貴州省地質(zhì)博物館的建筑方案設(shè)計

雷杰義

（貴州省建筑設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550000）

1 項目概況

貴州省地質(zhì)博物館位于貴陽市觀山湖區(qū)云潭路與興筑路交匯處，與貴陽市奧體中心遙相呼應(yīng)。項目經(jīng)貴州省人民政府批準建設(shè)，由貴州省煤田地質(zhì)局、貴州省自然資源廳、貴州省地礦局共同建設(shè)的公益性博物館。項目總建筑面積：39561.7m2；其中地下建筑面積12058.5m2（地下車道：711.7m2）；地上建筑面積26791.5m2，建筑層數(shù)：地下2 層，地上7 層；建筑密度33.9%；建筑高度：33.3m；綠地率：24.9%；容積率：1.63。項目主要功能包含地質(zhì)博物館展廳、地質(zhì)資料館庫房、綜合業(yè)務(wù)用房、多功能報告廳及配套用房；其中博物館為大中型博物館，檔案庫房為甲級檔案庫房，工程設(shè)計使用年限為100 年。地質(zhì)博物館平面圖如圖1 所示。

圖1 地質(zhì)博物館平面圖

2 建筑方案設(shè)計

2.1 設(shè)計理念

貴州是古生物化石王國、礦產(chǎn)資源大省，地質(zhì)文化豐富多樣，為了反映出貴州地質(zhì)獨有的特點，整體外觀設(shè)計成為一塊傲然屹立的靈石，讓人聯(lián)想起貴州梵凈山著名的“蘑菇石”，以此來體現(xiàn)貴州地質(zhì)地貌的雄奇多姿。通過提取諸多的貴州地質(zhì)地貌特色和元素，融入建筑的造型和立意，力求打造城市的地標性建筑[1]。

2.2 建筑造型設(shè)計思路

“洞”：在建筑主要形象面進行大跨度灰空間的處理，抽象表達貴州地貌多洞的特點，同時也體現(xiàn)了貴州省喀斯特地貌“溶洞”的獨有特征。

“石”：立面設(shè)計和材質(zhì)紋理選擇上以橫向線條為主，以建筑符號的表現(xiàn)手法展示貴州沉積巖的肌理特征。

“礦”：建筑局部采用折疊玻璃玻璃幕墻等對建筑進行點綴，展現(xiàn)貴州礦產(chǎn)資源豐富，隱喻貴州地質(zhì)人“金石不渝”的情懷[2]。

2.3 建筑造型與流線功能的結(jié)合

通過限制條件及使用需求的分析，在并不充裕的V 字形場地上放置一塊“巨型靈石”，在道路轉(zhuǎn)角處退讓出足夠?qū)挸ǖ某鞘虚_放空間，通過兩支沿城市道路交叉口兩側(cè)延展裙房使其懸空形成喀斯特地貌“洞”特點，將建筑功能的分區(qū)與人流的引導(dǎo)巧妙的結(jié)合在一起。

同時，建筑，各功能區(qū)域關(guān)系相對獨立且又聯(lián)系緊密；設(shè)計以“蘑菇石”為造型特點，將博物館參觀流線、對外服務(wù)流線、業(yè)務(wù)技術(shù)區(qū)流線以及檔案庫房流線進行統(tǒng)籌分析，通過疏散人數(shù)的計算將人流量進行拆分，把人流量較大的區(qū)域按不同樓層疏散至室外安全場地[3]。

2.4 復(fù)雜立面外裝設(shè)計

建筑各個立面均存在不同角度的傾斜，對于石材的干掛，尤其是外傾石材及石材吊頂都有著一定的難度；建筑整個外立面需要采用石材+玻璃幕墻外裝形式，局部采用金屬裝飾格柵，外圍護結(jié)構(gòu)必須兼具傾斜外墻+幕墻功能，以滿足保溫節(jié)能及采光要求。

傾斜外墻采用輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合墻板，輕質(zhì)墻板由粉煤灰、硅酸鹽水泥、聚苯乙烯EPS 泡沫顆粒、硅酸鈣面板組成，天然重度≤7kN/m2。輕質(zhì)墻板與石材幕墻及橫向開窗共用鋼龍骨體系，實現(xiàn)外裝結(jié)構(gòu)的高度整合。

