展陳雙層球體結(jié)構(gòu)空間實(shí)施技術(shù)要點(diǎn)分析

倪立瑩（上海市建筑裝飾工程集團(tuán)有限公司,上海 201100）

以某超大展館為例，在大室內(nèi)空間里搭建球體建筑，保證其內(nèi)外作用的實(shí)施。展我內(nèi)含有一個(gè)超大球體，球內(nèi)是 360° 環(huán)形銀幕。因此對(duì)球幕、球體鋼架、球體隔聲等進(jìn)行一系列研究。球體是一個(gè)直徑約 20 m 的超半球球體，從結(jié)構(gòu)形式上考慮采用鋼結(jié)構(gòu)的形式，利用信息化技術(shù),整個(gè)球面 GRG 板塊的生產(chǎn)依靠設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)化為零部件和模塊信息，球體內(nèi)部是內(nèi)徑 17 m 的標(biāo)準(zhǔn)半球體天象廳，相當(dāng)于一個(gè)沉浸式的小影院。

在大型展陳空間里，為了氛圍的烘托，會(huì)選擇在已有空間里搭設(shè)大型場(chǎng)景，并且該場(chǎng)景承擔(dān)不同的作用。項(xiàng)目球體直徑 20 m，頂部標(biāo)高 12.2 m，球殼內(nèi)部是一個(gè)沉浸式光學(xué)天象廳，對(duì)吸聲及隔聲有較高的要求，同時(shí)內(nèi)壁要保證360° 的天象儀的投影順滑。球殼外部主要材料為 GRG 干掛系統(tǒng)，一半球體考慮面層投影光影媒體秀，另半邊為 GRG嵌入光纖燈與面層彩繪模擬北美大陸燈火輝煌。

1 球體結(jié)構(gòu)選擇

由于該球體是一個(gè)直徑約 20 m 的超半球球體，并在已有建筑里，從結(jié)構(gòu)形式上考慮采用鋼結(jié)構(gòu)的形式，減輕荷載的同時(shí)，可以多利用空間，并能在增加次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上保證球體內(nèi)外面層的干掛。如圖 1 所示在選擇鋼結(jié)構(gòu)骨架方案的時(shí)候，由于屬于小型球形建筑，結(jié)構(gòu)主要在以下兩種方案中比選:（a）短程線等弧再分球面網(wǎng)殼；（b）肋環(huán)型球面網(wǎng)殼。

圖1 地球模型結(jié)構(gòu)比選

短程線球面網(wǎng)殼是在正二十面體的基礎(chǔ)上建立的。一個(gè)完整的正二十面體有 20 個(gè)三角形面，30 條棱，12 個(gè)頂點(diǎn)，其中每 5 條棱共用 1 個(gè)頂點(diǎn)。對(duì)于 20 m 直徑的球體，其內(nèi)接正二十面體的邊長(zhǎng)會(huì)太大，在這樣的情況下球體看起來(lái)會(huì)不夠圓潤(rùn)。因而需要通過(guò)等弧再分法將各邊在球面上對(duì)應(yīng)的圓弧等分為 4 份，然后連接球面上的各劃分點(diǎn)。不同于原正二十面體是每 5 條棱匯交于一個(gè)頂點(diǎn)，劃分后的小三角形形成的網(wǎng)格，是每 6 根桿件匯交于 1 個(gè)頂點(diǎn)上。

肋環(huán)型球面網(wǎng)殼主要是由徑肋和環(huán)桿組成。本球體主要設(shè)置了 24 道徑肋，徑肋匯交于球頂。環(huán)桿設(shè)置 7 道（不含底座桿件），將球體劃分為 8 個(gè)環(huán)。網(wǎng)殼的大部分網(wǎng)格呈梯形，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只匯交 4 根桿件，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單。

