以上海天文館為例淺析天文館建筑特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張權(quán)赫

摘 要：天文館是激發(fā)人類(lèi)對(duì)宇宙奧秘探索的重要鑰匙，而每個(gè)地區(qū)的天文館都有其不同之處。為向大眾普及天文相關(guān)知識(shí)，突顯我國(guó)天文學(xué)特色，全新規(guī)劃打造的上海天文館的場(chǎng)館建設(shè)工作已完成。 因此我們?cè)跍\析天文館的建筑特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，對(duì)于上海天文館的建筑背景，獨(dú)到的理念和特殊結(jié)構(gòu)，以及對(duì)復(fù)雜部分的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：天文館;跨度殼體結(jié)構(gòu);建筑展示;抗震技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU352.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）06-0251-02

1天文館的研究意義及現(xiàn)狀

1.1 天文館研究意義

長(zhǎng)久以來(lái)，中國(guó)只有一個(gè)北京天文館，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足中國(guó)人對(duì)了解宇宙奧秘的需求。天文館的建造意義在于它可以擬現(xiàn)地球以外的空間和人類(lèi)對(duì)太空的探索歷程，激發(fā)出每一個(gè)人對(duì)宇宙的好奇和對(duì)天文的喜愛(ài)。為完善我國(guó)對(duì)天文學(xué)相關(guān)知識(shí)的展示及科普功能，經(jīng)過(guò)兩年多的努力，以“塑造全面的宇宙觀”為愿景，以“激發(fā)人們好奇心”為使命，為使我們更加了解宇宙的形態(tài)為目的而打造的上海天文館目前已完成建設(shè)工作[1]。天文館是一類(lèi)特別的科普展示場(chǎng)所，它將再現(xiàn)深邃的星空，展現(xiàn)神秘的宇宙世界，帶領(lǐng)我們走進(jìn)一片星辰中。因此為建設(shè)體驗(yàn)感、功能性俱佳的展館，有必要對(duì)天文館的設(shè)計(jì)和構(gòu)造進(jìn)行分析與研究。

1.2 國(guó)內(nèi)外天文館建設(shè)現(xiàn)狀

我國(guó)有許多天文科普?qǐng)鏊缣旖蚩萍拣^、上海科技館等設(shè)置了天文體驗(yàn)專(zhuān)區(qū)。北京天文館是我國(guó)第一座亦是目前唯一的大型天文專(zhuān)題展覽場(chǎng)所，由此可見(jiàn)上海天文館的建設(shè)可以進(jìn)一步完善我國(guó)天文科普領(lǐng)域的工作。為了獲得更好的太空模擬效果，打造出還原度更高的天體影像，天文館通常將屋頂結(jié)構(gòu)作為大型展示區(qū)域。在場(chǎng)館建筑設(shè)計(jì)方面，上海科技館使用了半圓環(huán)形平面及橢圓玻璃球體中庭等特殊構(gòu)造[2]。而國(guó)外也有許多天文館，如伽利略天文館的場(chǎng)館造型是將等邊三角形作為設(shè)計(jì)單元，通過(guò)局部與整體的關(guān)系體現(xiàn)再生設(shè)計(jì)的理念;海登天文館中使用了直徑為21米的大球作為結(jié)構(gòu)主體。

因使用功能不同，大型場(chǎng)館在建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面上也有著顯著的差異。本文將淺談現(xiàn)有天文館的特點(diǎn)，并對(duì)在2021年將要開(kāi)放的上海天文館進(jìn)行著重分析。

2天文館建造特點(diǎn)

2.1 天文館特殊構(gòu)造

天文館是可以讓人們能夠接觸到星海的最近之地。雖然在每個(gè)國(guó)家，每個(gè)地區(qū)的天文館都有所不同，但他們卻也有著相同的地方。上海天文館的球幕影院，海登天文館的直徑21米的大球，天津科技館的穹頂顯示屏以及上海科技館的橢圓玻璃球體中庭。幾乎每個(gè)天文館都有一個(gè)“大球”，用來(lái)擬作一片天空或一幕影像，使我們可以在陸地上便能感受到浩渺的星河。

2.2 大跨度結(jié)構(gòu)

在每個(gè)天文館中幾乎都能看到一片大跨度屋頂，大跨度屋頂由于使用材料與構(gòu)造形式的不同可以被分為由桿件連接而成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，由網(wǎng)架體系結(jié)合殼體造型而形成的空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)曲面效果的輕型膜結(jié)構(gòu)等[3]。使用大跨度結(jié)構(gòu)不僅可使建筑物造型更加美觀，也可通過(guò)節(jié)省施工材料等方式使工程建設(shè)更加經(jīng)濟(jì)合理。

