淺談蘇州灣文化中心項(xiàng)目的“飄帶”設(shè)計(jì)

錢青

摘 要 蘇州灣文化中心項(xiàng)目始于2013年中，通過激烈的方案競爭，最終由法國著名建筑師、普利茲克建筑獎得主包贊巴克先生勝出。這座建筑由兩條在空中交織的金屬“飄帶”統(tǒng)領(lǐng)，把位于中軸線兩側(cè)、相隔100米的大劇院與博覽中心連成一體。它西濱太湖，東接太湖新城中央商務(wù)區(qū)，坐落于新城的東西中軸線的西端點(diǎn)，總占地面積約9公頃。文化中心北端的大劇院主要包括1600座的大劇院、600座的多功能廳、7個(gè)廳和1個(gè)IMAX廳電影院；南端的博覽中心主要包括一個(gè)24000平方米的博物館、一個(gè)18000平方米的展覽中心、一個(gè)14000平方米的會議中心；建筑地下共二層，可提供750個(gè)停車位和14000平方米的配套商業(yè)體。

關(guān)鍵詞 鋼結(jié)構(gòu)；大跨度；空間桁架；BIM模型

引言

“…一眼望去，整座建筑最具標(biāo)志性的便是它的兩條金屬帶飾。它們?nèi)缤陲L(fēng)中或水中交織起伏的絲綢飄帶；它們是大劇院的屋頂，同時(shí)又是博覽中心的側(cè)壁，就這樣把原本位于中軸線兩側(cè)、相隔100米的大劇院與博覽中心連成一體 …… 帶飾起伏的曲面一氣呵成，足以讓習(xí)慣于簡單規(guī)則線條的觀者入迷——這是通過三維桁架體體系實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)造型，看起來卻自然而然不帶人工斧鑿的痕跡，所喚起的敬意或使人認(rèn)同起高迪的話：直線屬于人類，曲線屬于上帝。讓人吃驚的是，這看似柔弱的、沒有立足平面的帶飾，在大劇院與博覽中心屋頂之間，恰恰還充當(dāng)著橋梁和觀景臺。上面設(shè)有步行道——人們可以由大廳內(nèi)電梯直達(dá)，或從外部坡道攀登，行走于飄帶之上，一覽三萬六千頃太湖的壯麗或是城市中軸線兩邊的新城風(fēng)光，自有一番陶醉的情境…” 這是媒體對文化中心的動人描述，揭示了方案的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)者的良苦用心，看起來詩情畫意，但實(shí)施起來卻是讓所有的參與者煞費(fèi)苦心。

北側(cè)大劇院部分為鋼筋混凝土現(xiàn)澆的大劇場和多功能廳，其余為鋼結(jié)構(gòu)；南側(cè)的博物館和會議中心為鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，規(guī)劃展示館為鋼結(jié)構(gòu)；東西兩側(cè)的飄帶為空間鋼桁架。項(xiàng)目于2016年9月正式動工，預(yù)計(jì)2019年底完成并投入使用，截至2018年初，土建及鋼結(jié)構(gòu)基本完成施工，其中難度最大的空間彎扭管桁架鋼結(jié)構(gòu)飄帶也順利實(shí)現(xiàn)合攏。

在設(shè)計(jì)伊始，這兩段跨度將近200米的“飄帶”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給建筑師帶來了很大的挑戰(zhàn)，他們聘請了國際知名的ARUP工程顧問公司，希望能以一種輕薄的結(jié)構(gòu)方式來實(shí)現(xiàn)“飄帶”的建筑要求，且其在兩棟建筑之間需要連續(xù)，沒有伸縮縫，并且在上飄帶的中間有一段人行天橋?qū)⒛媳苯ㄖ?lián)系起來。對于建筑師的要求ARUP公司的解決方案是：根據(jù)“飄帶”的造型和流線采用三維桁架體系來實(shí)現(xiàn)建筑外形，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用Q345和Q390鋼材，結(jié)構(gòu)體系主要包括采用開口截面構(gòu)成的三角桁架和圓鋼管鋼支撐構(gòu)件，這種結(jié)構(gòu)體系主要的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)件制作和構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)較為容易[1]。