兩種網(wǎng)殼形式的優(yōu)缺點(diǎn)經(jīng)過(guò)分析，短程線等弧再分球面網(wǎng)殼網(wǎng)格均勻，當(dāng)蒙皮為透明材料比如玻璃或者充氣膜時(shí)，比較美觀。 施工方便，工業(yè)化程度也相對(duì)較高。 肋環(huán)型球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的幾何形體邏輯清晰，方便定位； 每個(gè)節(jié)點(diǎn)只匯交 4 根桿件，構(gòu)造簡(jiǎn)單；桿件可以做成曲率比較精確的圓曲線方便布置走道、管線。通過(guò)把徑肋設(shè)置成桁架拱，可以方便的為內(nèi)部金屬投影幕提供支撐結(jié)構(gòu)。不足的地方在于短程線等弧再分球面網(wǎng)殼其曲線本質(zhì)上由直線離散組成，細(xì)看并不是特別圓潤(rùn)。沒(méi)有明顯的水平層概念，不方便布置走道，管道等附屬構(gòu)件。 需要給展項(xiàng)內(nèi)部的金屬投影幕另外單獨(dú)設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)。肋環(huán)型球面網(wǎng)殼的缺陷在于球頂匯交桿件較多，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜。徑肋加工時(shí)需要控制好曲率，且單根徑肋桿件較大。網(wǎng)格不均勻，當(dāng)結(jié)構(gòu)桿件外露時(shí)，并不是很美觀。

由于該球體最終需在外側(cè)包一層 GRG 板，內(nèi)側(cè)會(huì)安裝一個(gè)球形金屬投影幕，結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)最終不會(huì)顯露在外。內(nèi)外兩層殼之間要布置風(fēng)管、消防管道、電氣管線，也需要設(shè)置簡(jiǎn)單的馬道、爬梯等供檢修人員通行。外層的GRG板上有彩繪，也有一部分我域?qū)⒆鳛橥队拔矣颍枰蔀橐粋€(gè)相對(duì)精確的球形。考慮到這些使用功能上的特點(diǎn)，最終決定采用肋環(huán)型球面網(wǎng)殼。

2 球體結(jié)構(gòu)布置及實(shí)施

如圖 2 所示，結(jié)構(gòu)外層沿圓周均勻布置 24道徑肋。為減少頂點(diǎn)處匯交桿件的數(shù)量，在靠近頂部的我域徑肋減少到12 道。徑肋減少的地方設(shè)置了環(huán)向桁架進(jìn)行過(guò)渡。因放置操作臺(tái)，內(nèi)層網(wǎng)殼需要開(kāi)洞。

圖2 地球模型外層網(wǎng)殼俯視圖

結(jié)構(gòu)內(nèi)層的上部并不是一個(gè)完整的球面網(wǎng)殼，上面開(kāi)了一個(gè)直徑約 10 m 的洞口。這一方面是因?yàn)轫敳恳巡恍枰贾酶鞣N設(shè)備管道，另一方面是減少內(nèi)部構(gòu)件后，設(shè)置在頂部的音箱，其聲音可以暢通無(wú)阻的到達(dá)地球內(nèi)部的星空演示廳。圖 3 為地球模型網(wǎng)殼剖面圖。

圖3 地球模型網(wǎng)殼剖面圖

整體地球鋼結(jié)構(gòu)的施工采用登高作業(yè)，協(xié)同蜘蛛車、曲臂車以及多輛剪刀車登高替代常規(guī)的滿堂腳手架，主要原因考慮搭設(shè)腳手架形式的施工無(wú)法滿足弧形結(jié)構(gòu)的施工。

采用水準(zhǔn)儀常規(guī)高差測(cè)量來(lái)對(duì)基礎(chǔ)面的高程進(jìn)行控制，直接測(cè)得預(yù)埋件面的標(biāo)高；對(duì)離水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)較遠(yuǎn)的測(cè)設(shè)，為了減少水準(zhǔn)儀的傳遞誤差和多次讀數(shù)的偶然誤差，采用全站儀三角高程測(cè)得預(yù)埋件的標(biāo)高。預(yù)埋件的標(biāo)高允許偏差為3.0 mm。底座部分的安裝采用 H 鋼環(huán)向底座后進(jìn)行第一道徑向主桁架現(xiàn)場(chǎng)拼接工作。

