玻璃为平板、减小了幕墙工艺的难度。但三角形网格节点的构件数量更多，理论上不存在绝对的无扭转节点(Torsion-Free Nodes)，使得节点设计和施工难度更大。
四边形网格的建筑效果更简洁通透，但解决网格四点共面、拟合复杂曲面显然更加困难。即使是无扭转节点，节点处构件咬边错边也难以避免。
由于曲面网格的杆件实际上有宽度和高度而非单线、杆件角度不同、以及结构杆件层和玻璃面板层等构造层都有一定厚度，问题变得更加复杂。
总之，在复杂曲面网格中，节点设计需协调解决曲面平滑(幕墙表皮、结构上下表面3个表面)、构件尺寸均一、焊接难度等多个问题，往往很难同时兼顾。
铸钢节点
2010年上海世博会世博轴共有6个喇叭状的阳光谷。阳光谷除了承受自身荷载外，还为索膜结构提供支点，受力比较复杂。
最大的1号阳光谷上部径长70~90m，下部径长12~18m，总高42m，喇叭状阳光谷内侧覆盖玻璃。
阳光谷为三角形网格，每个节点有5~8个杆件连接。杆件为方钢管(杆件长度1.5~3.5米)，大多数截面尺寸为65x180mm、80x180mm。
阳光谷共有一万多个节点，在其中空间关系最复杂、受力最大的位置采用铸钢节点，共573个。铸钢节点的关键在于如何低成本、快速地制作不同的铸模。
本工程将各不相同的铸钢节点按一定的截面规格拆解成标准模块，采用“组合成模工艺”(似活字印类刷?)、熔模精铸工艺(高密度泡沫)，利用机器人数控切割和定位，提高了铸钢节点的精度。
弯扭牛腿节点
除了少量铸钢节点以外，阳光谷大多数节点采用了牛腿焊接节点。弯扭牛腿节点的翼缘板为整片裁切，再把翼缘(盖板)配合杆件角度精加工弯扭，保证与杆件焊接节点的顺滑过渡。
牛腿节点与铸钢节点的节点外观都比较平整，其施工的难点在于如何精确地拼接牛腿和杆件。阳光谷每个节点的径向误差控制在2mm以内，角度误差控制在0.1度以内。
世博轴建成已有十余年，当时找形技术、BIM技术、数字控制技术还不像今天这么成熟，可想而之设计和施工的难度非常大。世博轴如今变成了世博源，延续着建筑存在的意义。
上海爱琴海购物公园的树形天幕与阳光谷形态相似，网格优化得更加均质优美，很少有奇异点，其节点也采用了节点牛腿与杆件拼接的方式。
由于结构表面有灯槽的遮盖，节点和牛腿的焊缝不容易被看到。而其它直接外露的节点则暴露了焊接质量的问题(杆件拼接不对齐、焊缝外观不佳)。
辐射状插板
铸钢和焊接牛腿避免了节点区现场焊接的问题，但杆件分段较多，牛腿与杆件拼接精度高。而另一种插板节点，则是整段杆件与节点板焊接。
今天为大家介绍的是LuOne凯德晶萃广场。LuOne之名来自“卢湾”的谐音，致敬昔日老上海的经典格调。建筑中最瞩目的是46米直径的圆形玻璃穹顶覆盖。伞状穹顶结构充分发挥了网壳的形抗优势，营造出建筑师非常期待的精致轻盈效果。
节点中心为实心圆棒，6块插板把节点分成6个扇形角，杆件端头切成尖角与插板相贯焊接。
在底部近人的树干部分，节点插板简化为4块，杆件节点焊缝打磨更加平整、美观。
天幕顶部的节点也采用6插板节点，灯光和机电线槽布置在结构上表面，节点下表面的焊缝直接外露。未经打磨的焊缝略微影响外观。(不过，大概只有结构工程师才会10倍变焦放大看这个节点)
插板节点的焊缝为现场施焊，现场焊接量大、控制质量的难度更大。由于整体稳定控制设计的网壳结构，构件应力水平较小的情况，因此一般情况插板节点也能满足受力要求。
中心圆筒节点
之前介绍的 “杭州世纪中心 悬链形天幕”项目，天幕悬链顶开口52~87米，垂度最大约73米，是一个大跨度的复杂曲面结构。建筑效果上又要求结构形式简洁、通透、构件尺寸尽可能纤细。
悬链形式的构件截面宽度仅150mm、高度300mm (选用H300x150x6.5x9)，其结构效率非常高。
