伦敦格林威治千年穹顶

          所有与英国千年穹顶有关的事情都变得一团糟：参观人数比预期少得可怜，还有一系列影响很大的令人尴尬的管理失误。位于严重污染的半岛上的穹顶结构靠近格林威治天文台，变得与当地环境一样失败。然而作为一个结构工程师的大胆作品，该穹顶结构已经取得了巨大的成功。而且与实际情况不同的是，这个项目完全符合工期和预算要求。直径320米，占地80000平方米的封闭空间，使之成为世界上最大的索膜结构。

          20世纪90年代末，理查德•罗杰斯的合伙人迈克•戴维斯（Mike Davies）与从事设计的想象力有限公司富有创意的领导人加里•威瑟斯（Gary Withers）进行了一个以时间为主题的方案讨论。他们准备在英国千禧年博览会上修建一系列大帐篷。当时所剩时间已经不多了。如果仍不能提出一个可行的解决方案，就不得不放弃展览。戴维斯打电话给布罗•哈波尔德事务所创办人之一伊恩•利德尔，询问他能否设计一个365米的索膜圆顶结构。作为一个索膜结构设计方面的先锋，利德尔非常爽快地答应了。这意味着他必须在5个月内完成设计并拿去投标，然后要在短短的15个月内保证工程竣工。

                                                          伦敦巨大的千年穹顶是一个成功的结构，是英国千禧年庆祝的场所

                                                                                                           早期穹隆内部透视图

                                                            千年穹顶的平面图。泰晤士河从穹顶右边的峡角蜿蜒向左流淌。

                                                                  圆形结构9点位置处以下刚好是布莱克沃尔隧道的通风口

左图：中央表演空间的内部结构局部，外围是主题区。

右图：索具配置中的一根桅杆。位于钢管组成的开放式角锥上的巨大塔架，放置在这里等待索膜张起

                                                                                                       千年穹顶剖面图

          穹顶是一种从小块重质材料（传统的砌块和砖）的特性发展而成的结构体系。这些材料的几何排列可以跨越很长的距离。材料自重通常是最重要的荷载，并且应力通过巨大的围墙、扶壁柱或链条在角锥周围处分解。索膜结构可以有很多种形状，但由德国建筑结构工程师弗赖▪奥托设计的是较经典的形式。在预应力作用下表面张力相同，而表面积最小。用布罗▪哈波尔德的话来说，这是一个具有良好曲率的曲面。所以尽管穹顶形状符合时间和宇宙的主题，但它并非索膜结构特别“自然”的形状。除了具有象征意义，它的形状也很好理解。穹顶的出现要追溯到1951年英国节日的中心装饰品。

                                                                                        工人们正在进行两块织物材料的最后接合

          令人困惑的是穹顶并不是激发结构师兴趣的经典索膜设计形状。他们在此之前就已按照大帐幕的原理设计并建造了几个索膜结构，构造基本上都是扁平的，依靠一根或几根桅杆支撑。 

          最初的设计为两圈桅杆（内圈12米，外圈24米），跨度为400米的悬索结构。桅杆就像帐篷一样把力传到倾斜的地锚。后来就变成了现在的形状—— 一个直径320米、高48米的结构，通过一圈12根位于角锥附近的桅杆支撑。这些桅杆安装在10米高的钢三脚架上，通过一个直径30米的内应力钢环和根部的拉索锚固起来。外部连下来的拉索被悬空横梁代替。随后，桅杆的高度就增加了，悬空横梁消失了，并形成了一根1000米长的圈梁替代水平构件承受压力，加固不稳定的地基土壤。

                                    图为：穹顶的概念设计草图。周围为桅杆和一系列大圆球的角锥，用造价相对较低的圆柱体代替

          屋顶的结构概念为基本拉力纵梁悬索支撑上面的膜织物，并联系内环和凹陷的膜织物边缘曲线。在12个构成这个扁平半球的各部分中，位于中心的桅杆通过与内环相连的前桅支杆和两个与位于该部分下部角落地锚结合的后拉索定位。所谓的电缆吊索网络也与每个100米高的桅杆顶部相连，沿着穹顶周围的五个中心圆周线，支撑并形成了下面低处的膜。这些圆周由位于膜表面上方2米的拉索标定出来，以避免积雪或雨水。在这个距离下，索膜结构看上去是曲面的，但是实际上和大帐篷结构一样，由一块块的平面板组成。每一块独立的膜平面呈扇形，这样还有一个优点：这些面板越宽的地方就越倾斜，可以让雪和雨水向下滑落。

          随着政府的要求和预期结构使用寿命的变化，最初的PVC涂层膜被两层PTFE涂层的玻璃纤维膜所代替。

          每一根桅杆都相同。由8根直径为323毫米的钢管构成，每隔2.5米用圆环撑牢。它们不仅要承受普通的弯曲荷载，还要承受雪荷载和水荷载。作为一个整体结构，去掉三脚架中的一条腿还可以继续工作。

          所面临的特殊困难就是在泰晤士河底有一对主要机动车交通隧道。这些隧道对基础有影响，而且还需要一个通到地面的混凝土排气孔。前一个问题通过使用逐级螺旋桩代替在其他地方使用的打入桩得到了解决，而排气孔则通过在穹顶膜上打一个工程口来解决。

           提升这个结构需要相应的管理措施。桅杆由一个后拉索和一个临时的前桅支索支撑，中间的圆环由备用的永久前桅支索提升。拉索网络就可以安装了。最后，完成膜织物的固定。

图从上至下：结构建造的顺序。首先，桅杆临时固定，并悬吊着钢窗；接下来一部分膜织物安装就位，整体覆盖；最后四周环境灯塔的结构就完成了