基于自然、城市文化、科技發(fā)展的觀演建筑創(chuàng)新建筑性與技術(shù)性的統(tǒng)一觀演建筑的設(shè)計實(shí)踐

基于自然、城市文化、科技發(fā)展的觀演建筑創(chuàng)新建筑性與技術(shù)性的統(tǒng)一觀演建筑的設(shè)計實(shí)踐

1觀演建筑的設(shè)計與自然高級別建筑是綜合文化的產(chǎn)物。這是一座城市文化的“名片”，代表了城市發(fā)展的價值取向和文化品味。因此觀演建筑設(shè)計創(chuàng)新就是要超越傳統(tǒng)觀演建筑模式,順應(yīng)時代的潮流,接受當(dāng)代文化的信息,運(yùn)用科技發(fā)展最新的成就,總體構(gòu)思表達(dá)地域性與藝術(shù)性,創(chuàng)造富有時代感和感染力的藝術(shù)形象和觀演空間。觀演建筑設(shè)計創(chuàng)新就是要打破束縛,啟發(fā)思維,讓建筑建立全面完整的人與自然的關(guān)系,設(shè)計中非線性系統(tǒng)的引入,將我們的視野從理性規(guī)則的建筑中解放出來,創(chuàng)作出與自然更接近的新型觀演建筑形態(tài)。武漢琴臺文化藝術(shù)中心、廣州歌劇院、武漢萬達(dá)秀場、長沙梅溪湖國際文化藝術(shù)中心等觀演建筑的設(shè)計實(shí)踐,就是走一條尋求基于自然環(huán)境、城市文化、現(xiàn)代科技的觀演建筑的設(shè)計創(chuàng)新之路。觀演建筑中,結(jié)構(gòu)體系扮演了重要的角色,也是其方案構(gòu)思中不可或缺的重要元素。建筑形體與空間對于結(jié)構(gòu)的“建筑性”要求常常需要挑戰(zhàn)力學(xué)的基本原理與突破現(xiàn)有結(jié)構(gòu)“技術(shù)性”的極限,實(shí)現(xiàn)和拓展建筑設(shè)計的創(chuàng)新空間。這就要求建筑師與結(jié)構(gòu)師密切配合,一起尋求結(jié)構(gòu)體系的可實(shí)施性以及高效合理性,使其“建筑性”與“技術(shù)性”都得到充分發(fā)揮,并能夠完美結(jié)合。2示例分析2.1武漢萬達(dá)廣場2.1.1漢秀案紅燈籠觀演建筑中新的演出形式和演出設(shè)施不斷涌現(xiàn),如專為特定演出劇目打造的秀場和音樂劇場。武漢萬達(dá)秀場就是中國內(nèi)地第一家水秀場,演出內(nèi)容融合當(dāng)?shù)爻h歷史文化精華,采用高科技手段進(jìn)行詮釋(圖1)。其舞臺設(shè)備都是為演出量身定做,因追求震撼的表演效果和感官刺激而變化豐富,技術(shù)極其復(fù)雜,就如同一個工藝先進(jìn)的“演出工廠”,代表了世界表演設(shè)施的最高科技水平。萬達(dá)秀場建筑設(shè)計創(chuàng)意靈感來源于中國傳統(tǒng)“紅燈籠”造型,并采用現(xiàn)代手法與技術(shù)手段進(jìn)行表現(xiàn),以達(dá)到傳統(tǒng)元素與現(xiàn)代技術(shù)的高度融合。紅燈籠造型輕盈剔透的結(jié)構(gòu)美可以通過三層挑高的大堂向上一覽無遺,還能結(jié)合夜景照明完美展示。紅燈籠與裙房屋頂?shù)你暯犹幚硎址ㄉ袼浦袊鴤鹘y(tǒng)建筑屋頂,裙房柱廊的片狀柱壁上雕飾有中國傳統(tǒng)紋樣。漢秀劇場總建筑面積84296m2,其中地上為26880m2,地下為57416m2;建筑高度59.8m,建筑平面直徑110m,主要包括一個2000座的表演廳,廳內(nèi)包括搖擺座席區(qū)、升降座席區(qū)、水舞臺、干舞臺等(圖2~4)。秀場含VIP區(qū)總共約2000個座椅,為世界上第一座采用移動座椅的水秀劇場。