考慮傳統(tǒng)石材板自重大的缺點，且工程立面存在大量傾斜及連體部位底部吊頂，則工程石材幕墻采用石材蜂窩鋁板，表面為6mm 厚石材，通過與蜂窩鋁板粘接成形，自重僅為傳統(tǒng)石材板1/3[4]。

2.5 外裝構(gòu)造

通過調(diào)研分析，每塊蜂窩石材采用同一座山并將原山體的紋理整體對建筑立面進行排版，并進行石材的分格劃分，最大限度的利用了石材最原始最真實的觀感，體現(xiàn)“地質(zhì)博物”的特征。

針對工程傾斜外墻，采用輕質(zhì)節(jié)能復(fù)合墻板，輕質(zhì)墻板由粉煤灰、硅酸鹽水泥、聚苯乙烯EPS 泡沫顆粒、硅酸鈣面板組成，天然重度≤7kN/m2。石材幕墻采用開縫式，石材板為28mm 厚石材蜂窩鋁板，相較于傳統(tǒng)石材板重量僅為1/3，與外墻輕質(zhì)墻板共用鋼龍骨形成整合的外墻體系，既滿足外立面傾斜效果也滿保證了輕質(zhì)節(jié)能的要求。

2.6 室內(nèi)空間

結(jié)構(gòu)為實現(xiàn)建筑造型必須布置眾多的鋼斜撐，通過結(jié)構(gòu)與建筑專業(yè)統(tǒng)籌配合，共同進行空間優(yōu)化，不僅未對建筑使用功能造成過多影響，反而因結(jié)構(gòu)斜撐在室內(nèi)營造出獨特的韻律感，突顯了特殊的結(jié)構(gòu)美[5]。

3 地質(zhì)博物館建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)建筑特殊造型，結(jié)構(gòu)形式采用鋼框架—中心支撐結(jié)構(gòu)+連體及伸臂桁架梯形，且規(guī)則性超限項目達6 項，屬于特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。最大連體跨度33.6m，最大懸挑20m。地質(zhì)博物館結(jié)構(gòu)設(shè)計不規(guī)則類型如表1 所示。

表1 地質(zhì)博物館結(jié)構(gòu)設(shè)計不規(guī)則類型

結(jié)構(gòu)設(shè)計運用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，分析計算工作[6]。

3.1 超限結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過大震下彈塑性時程分析如圖2 所示，驗證了整體結(jié)構(gòu)在大震下的抗震性能滿足設(shè)定的目標。

圖2 大震下彈塑性時程分析

3.2 關(guān)鍵節(jié)點有限元分析

采用MIDAS FEA+MIDAS GEN 軟件，運用“多尺度分析法”針對工程大跨連體及大懸挑關(guān)鍵節(jié)點進行抗震性能分析，驗證了結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位抗震性能滿足要求。

通過采用對應(yīng)第三性能水準的荷載組合，按荷載組合1.0 恒+0.5 活+0.4 水平地震+豎向地震在整體模型中對各節(jié)點分別運行分析，von-Mises 應(yīng)力最大值出現(xiàn)在斜撐上翼緣與節(jié)點板連接根部，達281.3MPa，未超過Q345B 屈服強度值，可見構(gòu)件仍在彈性范圍內(nèi)，滿足關(guān)鍵構(gòu)件大震不屈服性能要求[7]。

3.3 結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計分析

采用拆除構(gòu)件法，通過對分別拆除構(gòu)件進行分析，結(jié)果顯示剩余結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)傳力路徑變化后，與拆除桿件相連的桿件最大應(yīng)力均滿足小于限值=215.6MPa 的判斷標準，表明結(jié)構(gòu)具有較好的二次傳力路徑及冗余度，具有抗連續(xù)倒塌能力。

驗證了結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位即使在個別構(gòu)件失效的情況下，仍具有較好的安全儲備，具備抗連續(xù)倒塌能力[8]。