許多大跨度建筑都選用了殼體結(jié)構(gòu)，如榮獲魯班獎(jiǎng)的國(guó)家大劇院，便使用呈橢圓狀的鋼結(jié)構(gòu)殼體。因?yàn)闅んw結(jié)構(gòu)可做成大部分形狀因此廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工程中，如大跨度建筑物屋頂、中小跨度屋面板、特殊建筑。而且這類(lèi)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)大跨度的覆蓋空間卻不需要設(shè)置支架，所以它能夠大幅度的減少材料的使用。殼體結(jié)構(gòu)也有許多種類(lèi)，例如網(wǎng)架結(jié)構(gòu)：它可以實(shí)現(xiàn)空間工作，簡(jiǎn)化傳力途徑。建設(shè)于08年北京奧運(yùn)會(huì)的國(guó)家體育館采用了雙向張弦空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)[4]。

3上海天文館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 工程概況

上海天文館位于浦東新區(qū)，用地占5.86公頃，建筑高達(dá)23.95米，總建筑面積約3.8萬(wàn)平方米。建筑總層數(shù)為四層，其中地上三層，地下一層。上海天文館項(xiàng)目除主題場(chǎng)館外，另設(shè)置了天文臺(tái)等三個(gè)附屬建筑以完善園區(qū)功能[5]。為更好的再現(xiàn)宇宙實(shí)景，上海天文館利用鋼結(jié)構(gòu)球體網(wǎng)殼打造了一個(gè)巨型球幕影院，其中球體的曲殼區(qū)域部分最大距離達(dá)11.8米，墻厚500毫米[6]。上海天文館作為中國(guó)第二個(gè)天文館，在完工后即將成為目前世界建筑面積最大的天文展示場(chǎng)所。

3.2 技術(shù)創(chuàng)新

上海天文館的雙曲面殼體混凝土結(jié)構(gòu)，頂部通過(guò)六個(gè)牛腿來(lái)支撐一個(gè)直徑為29米的球體來(lái)造成一個(gè)懸浮球體的效果。上海天文館有三個(gè)方案來(lái)對(duì)曲殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工：其一是使用定制異性鋼模板，其二是使用彎曲塑料模板，其三是使用拼接木模板。因其殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)的構(gòu)件設(shè)計(jì)要求如內(nèi)梁，跨度，排架凈高等均超過(guò)一定數(shù)額因此成為了施工難度較大的工程。從而上海天文館在三個(gè)施工方案中選取了雖周期較長(zhǎng)但操作簡(jiǎn)單便于修改的拼接木模板方案，同時(shí)在施工過(guò)程中使用BIM技術(shù)來(lái)減少誤差[6，7]。

3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上海天文館的球型劇場(chǎng)是由球體和底座兩部分組成。其中球體的選型采用了鋼結(jié)構(gòu)的單層網(wǎng)殼設(shè)計(jì)，而承托殼體的底座部分則選用了混凝土材料進(jìn)行施工。劇場(chǎng)里面的觀眾坐席選擇了鋼梁作為主要承重構(gòu)件。為不影響劇場(chǎng)模擬太空的展示效果以及觀眾的浸入體驗(yàn)感，上海天文館殼體結(jié)構(gòu)的加勁肋設(shè)置在結(jié)構(gòu)的外表面，同時(shí)還可達(dá)到降低混凝土結(jié)構(gòu)的重量及厚度的目的。

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，球體與網(wǎng)架之間的支架由于重量，結(jié)構(gòu)的原因，撓跨比需小于1/400。通過(guò)比較剛性連接與鉸性連接的撓跨比模擬數(shù)值可知，為滿足設(shè)計(jì)需求，球體與混凝土殼體之間的支座應(yīng)選用剛性連接的方式。通過(guò)計(jì)算軟件，將1.5倍的設(shè)計(jì)值模擬為實(shí)際荷載工況，得出各節(jié)點(diǎn)的連接處仍保持彈性的狀態(tài)。所以，連接懸浮球體與下部殼體之間的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造是可靠的[5]。

3.2.2 抗震技術(shù)