在演出開始時座椅處于閉合狀態(tài),在演出過程中結(jié)合節(jié)目的推進(jìn),前部區(qū)域座椅轉(zhuǎn)動打開,后部區(qū)域座椅垂直降下,整體座椅呈現(xiàn)開啟狀態(tài)。圍合在座椅中間的區(qū)域是演出水池,其儲水量相當(dāng)于3~4個奧運(yùn)會標(biāo)準(zhǔn)游泳池,可以完成水面與陸地的瞬時轉(zhuǎn)換(圖5)。水池中設(shè)有水下升降機(jī)及舞臺特效設(shè)備等,系統(tǒng)非常復(fù)雜;舞臺上空設(shè)有吊掛設(shè)備及舞臺燈光等系統(tǒng),完成演員從空中馬道及柵頂降落或飛行等動作;舞臺背景設(shè)有三塊可分可合的移動LED屏幕,通過巨型機(jī)械設(shè)備完成表演動作。舞臺機(jī)械及設(shè)備在控制系統(tǒng)的整體調(diào)控下做到協(xié)調(diào)一致,在空中、水池及地面上全方位地展現(xiàn)水秀演出。2.1.2索結(jié)構(gòu)幕墻體系主體建筑采用鋼框架-鋼筋混凝土多筒體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的核心受力體系為四個鋼筋混凝土筒體及屋蓋鋼桁架,形成“板凳”形結(jié)構(gòu)(圖6)。如圖7主體結(jié)構(gòu)示意圖所示,屋蓋鋼桁架協(xié)調(diào)四個混凝土筒體使之協(xié)同受力,同時吊掛下部格柵層、馬道層等舞臺功能樓層,鋼桁架雙向正交布置,與混凝土筒體通過多個抗震球型支座連接,桁架高度6m,雙向間距6m,桿件采用H型鋼。建筑裙樓采用鋼框架結(jié)構(gòu),樓蓋采用鋼筋桁架樓承板,形成第二層次的受力體系;其中裙樓周邊片狀柱子平面外無支高度達(dá)20m,而受建筑效果限制柱子寬度僅有300mm,結(jié)構(gòu)采用矩形鋼管組成的鋼格構(gòu)柱,柱肢管內(nèi)布置體內(nèi)預(yù)應(yīng)力拉索,利用拉索約束柱子的平面外失穩(wěn);前廳山墻無支高度27m,且承受索結(jié)構(gòu)外幕墻徑向索的拉力,結(jié)構(gòu)采用柱面雙向桁架結(jié)構(gòu)。本工程外皮的造型幕墻模擬中國傳統(tǒng)的紅燈籠造型,在裙樓以上采用了半透空的索結(jié)構(gòu)幕墻,結(jié)合建筑造型及其空間構(gòu)成元素(空間環(huán)、索、主體結(jié)構(gòu)等),結(jié)構(gòu)采用了懸掛輪輻加單層曲面索網(wǎng)體系,其結(jié)構(gòu)構(gòu)型及其主要元素組成如圖8所示。整個索結(jié)構(gòu)幕墻體系可分解為以下6個部分組成,分述如下。塔樓建筑基本形體為直徑110m、高60m的圓柱體。在空間上采用8個與大地夾角約為25°的斜平面去切割該圓柱體裙樓以上的部分,得到8個兩兩互為相交的水平投影直徑為110m圓的空間橢圓。8個橢圓中心點(diǎn)均位于圓柱體中心線上,其中心點(diǎn)標(biāo)高41~42m不等。各橢圓長軸約為60.5~61.2m不等,短軸為55m,橢圓周長為367~370.5m不等,橢圓最高點(diǎn)標(biāo)高約為68m。8個橢圓兩兩相交后形成56個交點(diǎn),56個空間網(wǎng)格(其中頂部、底部各8個三角形網(wǎng)格和中部40個四邊形網(wǎng)格),網(wǎng)格邊長最大的空間長度約為40m。8個橢圓采用直徑650mm的圓鋼管,形成由8個輪輻環(huán)管空間相交的剛性骨架結(jié)構(gòu)(圖9)。