大型固定站雷達(dá)的建筑造型設(shè)計(jì)研究

廖攀攀，滑曉飛，洪肇斌

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，安徽 合肥 230031）

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大型固定站雷達(dá)的建筑造型設(shè)計(jì)研究

廖攀攀，滑曉飛，洪肇斌

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，安徽 合肥 230031）

摘 要：針對(duì)雷達(dá)建筑造型設(shè)計(jì)的重要性，文章結(jié)合國(guó)內(nèi)外典型裝備對(duì)固定站雷達(dá)的建筑造型設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入探討，研究了雷達(dá)建筑的造型與功能，總結(jié)了雷達(dá)建筑造型設(shè)計(jì)的常用方法，展望了雷達(dá)建筑造型設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：固定站雷達(dá)；建筑；造型設(shè)計(jì)

雷達(dá)的類型根據(jù)載體不同可以分為地面雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)、艦載雷達(dá)、彈載雷達(dá)、航天雷達(dá)、氣球載雷達(dá)等。其中地面雷達(dá)按照機(jī)動(dòng)特性又可以分為地面固定站雷達(dá)、車載機(jī)動(dòng)雷達(dá)與單兵攜行雷達(dá)等。大型固定站雷達(dá)從體量、外形、建造等維度上與建筑設(shè)計(jì)具有高度的相似性，如美國(guó)“鋪路爪”（AN/FPS-115）雷達(dá)系統(tǒng)。固定站雷達(dá)建筑（以下簡(jiǎn)稱“雷達(dá)建筑”）作為一種特殊的建筑類型，可以代表一個(gè)國(guó)家的武器裝備設(shè)計(jì)建造能力，對(duì)其進(jìn)行專門的研究顯得尤為重要。本文基于國(guó)內(nèi)外相關(guān)雷達(dá)建筑設(shè)計(jì)案例，對(duì)雷達(dá)建筑功能、造型等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

1　雷達(dá)建筑的外形與功能

雷達(dá)建筑的主要作用是作為雷達(dá)天線與電子設(shè)備的安裝鋪設(shè)載體，承載著雷達(dá)裝備的存儲(chǔ)、安裝、維修以及精度、剛強(qiáng)度、溫濕度等多項(xiàng)指標(biāo)；其內(nèi)部空間還滿足值守人員的工作生活需求。

雷達(dá)建筑除滿足功能需求外，還應(yīng)兼具美觀的造型設(shè)計(jì)。雷達(dá)建筑的造型設(shè)計(jì)主要受限于雷達(dá)天線陣面的安裝形式、系統(tǒng)電子設(shè)備規(guī)模以及其他配套設(shè)施尺寸等因素。縱觀眾多雷達(dá)建筑，平面上主要有矩形、三角形、圓形及以上幾種形式的演變與組合，空間形態(tài)主要以錐體、柱狀、臺(tái)狀、球形、幾何切削為主。

1.1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)裝備的造型解讀

美國(guó)的“鋪路爪”預(yù)警雷達(dá)、俄羅斯“頓河”雷達(dá)、日本FPS-5陸基相控陣?yán)走_(dá)等裝備，是研究雷達(dá)建筑造型設(shè)計(jì)的重要資源。本節(jié)主要對(duì)國(guó)內(nèi)外的幾種典型雷達(dá)建筑造型進(jìn)行解讀（本文約定以雷達(dá)建筑天線安裝面為正面）。

1.1.1 錐形雷達(dá)建筑

通常情況下雷達(dá)天線都與地面成一定角度，這使部分雷達(dá)建筑具備了錐形建筑的特質(zhì)，比如“鋪路爪”雷達(dá)系統(tǒng)的三角錐構(gòu)型，“頓河”雷達(dá)系統(tǒng)四棱臺(tái)造型。

“鋪路爪”雷達(dá)是美國(guó)20世紀(jì)70年代為應(yīng)對(duì)洲際導(dǎo)彈威脅而研制的遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)，其主要用途是擔(dān)負(fù)戰(zhàn)略性防衛(wèi)任務(wù)［1］。其建筑主體呈臺(tái)狀斜面體，高32米。如圖1所示，其整體造型源自四面體，底面為等邊三角形，一個(gè)側(cè)面與地面垂直，另外兩個(gè)側(cè)面呈60度夾角，兩側(cè)面與地面呈70度夾角以滿足天線陣面20度的預(yù)設(shè)仰角。建筑兩個(gè)傾斜側(cè)面呈現(xiàn)出30米 ×30米的矩形供天線陣面安裝，頂部近似一個(gè)邊長(zhǎng)30米的等邊三角形，布置通風(fēng)及避雷設(shè)備。停留在建筑兩側(cè)斜面角落上的維修梯可以橫跨陣面移動(dòng)，維修梯上的工作臺(tái)通過(guò)升降便能接近特定的陣面單元開展作業(yè)。

