拉膜結構在文化遺址保護設計中的應用

于建勛

（山西鼎隆建筑裝飾工程有限公司，山西 太原 030006）

1 引言

標題中提到的兩種元素，一新一舊，一實一虛，看似沒有什么聯系，但是就在一次翻看雜志的時候，極其偶然的看到一篇介紹索膜結構建筑的文章，它的開篇是這樣寫的：“最早的索膜建筑是遠古時代人類居住的帳篷，……?！边h古時期文化的典型代表——半坡文化遺址的保護與規劃嗎？因此，一個關于半坡遺址保護廳建筑設計論文的想法由此而生。

2 造型與結構概念

類錐型懸鏈面單元是空間張力膜結構的基本形體體系單位，現代膜工程的開拓者德國學者奧托早期用實驗方法把皂泡膜原理應用到膜面結構找形分析中。它依據的原理是，皂泡膜中任一點對任意軸的拉應力都相等，也就是說，皂泡膜構成的空間曲面是等力極小曲面。

膜結構：輕柔的特性造就獨有的非直線設計；雙向張力+鋼索實現大跨度、大空間；揮灑建筑師藝術表達自由、展示結構師超凡實力……。膜結構可以從根本克服傳統結構在大跨度（無支撐）建筑上實現所遇到的困難，可創造巨大的無遮擋可視空間，有效增加空間使用面積。

而遺址保護大廳的一個特點就是需要對遺址的絕對保護。對于半坡近3000 m2的展示面積，就需要設計大跨度無柱的空間。這樣既保證了展示空間的完整和視覺的干凈，還確保了對遺址的最小破壞。本方案通過比較，選擇了主桁架加穩定斜撐的結構方案，每跨跨度為48 m，斜撐長度為25 m，均為桁架結構。這樣總共只需基礎7處（外加4處索栓掛點），大大減少了對遺址的影響。在梯形的主桁架上立格構式鋼柱，在柱上掛索，索上覆膜。這樣，膜材本身就承受活荷載，包括風壓、溫度應力等，膜既是覆蓋物，亦是結構的一部分。

3 題目背景

西安半坡遺址位于西安市東郊 河東岸，是黃河中下游流域一個典型的新石器時代史前文化人類聚落遺址，距今6000多年。1953年，中國科學院考古所發現了半坡遺址，出土了大量珍貴的陶、石、骨質工具、用具與藝術品，還發現了數百座房屋、窯穴、陶窯、圍溝、墓葬等遺跡。它的發現再現了中華民族在黃河流域生活、繁衍、奮斗、發展的歷史，對認識關中地區乃至黃河流域的原始聚居文化以及半坡類型與其他類型仰韶文化的關系，具有關鍵性的意義。

在考古工作基礎上，1958年國家文物部門建立了西安半坡博物館，這是中國乃至亞洲第一座遺址博物館。博物館建館40余年，接待游客超過2000萬人次，是我國重要的歷史博物館和100個愛國主義教育示范基地之一。

經過長達半個多世紀的考古和歷史研究，一方面人們對半坡遺址的認識有了長足的進步，文化遺產保護理論也趨于成熟；另一方面，半坡博物館周邊環境也發生了巨大的變化。時代和城市對半坡遺址的保護和利用都提出了更高的要求和挑戰，為此，陜西省文物局、西安市政府和半坡博物館提出重新制定半坡遺址保護規劃，建設半坡遺址公園，改造和重建半坡遺址保護大廳（圖1）。

圖1

4 設計要求

4.1 館址的無選擇性

遺址博物館是社會文化教育單位之一。遺址及遺址出土的文物、遺跡、展品是遺址博物館的主要內容。而根據《文物法》對土遺址的要求，應該采取原址保護的方式。遺址的陳列、展示大廳也只能建筑在遺址的當地，即“因址建館”。

4.2 要求環境的適應性

遺址博物館建筑在遺址原來的位置上。其原來區域上的文化內涵必然豐富。對遺址博物館來說，要求周圍環境不改變或與遺址原來的環境相近似這一點，較其他類型的博物館要嚴格得多，應該盡可能地保持遺址的原有風貌。