(2)徑向索與水平面索的連接根據(jù)建筑視覺效果的要求,將每個橢圓輪輻環(huán)管150等分,等分點(diǎn)與圓柱體中心線上高度為82.75m的點(diǎn)相連,得到每個環(huán)上的150根徑向斜索,整個結(jié)構(gòu)共計1200根(圖10)。所有徑向索端部在空間上匯交于輪輻結(jié)構(gòu)重心線上一點(diǎn),徑向索的內(nèi)端部均錨固到主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件上,由于主體結(jié)構(gòu)的非規(guī)則外形,因此實(shí)際上徑向索在空間上分布長度不等長。從上述原則可知,徑向索與水平面的夾角沿橢圓輪輻環(huán)管下端至上端逐漸減小,底部最大為51°,頂部最小為15°。由于空間傾角及主體結(jié)構(gòu)外形關(guān)系,1200根徑向索的空間長度差別較大,長度約分布在5~30m之間不等,且徑向索采用Φ24Galfan鋼絞線裸索。徑向索作為輪輻環(huán)管結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間的連接,其主要作用有以下幾點(diǎn):1)將輪輻環(huán)管結(jié)構(gòu)懸掛在主體結(jié)構(gòu)上,將管的自重荷載傳給主體結(jié)構(gòu),同時使自身在重力荷載下實(shí)現(xiàn)張緊,實(shí)現(xiàn)被動張拉。2)在單層曲面索網(wǎng)成形施工過程中,與輪輻鋼管結(jié)構(gòu)共同組成曲面索網(wǎng)的內(nèi)部剛性邊界,限制輪輻鋼管結(jié)構(gòu)由于面索的預(yù)張力作用而出現(xiàn)過大變形和屈曲。3)在正常使用階段,在側(cè)向荷載(風(fēng)荷載)下,可靠地將側(cè)向荷載傳給主體結(jié)構(gòu),保證環(huán)管的空間穩(wěn)定性。為了提高幕墻結(jié)構(gòu)在極限風(fēng)荷載下的整體穩(wěn)定承載力,在輪輻環(huán)管中下部交點(diǎn)處布置了34根剛性撐桿,其設(shè)置規(guī)律與徑向索一致,均指向圓柱體中心軸高度82.75m處,撐桿長度分布在5~20.5m不等。長度較短的撐桿采用Φ219圓鋼管,長度較大的撐桿采用兩段式或三段式張力撐,中心鋼管Φ219,體外布置3道預(yù)應(yīng)力拉索(圖11),提高剛性撐桿的穩(wěn)定承載力。(3)空間雙曲桁架輪輻環(huán)管上的徑向索和剛性撐桿通過建筑周邊的剛性附屬結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)連接(圖12)。其中,平面后區(qū)布置空間雙曲鋼環(huán)梁,鋼環(huán)梁則通過牛腿與主體結(jié)構(gòu)柱連接。前廳山墻外布置8榀道空間雙曲桁架,它們相互支撐,并與混凝土筒體及前區(qū)山墻結(jié)構(gòu)連接,每一榀空間雙曲桁架的空間走向與對應(yīng)輪輻環(huán)管上徑向索的走向一致,實(shí)際上是空間圓錐面上的雙曲桁架,同時也是建筑視覺效果的一個重要組成元素。另外,由于上部的斜索終點(diǎn)高于主體結(jié)構(gòu)屋頂,無法錨固到主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件上,因此在主體結(jié)構(gòu)屋頂上設(shè)置一個直徑58m的圓形拉環(huán),拉環(huán)位于屋面以上高度約16m,由與輪輻環(huán)管一一對應(yīng)的八道雙曲鋼箱梁組成,支承在主體結(jié)構(gòu)屋蓋桁架上。