圖1　“鋪路爪”雷達(dá)主體建筑造型分析

如圖2所示，“鋪路爪”雷達(dá)建筑外表面的淺灰色條紋蒙皮，使得建筑整體造型莊嚴(yán)肅穆又不失科技感、親切感，簡(jiǎn)單的豎向線條使建筑產(chǎn)生飄逸向上的感覺。

圖2　“鋪路爪”雷達(dá)建筑蒙皮

從綠色設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，“鋪路爪”雷達(dá)建筑除了天線安裝面的必要傾斜外，其他面均采用垂直地面或近似垂直地面的設(shè)計(jì)，極大地降低了建筑整體太陽(yáng)輻射［2］，有利于減少系統(tǒng)能耗。

獨(dú)特的外觀使雷達(dá)建筑內(nèi)部空間變得不規(guī)則，通過(guò)功能分區(qū)，將設(shè)備按三角形布置在建筑內(nèi)部多層空間中［3］。內(nèi)部通過(guò)電梯直達(dá)各層，各層分別設(shè)置有會(huì)議室、指揮中心、控制機(jī)房等設(shè)施設(shè)備，實(shí)現(xiàn)空間的合理利用。

“鋪路爪”雷達(dá)建筑與同時(shí)期建筑師貝聿銘設(shè)計(jì)的美國(guó)國(guó)家美術(shù)館東樓都應(yīng)用了三角形作為主體構(gòu)成元素［4］，通過(guò)幾何切削，豐富了造型，探索了建筑設(shè)計(jì)的新形勢(shì)，形成了和諧的視覺效果，破解了現(xiàn)代主義易出現(xiàn)的單調(diào)感和冷漠感，以簡(jiǎn)潔合理的構(gòu)造闡釋了現(xiàn)代主義造型美學(xué)［5］，達(dá)到了建筑、環(huán)境與人的有機(jī)融合。

同樣采用椎體構(gòu)型的還有圖3中的俄羅斯Dunay-3M（北約代號(hào)Dog House）接收天線，其建筑主體可以看作兩個(gè)矩形（122米寬，110米高）搭成的倒扣“V”字，兩個(gè)陣面互為支撐，下半部分采用鏤空結(jié)構(gòu)，外觀造型極其簡(jiǎn)潔精煉。

圖3　Dunay-3M接收天線

圖4為“頓河”雷達(dá)系統(tǒng)，整體采用了四棱臺(tái)結(jié)構(gòu)造型，類似瑪雅文明金字塔的造型為雷達(dá)裝備提供了4個(gè)設(shè)備安裝面。其具備多元特征的造型很好地解決了雷達(dá)裝備安裝需求與建筑形態(tài)之間的平衡。

圖4　頓河雷達(dá)

圖5為網(wǎng)絡(luò)曝光的新型國(guó)產(chǎn)陸基雷達(dá)。其造型截面為三角形。可以看出錐形是滿足雷達(dá)功能和設(shè)備安裝需求的絕佳構(gòu)型方案。

1.1.2 菱柱形雷達(dá)建筑

在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，菱柱形多用在高層和超高層建筑設(shè)計(jì)中，在雷達(dá)建筑中，因?yàn)槠渚邆漭^為平整開闊的平面也是一種比較常見的結(jié)構(gòu)形態(tài)。俄羅斯沃羅涅日-DM雷達(dá)系統(tǒng)采用直筒型建筑形式（工廠預(yù)制的模塊化鋼骨架結(jié)合建筑蒙皮），與同時(shí)期的其他固定站雷達(dá)裝備（如Hen house、Dog house、Cat house等）采用錐形斜面構(gòu)型有明顯的區(qū)別，如圖6所示。日本FPS-5陸基相控陣?yán)走_(dá)則采用了六菱柱形態(tài)，在三個(gè)較大的側(cè)面安裝天線系統(tǒng)與天線罩，其形態(tài)如同龜殼，也被稱為“龜甲雷達(dá)”。如圖7所示，日本FPS-5雷達(dá)底部還設(shè)置有輪軌，因?yàn)橹谓ㄖ邆漭^好的力學(xué)穩(wěn)定性，整機(jī)系統(tǒng)雖然體型龐大，也可以非常平穩(wěn)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)空域的全覆蓋，這是其他造型的雷達(dá)建筑所不具備的特點(diǎn)之一。

圖5　網(wǎng)絡(luò)曝光的國(guó)產(chǎn)固定站雷達(dá)

圖6　沃羅涅日-DM

圖7　日本FPS-5雷達(dá)

1.1.3 其他雷達(dá)建筑形態(tài)

還有部分固定站雷達(dá)采用了復(fù)形幾何構(gòu)型，如建筑基座配合球形天線罩的構(gòu)型，鋼筋網(wǎng)架、骨架結(jié)構(gòu)等造型樣式。