對于“飄帶”的連貫性，如果在“飄帶”與兩棟建筑之間采用伸縮縫斷開，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就會變得相對簡單，但是這樣違背了建筑設(shè)計(jì)的意圖，由于“飄帶”的跨度很大，“飄帶”的連貫性設(shè)計(jì)會給結(jié)構(gòu)帶來很多挑戰(zhàn)，特別是地震和溫度作用下構(gòu)件的應(yīng)力會無法釋放，在初步分析時(shí)，ARUP公司已經(jīng)做了一些計(jì)算分析，結(jié)果表明溫度和地震對結(jié)構(gòu)的影響是可以接受的。ARUP公司的初步分析主要考慮風(fēng)荷載、雪荷載、溫度作用和荷載的不均勻分布對結(jié)構(gòu)的影響，確認(rèn)他們的結(jié)構(gòu)體系能夠滿足各種不利工況下的設(shè)計(jì)要求，在接下來的設(shè)計(jì)階段中，結(jié)構(gòu)體系還可以通過結(jié)構(gòu)找形及與建筑的配合進(jìn)行優(yōu)化，以獲得更加理想和光滑的流水線外形來滿足建筑的美感要求。

在方案的深化階段，中間大跨度的“飄帶”需要和兩側(cè)依附于建筑上的“飄帶”整體考慮，因此，整個(gè)“飄帶”依據(jù)其與南北建筑結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系分為三個(gè)部分：懸挑鋼架、幕墻構(gòu)件和中部大跨度空間桁架。對于飄帶，結(jié)構(gòu)采用了由一榀設(shè)置于接近飄帶平面中心位置的在空間進(jìn)行扭曲的平面桁架（類似脊梁骨的脊桁架）和多組三角形平面桁架及在三個(gè)平面內(nèi)的十字形支撐組成的一個(gè)空間桁架結(jié)構(gòu)，同時(shí)根據(jù)建筑布置設(shè)置了一些支柱以及鋼框筒來提供抗側(cè)及豎向穩(wěn)定。由平面桁架組成的該空間桁架在平面和空間上不斷改變寬度和角度，最終與兩棟建筑物合為一體成為建筑物的外幕墻，整個(gè)飄帶結(jié)構(gòu)猶如一個(gè)在空中飄浮的絲帶最終落在了建筑物上，使兩組相對獨(dú)立的建筑物成了一個(gè)有機(jī)體。飄帶結(jié)構(gòu)分為上下兩個(gè)飄帶，其中高位飄帶上設(shè)置有人行步道。

1 高位“飄帶”

高位“飄帶”南端支承在南部展示中心內(nèi)部鋼框架核心筒上，北部與歌劇院東南樓梯筒結(jié)構(gòu)相連，中間設(shè)置有兩組“V”形叉柱來支撐整個(gè)空間扭曲鋼結(jié)構(gòu)體系。在歌劇院過渡位置處，根據(jù)建筑布置的要求，還設(shè)置了局部鋼結(jié)構(gòu)小平臺與“飄帶”的步道相連。在兩組叉形柱之間“飄帶”跨度達(dá)到80米左右，叉形柱與南部展示中心鋼框架支點(diǎn)距離為60米，叉形柱到歌劇院支撐位置跨度為40米。“飄帶”寬度由14米到30米不等變換，飄帶最高標(biāo)處高約為47.00m。飄帶三角形桁架中心線高度約5m，按此計(jì)算，跨中高跨比為1/16，在常規(guī)網(wǎng)架高跨比范圍內(nèi)。

“飄帶”豎向重力荷載除主要承受幕墻荷載外，在“飄帶”頂部還需承受雪荷載以及“飄帶”頂面設(shè)置的3m寬度人行步道及行人荷載。“飄帶”結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件由中部兩個(gè)叉形柱及設(shè)置在兩側(cè)的建筑物內(nèi)的結(jié)構(gòu)支撐鋼框筒體系構(gòu)成。“飄帶”的豎向荷載和水平荷載均由三個(gè)平面內(nèi)的平面桁架和主桁架“脊桁架”承擔(dān)并傳遞到叉柱及兩邊塔樓抗側(cè)力支撐體系最后傳遞到基礎(chǔ)。