4.3 建筑形式受遺址的制約性

遺址博物館一般具有斷代性和專題性，對建筑形式的要求也具有特殊性。博物館的建筑形式，要求符合該遺址的專題文化內涵。一方面，它的建筑規模必須受遺址規模的制約。館的大小要由遺址的面積決定。另外，從建筑形式上，也必須能反映遺址的文化特征。因此，建筑設計必須依據遺址的規模、數量、形式及本質的文化特征來考慮形式設計的要求。

由于遺址保護的特殊性，對遺址保護建筑也提出了特殊的要求：①遺址保護建筑必須與遺址當地的自然面貌與人文特征相結合，成為遺址當地的一處人文景觀。②保護建筑是直接建立在遺址上的，使建筑設計、建筑施工的過程中，必須考慮到對遺址及遺址中的文物、遺跡的保護。遺址上的建筑面積、平面構圖必須依遺址的形狀為標準，而且要超過遺址的面積，使遺址全部都能包容在建筑下。

5 保護文物場所設計要求

半坡遺址出土了大量的屋址、柱洞、窖穴、圍溝等不可移動的土遺址，按照《文物法》的要求，應該采取原址保護的方式。在所探明的遺址范圍中現在僅僅展示了西部將近3000 m2的范圍，針對這3000 m2的揭露展示，必須是在保證遺址本身的完整性和真實性的基礎上的。這就要求保護大廳的建筑基礎不能落在古遺址的文化層上；為了不破壞遺址的原貌，應使用可以還原的結構、材料形式；保護廳的建筑在滿足常規建筑防火、疏散等要求的基礎上，還要考慮針對土遺址的溫濕度和防風化等影響的設計問題。

圖2

膜材具有較好的阻燃和耐高溫性能，可以很好地滿足防火要求。而針對土遺址的防火措施則不能像一般建筑那樣采用噴淋等有水作業，因為這樣會對遺址造成不可挽回的破壞。因此，只能使用干粉滅火器或泡漠滅火器。

對遺址大廳的設計，必須設置前廳或者過廳，一是減緩外界環境的突變對遺址造成的破壞，再者也是凈化參觀游人和參觀環境的必要空間。遺址保護廳的內部應保證溫濕度的控制，防止溫度冷熱變化使遺址開裂、脫落等現象。

6 設計過程

設計的本質在于它具有個性的發展過程，“Work in Progress”這個源于英語的概念意旨：為實現最初目標所進行的一系列分析，推敲及完善工作。

蛹吐絲形成繭子，最后變成蝴蝶的現象給人們這樣的啟示，一個自然而精美的形態總是在經過一系列的演變后得以形成的。

與此同時，2018年我國天然氣市場化改革快速推進。2018年4月，國家發改委、能源局出臺《關于加快儲氣設施建設和完善儲氣調峰輔助服務市場機制的意見》；5月，國家發改委出臺《關于理順居民用氣門站價格的通知》，天然氣定價機制進一步向市場化邁進；同月，國家發改委出臺《關于統籌規劃做好儲氣設施建設運行的通知》，我國天然氣管網改革加速。

40多年前由蘇聯專家協助設計建造的保護大廳反映了當時的建筑風格和生活狀況。21世紀的今天人們嘗試一個突破：自然形態與功能的完美結合，尋求一種從內容到形式都有別于常規的保護建筑形式——使用拉膜結構，（圖2）全新闡釋半坡文化的歷史風貌。為了這個不同尋常的設想，筆者查閱了相關的資料，甚至向膜結構設計公司咨詢、索要資料。幸運的是通過各方面的支持，使筆者堅持做了下來。通過制作模型和電腦建模，使筆者更加認定了它的可行性。在這里，保護建筑、生態與技術得到了充分的揉和，它不只是個保護大廳，更將作為21世紀人們對遠古文化的全新詮釋。