現(xiàn)場(chǎng)拼接施工時(shí)，采用馬凳進(jìn)行定位調(diào)整，確保拼接的平整度。拼裝成一個(gè)徑向整體后，整體吊裝。第一跨利用地球頂部的原有的屋架上掛了一根鋼絲繩，鋼絲繩端部設(shè)置滑輪，用卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行吊裝，滑輪大概在距離 19 m 的位置。由于徑向主桁架拼裝完畢后作為最重構(gòu)件僅有 700 kg。卷?yè)P(yáng)機(jī)通過(guò)地錨固定在地面上。第一段徑向徑向主桁架安裝即將完畢時(shí)候，設(shè)置四道鍍鋅 8 mm 纜風(fēng)鋼索，纜風(fēng)繩與地球基礎(chǔ)固定，在垂直度和整體精度調(diào)整完畢后張緊固定。接下來(lái)進(jìn)行第二道徑向主桁架的安裝，第二道主桁架垂直于第一道主桁架，安裝方法同前。

待第二道徑向梁安裝完畢后，框架已經(jīng)成為一個(gè)穩(wěn)定的整體，此時(shí)可以不設(shè)置纜風(fēng)鋼索。繼續(xù)上步操作安裝其他徑向主鋼架。徑向主鋼架安裝完畢后，進(jìn)行頂部第一道環(huán)向鋼架的安裝。頂部環(huán)向連桿安裝完畢后，徑向次桁架需要固定在該環(huán)向連桿上，徑向次桁架安裝方式同主桁架。而后進(jìn)行其他環(huán)向連桿的連接。最后進(jìn)行斜撐及其他相關(guān)附件的安裝。如圖 4 所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)拼接施工過(guò)程

3 球體外殼 GRG 安裝

利用信息化技術(shù),整個(gè)球面 GRG 板塊的生產(chǎn)依靠設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)化為零部件和模塊信息,將零部件和模塊信息轉(zhuǎn)化為加工制造信息,將加工制造信息轉(zhuǎn)化為機(jī)器工作指令，安裝排布一次到位。考慮到夜半球又有彩繪，則考慮了將表面GRG 進(jìn)行排版編號(hào)，再進(jìn)行 GRG 開(kāi)模工作。

首先要將 GRG 板排版編號(hào)，每塊板上的預(yù)埋掛架都要清楚的標(biāo)注，我分媒體秀以及光纖點(diǎn)位部分。根據(jù) GRG 的排版，將光纖燈的圖案和點(diǎn)位進(jìn)行深化，呈現(xiàn)北美大陸燈火輝煌的畫(huà)面，再確認(rèn)圖面之后針對(duì)每一塊 GRG 重新進(jìn)行編號(hào)，GRG 通過(guò)計(jì)算機(jī)加工編程模擬加工，為了保證精確度，通過(guò)場(chǎng)外制作，在 GRG 工廠進(jìn)行開(kāi)模，鋼針的分布需要根據(jù)每一塊光纖燈的分布進(jìn)行布置預(yù)埋件固定，并進(jìn)行預(yù)拼裝，場(chǎng)外對(duì)于晨昏線和光纖燈的配合進(jìn)行初步的彩繪，進(jìn)入場(chǎng)內(nèi)拼裝完成后需進(jìn)行 GRG 的修補(bǔ)，一來(lái)防止漏光，二來(lái)使畫(huà)面完整。

起初對(duì) GRG 測(cè)試的時(shí)候是采用人工定位打孔，孔打出來(lái)的效果不是很理想，人工開(kāi)的孔存在爆邊和孔偏位。光纖燈安裝后 GRG 表面是很難修補(bǔ)的。經(jīng)過(guò)不斷的測(cè)試，最終確定采用光纖孔先在 GRG 預(yù)埋鋼針，這種方案即解決了 GRG 打孔爆邊和孔偏位的問(wèn)題，又能很好的保證 GRG 本身的強(qiáng)度，同時(shí)又能保證 GRG 運(yùn)輸和搬運(yùn)的安全。這樣既能保證光纖燈位置的準(zhǔn)確性又能很好的保證光纖燈安裝的效果。