圖8所示的DYE-3［7］位于格陵蘭島。由于該雷達(dá)站點(diǎn)降雪量達(dá)到3～4英尺，而且伴有強(qiáng)風(fēng)，美軍對(duì)其進(jìn)行了架高。其外形以一棟純黑色建筑為基礎(chǔ)，在其三個(gè)側(cè)面與頂部共安裝了4套雷達(dá)天線系統(tǒng)。黑色外觀解決了冰原地區(qū)的視覺引導(dǎo)問(wèn)題，也滿足冰原地區(qū)接收太陽(yáng)輻射與保溫的需求，同時(shí)使整體外形顯得堅(jiān)固、威嚴(yán)。

圖8　格陵蘭島上的DYE-3

2　適用于雷達(dá)建筑的造型設(shè)計(jì)方法

無(wú)論是主觀原因還是客觀需求，雷達(dá)建筑都需要極強(qiáng)的造型形態(tài)設(shè)計(jì)。一般有以下幾種辦法。第一種是幾何形態(tài)法。由最簡(jiǎn)單的幾何形體例如球、筒、錐開始，通過(guò)切割、傾斜、扭轉(zhuǎn)或組合等方式得出各種形態(tài)，結(jié)合質(zhì)感、色彩等美學(xué)元素以及裝備需求挑選出理想的造型，如圖9所示。

第二種是符號(hào)學(xué)方法。從歷史和傳統(tǒng)中選取典型的建筑形式和元素，并對(duì)其進(jìn)行變化、組合、重構(gòu)以獲得新的建筑構(gòu)造形式。

第三種是仿生形態(tài)設(shè)計(jì)。從豐富多彩的生物界尋找可以應(yīng)用到建筑設(shè)計(jì)的原型。通過(guò)結(jié)構(gòu)仿生、形式仿生和功能仿生來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑形態(tài)的設(shè)計(jì)。

第四種是力學(xué)形態(tài)設(shè)計(jì)法。基于力學(xué)特性，采用理論力學(xué)、有限元分析、拓?fù)鋬?yōu)化等手段，對(duì)形態(tài)進(jìn)行分析、校正，最后得出滿足功能需求、可以平衡形狀與各種荷載關(guān)系的形態(tài)。

以上幾種方式是建筑形態(tài)設(shè)計(jì)的基本構(gòu)思方式，在實(shí)際設(shè)計(jì)構(gòu)思過(guò)程中常常混合使用。由于第四種方式涉及較專業(yè)的學(xué)術(shù)領(lǐng)域，對(duì)設(shè)計(jì)師而言不容易把握，一般會(huì)選擇可操作性較強(qiáng)的前幾種方法。

圖9　幾何設(shè)計(jì)方法的造型變化生成

3　結(jié)語(yǔ)

隨著時(shí)代的發(fā)展，只注重功能而忽略形式的建筑設(shè)計(jì)已不能滿足人們的審美標(biāo)準(zhǔn)，人們對(duì)建筑的形式提出了更高的要求。隨著技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)建筑的設(shè)計(jì)將不再局限于簡(jiǎn)單幾何形態(tài)的變化組合，借助柔性天線、共形天線、智能蒙皮等天線技術(shù)的突破，雷達(dá)建筑的外形也可以獲得更多的可能性與創(chuàng)造性。也許有朝一日，像扎哈·哈迪德所持的激進(jìn)前衛(wèi)設(shè)計(jì)理念，像廣州歌劇院一樣夸張的造型設(shè)計(jì)也會(huì)出現(xiàn)在雷達(dá)裝備建筑的設(shè)計(jì)中。

［參考文獻(xiàn)］

［1］南京電子技術(shù)研究所.世界地面雷達(dá)手冊(cè)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

［2］李嘯川.錐形建筑現(xiàn)象及其意義［J］.室內(nèi)設(shè)計(jì)，2011（4）：14-16.

［3］CONNELL O，PAVEPAWS J. Early Warning Radar Operation Cape Cod Air Force Station，MA.Record of Decision［J］. Deputy Assistant Secretary（Air Force）Energy Environment Safety and Occupational Washington DC，2009（6）：73-75.

［4］張倩，徐雷，孫琦.建筑、空間與幾何形態(tài)［J］.藝術(shù)探索，2011（2）：108-110.

［5］曹昊，貝聿銘.建筑設(shè)計(jì)中三角形符號(hào)的文化探索［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（6）：141-143.

Research on the Architectural Modeling Design of Large Scale Fixed Station Radar

Liao Panpan ，Hua Xiaofei，Hong Zhaobin
（The 38th Research Institute of CETC，Hefei，230031，China）

Abstract:Aiming at the importance of radar architectural’s modeling design，the paper made a deep exploration on the architecture modeling design of fixed station radar，combining with typical equipment at home and abroad. And the radar architecture’s form and function were studied，the common method of radar architecture form design was summarized and the trend of radar architecture form design was prospected.

Key words:fixed station radar；architecture；modeling design

作者簡(jiǎn)介：廖攀攀（1987-），男，四川安岳，助理工程師；研究方向：雷達(dá)裝備設(shè)計(jì)。