圖3 設計草圖

6.1 承上啟下的設計

走在遺址大廳里，在昏暗的燈光下觀看遺址，那大大小小的柱洞、屋址仿佛在演出一幕先民日出而作，日落而息的場景。通過考古復原，人們可以看到當時的房屋的形象，有的是雙坡屋頂的，有的是四坡屋頂的，可以想象當時圍溝內“帳篷”成群的景象?，F在的半坡遺址博物館的大門的造型就是取自“木骨泥墻”的半坡房屋的造型。

在新的世紀里應該使用新的建筑形式，而膜結構建筑正好可以充分滿足需要。膜結構中的“類錐型懸鏈面單元（帳篷膜單元）”是本次方案設計的最佳選擇形式。它是由懸鏈線繞中心軸旋圍合而構成的空間曲面，俗稱帳篷膜單元。帳篷是人類早期用獸皮（膜）為材料構筑的建筑空間，現代索膜結構延用并發展了它的構筑模式。

圖4呈現在人們面前的將是一個“大帳篷”，最高點為14m，東、西兩廳上空各起一個膜構屋頂，屋脊處各起兩個峰，一高一低，成三角狀向內聚合，這樣使兩個屋頂既是獨立的兩個部分，也可以構成形式上的完整、統一。屋頂的正對兩腳落地，這樣，屋頂就不是單純的屋頂了，它還充當了立面的效果。整個膜結構屋頂以白色為主，圍合部分選擇土地的顏色，深沉而穩重，幾乎可以與地面相揉和。在楊柳的襯托下，你可以說它就是“半坡村”的一個大房子，位于村落的中央，每當有重大事情時，村民都會聚集在這里。你也可以說它像一個未完成的考古工地的臨時帳篷，考古工作者還在里頭發掘研究。你還可以說它就像一把撐開的大傘，為遺址遮風避雨。它的造型為每一個看到它的人提供了寬闊的想象空間，同時，它也的滿足了半坡歷史信息的延續。

圖4

6.2 生態與節能

當我們在進行項目設計的時候，應該考慮到如何讓我們的環境更人性化，更加的生態。無論從設計上還是技術上，膜結構可以提供一個非常生態的建筑形式。

采用雙層膜結構，在兩層膜結構之間形成空氣層，帽頂留有通氣孔（圖5），這樣，通過風壓和熱壓的作用產生空氣流動，帶走熱量，減小人工控溫的能源消耗。另外，它的材質是織物材料，有很好的透光性和較高的反射性及較低的光吸收率，并且熱傳導性較低，這極大程度上阻止了太陽能進入室內。

膜材的半透明性保證了適當的自然漫散射光照明室內。膜材的透光率通常為20%，且能反射掉95%的太陽能熱量，故既能節約室內照明用電，又能保證室內溫度適宜，非常符合節能要求。如果夜晚反打燈光，整個膜結構呈透明狀，非常醒目。

膜材還具有自潔性。其表面加涂的防護涂層具有耐高溫的特點，而且本身不發黏，這樣落到膜材表面的灰塵可以靠雨水的自然沖洗而達到自潔的效果。

圖5

7 結束語

拉膜結構設計已有數10年的歷史，是設計師發揮想象力重要的材料和建筑形式，被譽為“夢幻材料”。目前，膜結構90%都是公共建筑。在公園、體育場館、車站、機場、港口、展覽中心、路橋收費站、停車場、加油站、戶外公共環境等場所，都有膜結構工程的身影，膜結構建筑往往都成為城市、建筑群體的視覺中心點。膜結構獨特而富有美感的形體、舒展的空間和親和力，一直受到公眾的贊賞。目前，在全球，拉膜建筑無論在工程還是在科研領域都處于熱潮中。索膜建筑功能的多樣化和使用領域的不斷擴展，結構跨度或高度不斷增大，使索膜結構體系成為標志性建筑。由于材料科學的迅速發展，新的優質建筑膜材不斷出現，再加上膜結構特有的柔順曲面、廣闊空間、半透明的室內環境，使得膜結構具有廣闊的發展前景。在追求自然和環保的今天，拉膜結構設計正悄然走進人們的生活。