根據(jù)抗震技術(shù)規(guī)范要求以及上海天文館工程所采取的特殊構(gòu)造，在抗震技術(shù)方面需要達(dá)到以下兩點(diǎn)性能目標(biāo)：一是滿足罕遇地震下的構(gòu)件彈性狀態(tài)。根據(jù)相關(guān)模擬數(shù)據(jù)可知，在大震情況下，對(duì)結(jié)構(gòu)筒體及桁架進(jìn)行彈塑性分析。其中懸挑區(qū)的鋼桁架結(jié)構(gòu)滿足要求呈彈性狀態(tài)，而混凝土與鋼結(jié)構(gòu)連接的區(qū)域僅有局部應(yīng)力損傷。對(duì)該損傷區(qū)域內(nèi)的鋼筋進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，加密布置后的結(jié)構(gòu)筒體在罕遇地震作用下可以呈彈性狀態(tài)。二是達(dá)到中震彈性，罕遇地震不屈服的要求。主要構(gòu)件如桁架、網(wǎng)殼、步道等應(yīng)實(shí)現(xiàn)上述抗震目標(biāo)。上海天文館建筑抗震設(shè)計(jì)的整體計(jì)算使用MADS和SAP2000軟件。為確保樓板的抗震性能，需要對(duì)其模擬中震作用下的應(yīng)力分析。為保證結(jié)構(gòu)的正常使用，需要對(duì)于球幕影院，大懸挑及穹頂及等重要構(gòu)件分別進(jìn)行模擬討論[8]。

4上海天文館建筑特點(diǎn)

4.1 建筑設(shè)計(jì)背景

上海市天文館項(xiàng)目的負(fù)責(zé)團(tuán)隊(duì)于2012年完成了對(duì)展館的策劃、場(chǎng)地考察及項(xiàng)目研究工作。經(jīng)過(guò)2年的時(shí)間，天文館項(xiàng)目的建筑設(shè)計(jì)最終確定，該方案充分體現(xiàn)了三體系統(tǒng)，即地球，太陽(yáng)與月亮的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律。建筑的外輪廓與外部的人行通道以橢圓線條來(lái)比擬行星在運(yùn)行時(shí)的軌跡。建筑的倒置穹頂?shù)奶厥庠O(shè)計(jì)更是點(diǎn)睛之筆，隱藏地平線的視角及走道的朝向都將體驗(yàn)者深入體驗(yàn)宇宙的奧秘。由建筑物本身打造的體驗(yàn)場(chǎng)景，如圓孔天窗，巨型球幕與自然光合作而形成的投影無(wú)一不在與天文學(xué)的知識(shí)呼應(yīng)。目前已實(shí)現(xiàn)整體建筑竣工，場(chǎng)館預(yù)計(jì)于2021年擇期開(kāi)放[1]。

4.2 建筑設(shè)計(jì)特點(diǎn)

上海天文館為將建筑設(shè)計(jì)與天文學(xué)展示相結(jié)合而采用的設(shè)計(jì)可大致分為五個(gè)方面：四時(shí)天象的體驗(yàn)、日晷的建筑表達(dá)、天體運(yùn)行軌道的擬化、不同天體的對(duì)比、中國(guó)古代天文儀器的介紹[9]。

四時(shí)天象與倒轉(zhuǎn)穹頂?shù)慕Y(jié)合，通過(guò)將其余干擾降至最低的方式，使游客將注意力大幅度的集中在天空中，從早上到午夜，人們都可以不受干擾地觀察天空。由于室內(nèi)的投影星空也使原本有限的空間，與倒轉(zhuǎn)穹頂?shù)慕Y(jié)合變?yōu)榱藷o(wú)垠的星空，因此觀眾可在天文館中不僅能體驗(yàn)天空的魅力也能穿梭于星辰之間感受宇宙的浪漫。

日晷的建筑表達(dá)形式，利用場(chǎng)館圓孔天窗的洞孔傾斜角對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)的日照角度，日光透過(guò)圓洞在下方與池塘形成的倒影，可以表達(dá)年與天的光學(xué)示圖。“圓洞”既建筑形式的日晷，甚至可以表明月相。

將內(nèi)坡道的走向與天體運(yùn)行的軌跡相結(jié)合，使建筑設(shè)計(jì)與天文原理相呼應(yīng)，以此來(lái)融入天文概念。軌道與引力的設(shè)計(jì)理念不僅使建筑外觀更加美觀，還使游客可以在天文館中游玩時(shí)感到動(dòng)態(tài)感。

5結(jié)論

上海天文館在建造時(shí)使用的雙曲面殼體混凝土結(jié)構(gòu)，不僅可以減少建筑材料，還達(dá)到了建筑更加美觀的目標(biāo)。在上海天文館的抗震設(shè)計(jì)中，使用了數(shù)值模擬的方法來(lái)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案，以此保證結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)安全性能。上海天文館將建筑設(shè)計(jì)方案與展示功能相結(jié)合，使得觀眾在進(jìn)入場(chǎng)館的同時(shí)就好像進(jìn)入宇宙一般。因此上海天文館作為我國(guó)第二個(gè)天文館，不僅在技術(shù)上使用了多處創(chuàng)新點(diǎn)，更在設(shè)計(jì)理念上貼近了宇宙的主題。

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