(4)設(shè)置保連口不斷增加c由于所有的徑向索和剛性撐桿指向空間同一點(diǎn),使輪輻環(huán)管屬于理論上的瞬動結(jié)構(gòu),因此在輪輻環(huán)管底部和裙樓屋頂交接處設(shè)置了41個連接支座,為整個幕墻結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系提供必要的邊界約束。這些支座同時保證了面層索網(wǎng)張拉時底部輪輻環(huán)管具有充分的結(jié)構(gòu)剛度和承載力。(5)設(shè)計方案結(jié)構(gòu)在由前述8個橢圓輪輻環(huán)管相交形成的56個空間區(qū)格內(nèi),采用單層曲面索網(wǎng)結(jié)構(gòu),每個網(wǎng)格上雙向布索,索間距約1m,索網(wǎng)在張拉預(yù)緊后,自然往里凸,形成接近最小曲面的雙曲拋物面,56片雙向單層索網(wǎng)和輪輻鋼管共同形成整個外形的凹凸。結(jié)構(gòu)采用雙向等軸力索網(wǎng)(圖13),索網(wǎng)間距約1m,采用兩根Φ18Galfan鋼絞線裸索并排布置,索預(yù)張力40kN。(6)透空率的變化面層索網(wǎng)的每個交點(diǎn)上通過不銹鋼索夾布置直徑800mm的圓形鋁合金裝飾碟片,內(nèi)置LED裝飾燈(圖14)。設(shè)置碟片后,整個燈籠幕墻透空率約為50%。整個索幕墻結(jié)構(gòu)體系可概括為:橢圓形輪輻環(huán)管通過徑向斜索和剛性撐桿懸掛在主體結(jié)構(gòu)上,底端與裙樓拉結(jié),單層馬鞍形索網(wǎng)填充在環(huán)管網(wǎng)格中,徑向斜索提供斜向上的拉力,橢圓形輪輻環(huán)管承受環(huán)向壓力,裙樓提供向下的拉力,單層索網(wǎng)為環(huán)管提供豎向面內(nèi)的穩(wěn)定性并形成蒙皮效應(yīng),從而整體形成了張力空間結(jié)構(gòu)。2.2長沙梅溪湖國際文化中心2.2.1設(shè)計特點(diǎn)及特點(diǎn)長沙梅溪湖國際文化藝術(shù)中心主要包括一個1800座的大劇場,一個500座的小劇場(多功能廳),一個當(dāng)代藝術(shù)館,為整個項(xiàng)目配套的零售、餐廳和咖啡廳,以及為以上公共設(shè)施配套的設(shè)備用房、劇務(wù)用房、演出用房、行政用房、停車場等(圖15,16)。本項(xiàng)目基地面積8.8萬m2,總建筑面積12.5萬m2,其中地下建筑面積為5.1萬m2;建筑地下1層,局部3層;地上分三個單體,其中大劇場地上5層,局部8層,建筑總高度52.12m;小劇場地上3層,建筑總高度21.05m;藝術(shù)館地上4層,建筑總高度42.5m。長沙梅溪湖國際文化藝術(shù)中心項(xiàng)目的概念設(shè)計是:為長沙創(chuàng)造出一個全新的,彰顯功能性、優(yōu)雅性和創(chuàng)新性的文化和城市中心。扎哈·哈迪德建筑師事務(wù)所對這個文化藝術(shù)中心的設(shè)計概念是以城市為本,致力創(chuàng)建一個由場地組成的延續(xù)流線網(wǎng)絡(luò)和文化景區(qū),以吸引四方八面的游客。圍繞中心區(qū)域也就是“中心廣場”的組合元素有1800座大劇場、500座小劇場(多功能廳)、當(dāng)代藝術(shù)館、零售、餐館和咖啡廳的設(shè)施,連通性是這個方案的主要特點(diǎn)之一。每棟花瓣形建筑單體均可以通過獨(dú)立的、由不同類型的使用者組織的各種流線進(jìn)出。在這些流線之中,景觀平緩地起伏并塑造出單獨(dú)的入口區(qū)域和室內(nèi)大堂,這種空間處理可以靈活地組織流線,并作為交通匯聚點(diǎn)以確保所有使用者可以到達(dá)(圖17,18)。