4 球體內(nèi)部隔音及吸音控制

由于球體內(nèi)部是內(nèi)徑 17 m 的標(biāo)準(zhǔn)半球體天象廳，相當(dāng)于一個(gè)沉浸式的小影院，考慮到內(nèi)部空間需具備一定的吸音隔音功能，共設(shè)計(jì)安裝七層隔音結(jié)構(gòu)（圖 5），各層材料之間錯(cuò)縫安裝；吸聲構(gòu)造安裝在外殼的內(nèi)結(jié)構(gòu)層表面，選用A級(jí)防火環(huán)保吸聲板作為吸聲材料，構(gòu)造中低頻和中高頻吸聲板按比例布置以保證低頻吸聲性能。由于雙層球體中間部分除了檢修馬道，更有“房中房”的機(jī)電設(shè)備和消防設(shè)備，運(yùn)作的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的噪音和震動(dòng)，從而影響內(nèi)部的觀影，整體隔音吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)置可以有效隔離機(jī)電設(shè)備運(yùn)作產(chǎn)生的振動(dòng)噪音以及球體外部的電聲噪音。

圖5 球體隔墻節(jié)點(diǎn)圖

由于天象廳裝備了國(guó)際上最新、最先進(jìn)的光學(xué)天象儀，為了投射出無(wú)與倫比的璀璨星空，天象廳球幕采用僅 1 mm的金屬銀幕，以經(jīng)線、緯線方向上無(wú)疊壓安裝的方式，采用邊緣加工技術(shù)，保證球幕的拼接縫的直線性與協(xié)調(diào)性，幕板邊緣與豎梁和橫梁的中線重合，接縫不超過(guò) 0.5 mm。銀幕幕板拼接形式采用沉頭鉚釘固定和無(wú)縫整體外觀方式，幕板邊緣疊合處內(nèi)嵌有黑色無(wú)反光材料，黑色材料達(dá)到零度入射，安裝前后的入射率不超過(guò) 0.01，影片放映過(guò)程中絕無(wú)肉眼可見(jiàn)的縫隙，真正做到了微細(xì)接縫。

天象廳球幕具有有良好的反射率、吸音效果和可清潔性，能夠配合投影系統(tǒng)和音響系統(tǒng)完美地體現(xiàn)影院的聲學(xué)和視覺(jué)效果。整個(gè)銀幕板面1.6 毫米直徑孔，分布在 3.2 mm的中心上，開(kāi)孔率為 23%，透聲性能良好。放映面將適用于觀看明亮的放映景象，具有高分辨率、真實(shí)色彩和高對(duì)比度。幕板表面保持著規(guī)定的反射率，在放映時(shí)，任何角度入射的放映圖像和光線，都不會(huì)反射刺眼和光譜特性的光，完美體現(xiàn)影院的聲學(xué)和視覺(jué)效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該球體的實(shí)施，在對(duì)球體結(jié)構(gòu)形式的選擇上進(jìn)行了優(yōu)化分析，在結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程中，通過(guò)場(chǎng)外加工，通過(guò)半球體裝配式鋼骨架和外球殼預(yù)制編號(hào) GRG 組成拼裝，登高實(shí)施，完成了結(jié)構(gòu)部分的制作安裝、打造了一個(gè)球殼內(nèi)部是一個(gè)沉浸式光學(xué)天象廳，球殼外部是一個(gè)“地球變遷”的光影媒體秀。達(dá)到良好造型設(shè)計(jì)效果的同時(shí)也構(gòu)成了良好的吸聲效果，整體完美的實(shí)現(xiàn)了超大型半球體內(nèi)外多媒體展項(xiàng)布展的結(jié)合。