高位“飄帶”主要由中部主桁架、三角形次桁架、面內(nèi)支撐體系和跨中兩個(gè)叉形柱構(gòu)成。

1.1 中部主桁架

高位“飄帶”中間主桁架高度約為5米，支撐中部主桁架叉形柱高度分別為23.2m和28.3米，兩叉柱之間結(jié)構(gòu)整體跨高比16。主桁架在”飄帶”結(jié)構(gòu)的中部為豎向布置，由于造型的扭曲的結(jié)構(gòu)，使其由中間的豎向布置慢慢向兩端水平方向進(jìn)行過渡，最終形成水平向布置的桁架；主桁架兩側(cè)的三角形次桁架的結(jié)構(gòu)功能為傳遞局部荷載。主桁架在叉形柱之間主要承受豎向荷載，在端部桁架扭曲為水平方向后主要承受水平荷載[2]。

1.2 三角形次桁架

“飄帶”面荷載需要通過垂直于主桁架的三角形次桁架傳遞到中間主桁架。

中部主桁架 三角形次桁架 主、次桁架的關(guān)系

1.3 支撐體系

為傳遞荷載和提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在飄帶頂部和底部設(shè)置有水平支撐體系（三個(gè)平面內(nèi)），從而又形成了三個(gè)平面桁架。

1.4 叉形柱

“飄帶”結(jié)構(gòu)跨中共設(shè)置兩個(gè)叉形柱，叉形柱起承受結(jié)構(gòu)豎向荷載和提供結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度作用。

2 低位“飄帶”

低位“飄帶”連接博物中心（南端）和大劇院（北端）。博物館一側(cè)有一個(gè)核心筒與飄帶相連，歌劇院一側(cè)有一個(gè)竹狀柱和三個(gè)樓梯筒與飄帶連接。在博物館和歌劇院中間位置設(shè)置一個(gè)v形柱，該v形柱支撐在飄帶主桁架的下弦桿上。在飄帶的最北側(cè)（竹狀柱以北）設(shè)置有獨(dú)立斜撐，以減小飄帶北側(cè)的懸挑長度。低位“飄帶”結(jié)構(gòu)體系與高位“飄帶”基本一致，主要由中部主桁架、三角形次桁架和面內(nèi)支撐桿件組成[3]。

3 結(jié)束語

2018年初，農(nóng)歷2017年尾，隨著400噸的履帶吊將最后一榀彎扭管桁架單元穩(wěn)穩(wěn)安裝完畢。這標(biāo)志著，國內(nèi)長度最長、跨度最大的空間彎扭管桁架鋼結(jié)構(gòu)飄帶順利實(shí)現(xiàn)合攏。為了“編織”好這特殊的鋼鐵“絲帶”，中建三局蘇州灣文化中心項(xiàng)目部抽調(diào)技術(shù)骨干9名，特邀5名鋼結(jié)構(gòu)專家、2名設(shè)計(jì)院主創(chuàng)設(shè)計(jì)師，利用計(jì)算機(jī)施工全過程模擬分析、BIM三維深化放樣、無人機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控等進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)及反復(fù)論證研究。專家組決定最終采用了貝雷架受力支撐、結(jié)構(gòu)地面分段拼裝、履帶吊分段吊裝、中心區(qū)域整體液壓提升的施工方案。如今，兩條鋼結(jié)構(gòu)“飄帶”成功合龍，不僅意味著項(xiàng)目將進(jìn)入大規(guī)模機(jī)電、幕墻安裝環(huán)節(jié)，離竣工的日子更近一步，更標(biāo)志著我國在大跨度空間彎扭管桁架結(jié)構(gòu)施工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了新的突破。

參考文獻(xiàn)

[1] 搜狐新聞“見證一個(gè)地標(biāo)的誕生——蘇州灣文化中心”[EB/OL].http：//www.sohu.com/a/114725473_349631，2016-09-20.

[2] 3000噸鋼鐵“織”成國內(nèi)第一長 蘇州灣文化中心空間彎扭管桁架飄帶成功合攏[EB/OL].http：//baijiahao.baidu.com/s？id=1591554218308360879&wfr=spider&for=pc，2018-02-05.

[3] 蘇州再添文化新地標(biāo)！蘇州灣文化中心項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)封頂[EB/OL].http：//wj.suzfang.com/zyzn/324541.html，2018-02-09.