3.4 樓蓋舒適度設(shè)計分析

針對工程存在大跨連體及大懸挑部位，考慮該區(qū)域使用中樓蓋舒適度問題，采用MIDASGEN 軟件進行了樓蓋舒適度分析，確保各大跨大懸挑部位人行舒適度滿足要求。

4 建筑機電和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

4.1 建筑內(nèi)部空間關(guān)系復(fù)雜機電系統(tǒng)布置困難

由于貴州省地質(zhì)博物館的建筑造型獨特，室內(nèi)空間復(fù)雜，為了同時滿足建筑形體和使用空間，對設(shè)備管道的綜合設(shè)計帶來很大挑戰(zhàn)。同時，鋼結(jié)構(gòu)部分結(jié)構(gòu)形式采用了鋼框架——中心支撐結(jié)構(gòu)，造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部支撐布置眾多，結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間關(guān)系復(fù)雜，造成各專業(yè)間協(xié)同設(shè)計困難。

空調(diào)系統(tǒng)運行能耗、高大空間的冬季空調(diào)供熱效果、空調(diào)系統(tǒng)適應(yīng)室內(nèi)裝飾效果、紙質(zhì)庫房及電磁庫房溫濕度要求高等問題的解決，是本次設(shè)計重點和難點。

同時，對于地質(zhì)博物館高大空間，常規(guī)的噴淋系統(tǒng)無法滿足消防需求；在會展功能區(qū)的相關(guān)用電負荷的預(yù)留及智能化的合理規(guī)劃等都是本次設(shè)計重點和難點。

4.2 空調(diào)系統(tǒng)及恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)集中設(shè)計

其中展廳、庫房、業(yè)務(wù)技術(shù)用房及會議室等功能用房設(shè)置集中空調(diào)系統(tǒng)（螺桿式冷水機組及帶冷凝熱回收裝置的燃氣型冷凝真空熱水機組）。

紙質(zhì)庫房、電磁介質(zhì)庫房、計算機站房等對溫濕度波動要求較高的房間設(shè)置恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)（直接蒸發(fā)空調(diào)系統(tǒng)）。

集中空調(diào)系統(tǒng)冷熱源集中設(shè)置，冷源采用二臺螺桿式式冷水機組，配三臺冷凍水循環(huán)泵及三臺冷卻水循環(huán)泵。空調(diào)冷凍水供、回水溫度14/19℃，空調(diào)冷卻水供、回水溫度30/36℃。熱源采用帶冷凝熱回收裝置的燃氣型冷凝真空熱水機組兩臺，配三臺空調(diào)熱水循環(huán)泵，提供60/45℃高溫?zé)崴Ｄ茉凑驹O(shè)備均布置在負二層機房。空調(diào)冷卻設(shè)備采用二臺方形鼓風(fēng)式逆流冷卻塔，布置在一層室外緊鄰建筑外墻位置。

紙質(zhì)庫房、電磁庫房等有恒溫恒濕要求的區(qū)域及計算機房、UPS 機房等使用時間特殊的區(qū)域，每個房間獨立采用一套直接蒸發(fā)空調(diào)系統(tǒng)。

項目空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計圍繞綠色、節(jié)能為中心思路進行，主要從空調(diào)系統(tǒng)形式、空調(diào)冷熱源選擇、新技術(shù)新設(shè)備應(yīng)用、系統(tǒng)智能化控制等多方面體現(xiàn)，在滿足項目室內(nèi)溫濕度的前提下，設(shè)計了一個高標準、低能耗的空調(diào)系統(tǒng)。

5 結(jié)語

在地質(zhì)環(huán)境保護和災(zāi)后注重人性關(guān)懷建設(shè)的雙重力量推動下，地質(zhì)博物館已成為當(dāng)代博覽建筑發(fā)展的一個重要方向。地質(zhì)博物館具有獨特的性格特征，其建筑形象最直觀的表征著地質(zhì)獨特的自然風(fēng)貌并起到對地質(zhì)事件的作用。通過個性鮮明的建筑設(shè)計形態(tài)向人們傳達地質(zhì)神韻、喚起人們對地質(zhì)事件的關(guān)注是當(dāng)代地質(zhì)博物館建筑創(chuàng)作的重要特征。