2.2.2建筑外幕墻材料長沙梅溪湖國際文化藝術(shù)中心建筑造型緣起于“梅花”,每個單體由“梅花”的花瓣衍生而來,大劇場為四片花瓣,藝術(shù)館為三片花瓣,小劇場為一片花瓣,高高低低地散落在梅溪湖畔。選擇恰當(dāng)?shù)耐饽粔Σ牧蠒油怀鼋ㄖ锏娜S形態(tài),三個單體建筑外幕墻材料為GRC(玻璃纖維加強(qiáng)混凝土)板與玻璃的組合,大劇場與藝術(shù)館屋面較為平整的區(qū)域采用鋁單板屋面系統(tǒng)。建筑物的表皮根據(jù)建筑立面的朝向而做出不同的選擇,大面的外墻采用GRC板,以減少在長沙炎熱的夏天對熱量的吸收;玻璃幕墻主要應(yīng)用在露臺、天窗、中庭采光頂及局部外墻等位置。在中庭大面積采光頂?shù)奈恢?建筑幕墻之間適當(dāng)增加遮陽系統(tǒng)以調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的舒適度。2.2.3網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系大劇院內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。外皮結(jié)構(gòu)根據(jù)隨形布置的原則,結(jié)構(gòu)完成面與建筑完成面的距離恒定為1m,在結(jié)構(gòu)允許的條件下,屋蓋鋼構(gòu)及周邊鋼柱隨外皮轉(zhuǎn)折,周邊斜柱與地面的夾角最小僅37°,外皮鋼柱或網(wǎng)殼同時也是主體結(jié)構(gòu)樓蓋的柱,是一個鋼與混凝土高度混合、共同工作的體系,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與建筑的高度統(tǒng)一(圖19)。前廳蜂窩結(jié)構(gòu)是結(jié)合建筑師的造型要求和結(jié)構(gòu)受力合理性融合而成的,結(jié)構(gòu)為雙曲面單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),桿件采用雙向彎扭的箱形截面。網(wǎng)殼頂部設(shè)置箱形鋼環(huán)梁,起到環(huán)箍約束的作用,同時利用11m標(biāo)高的外挑露臺,在樓蓋中設(shè)置水平支撐,局部鋪鋼板,形成水平環(huán)箍;同時利用網(wǎng)殼頂室內(nèi)大跨度連廊將水平拉力傳遞給內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)剪力墻筒體,室內(nèi)連廊采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)。幾部分構(gòu)件相互約束、協(xié)同受力,構(gòu)成了自身穩(wěn)定的具有充分豎向承載和水平抗側(cè)能力的結(jié)構(gòu)體系(圖20)。屋蓋結(jié)構(gòu)采用隨形布置的單層網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)(圖21)。其中四個半橢圓平面的屋蓋類似于肋環(huán)形網(wǎng)殼的布置,徑向與外皮鋼柱對應(yīng)布置徑向主梁,環(huán)向布置次梁,屋面滿堂斜支撐。觀演區(qū)則為雙向正交梁格體系。屋蓋主要受力構(gòu)件采用H型鋼,梁高500~900mm。美術(shù)館采用鋼框架-鋼筋混凝土剪力墻體系,樓蓋采用鋼梁+鋼筋桁架樓承板體系。屋蓋采用隨形彎折的雙向梁格體系,中庭天窗采用雙曲面單層網(wǎng)殼(圖22)。中庭落地拱采用空間桁架