由于悬链为四边形网格，节点汇交的杆件数量少，设计上采用中心圆筒节点。以直径273mm的空心圆钢管，与网格杆件相贯，避免了杆件之间的焊缝重叠。以较厚的圆筒封板传递钢梁翼缘的力。
由于悬链整体为水平风荷载作用下的稳定性控制设计，构件的应力较小，焊缝的应力变幅也比较小。项目评审过程中，专家建议在不影响建筑外观的情况下，可以考虑腹板高强螺栓、翼缘焊接的节点方式，以便减少现场焊接量、方便施工安装调节。
盘式装配节点
钢结构焊接设计时焊缝可以做到与构件等强，而铝合金焊接会大幅降低材料的强度与延性，因此在铝合金的连接中多用机械连接。
铝合金网壳常用节点形式有板式节点、钢芯螺栓节点及铸铝节点，其中节点盘板式节点应用最广泛。节点盘板式节点，是采用螺栓将上下弧形圆盘盖板和杆件上下翼缘连接，而腹板不连接。
这种连接方法注定节点无法与构件等强，且节点抗剪性能弱。因此，不适合用以受弯为主的梁式结构，及拉应力为主对节点需求要求较高的张力结构。球壳结构以压应力为主，构件设计均为稳定控制，对节点需求低，因此工程中应用较多。
上海“G60科创云廊”(拉斐尔云廊)项目，平面尺寸长约730米、宽120米，通过Y形外伸斜柱整体支承于由11栋塔楼建筑群顶部，是一个超长、大跨的单层网格结构。
为降低结构防腐维护需求和减轻自重，“云廊”采用铝合金为主、部分区域钢铝混合的结构选材。基于工程实际需求，结构设计改进了已有的铝合金盘式节点，增强了节点抗剪和抗弯性能，并通过试验和有限元分析进行验证。
此外，充分考虑现场施工可操作性，设计了钢铝混合连接节点，并通过有限元分析研究其受力性能。
中心筒式装配节点
米兰新贸易展览中心的网格结构，采用了另一种形式的栓接装配式节点。杆件端面通过螺栓与节点圆筒连接。栓接节点克服了全焊接节点焊接工作量大、焊接变形难控制、咬边错边的问题。
但因为螺栓布置在杆件端面，并不能完全传递杆件翼缘的力，节点刚度特征为半刚性，对网壳的刚度和稳定有一定的削弱。
相贯焊接
如果网格有明确的主要传力方向，可以让主受力杆件贯通，其它次要杆件与主杆件相贯连接，即相贯焊接节点。
英国国王十字火车站西侧广场屋盖，高约20m，直径约150m，由周圈16颗树形柱和一个锥形的中央树状结构支撑。
菱形网格编织向上生长并逐步扩大，到顶部3/4处，在菱形网格中增加一根对角杆件，形成三角形网格。
内力分析显示，屋盖径向杆件主要承担弯矩，所以采用了抗弯效率更高矩形钢管。矩形截面150mm宽，高度250~450mm不等。而菱形的网格杆件主要承担轴力，所以采用圆钢管，直径139~219mm不等。
这样方管与圆管巧妙地搭配，区分出主次层级关系，次级的圆管与贯通的方管焊接。此外，还简化了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。
编织节点
如果网格结构杆件比较大，难以采用以上汇交节点，以错层编织的方式保持构件连续也是一种方法。
布鲁克菲尔德广场展厅面宽33m、进深20m、高16m。两棵网格状的钢结构柱支承着屋面，周围是通透的悬挂式幕墙，从街道上就可以看到展厅内两棵巨大的“铁树”。
“铁树”呈椭圆形，同样采用了富有韵律感的菱形网格。结构构件较大，汇交节点不能做到等强连接，并且很难实现精致的外观。编织的做法是使内外两层圆管错开而互不相交。
18根圆钢管顺时针、另18根圆钢管逆时针方排布。在网格的中部设置4道环形构件，环形构件采用方管，方管正好位于内外两层圆管的中间。三层构件均不共面，这样的设计对节点的处理更有利。
北京凤凰传媒中心和广州东塔也有用这种编织的做法。
工程中遇到的问题是多种多样的，但我相信办法总比困难多。而且我们遇到的大多数问题，可能我们的前辈们已经遇到并解决了。所以我觉得结构工程师多走走看看，会多有启发和收获。建筑界建筑施工频道分享更多天幕施工的建筑设计，欢迎关注我们~
