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国家大剧院6750吨钢架结构中却没有柱子支撑,怎么做到的?

来源:工程智库
国家大剧院在建筑方面的确体现了国际一流的水准,开创了国内建筑的先河,进行了许多大胆的尝试,如采用钛金属板这种主要用于制造飞机等航空器的金属材料作为建筑屋面材料,大胆的椭圆形外观和四周的水面构成了一个水上明珠的建筑造型,新颖、前卫,构思独特,整体上体现了21世纪世界标志性建筑的特点,堪称传统与现代、浪漫与现实的完美结合。
国家大剧院设计之初有两个原则:第一,它是世界一流的剧院;第二,它不能抢过人民大会堂。最终的大剧院以一个庞大的椭圆呈现在世人面前,成为一个造型新颖,构思独特的地标性建筑。


根据法国著名建筑师保罗·安德鲁的构想,国家大剧院建成后的景观如下:巨大的绿色公园内,一泓碧水环绕着椭圆形的银色大剧院,钛金属板和玻璃制成的外壳与昼夜的光芒交相辉映,色调变幻莫测。剧院的四周是部分透明的金色网状玻璃墙,顶上是从建筑内部能够看到的天空。有人将建成后大剧院的外形形容为“一滴晶莹的水珠”。

然而,要把法国建筑师的作品从图纸变成现实,却并不那么容易。建筑屋面呈半椭圆形,整个建筑漂浮于人造水面之上,行人需从一条80米长的水下通道进入演出大厅。具有柔和的色调和光泽的最大跨度达212米的钛金属覆盖只有0.44毫米厚!可见其技术难度有多大。
面对一系列的技术难题,施工者是怎样解决的呢?大剧院业委会党委书记王争鸣介绍说,就现在的建筑水平来说,许多技术难题并不是没有方案解决,难就难在尽可能少花钱,找到最优解决方案。

中国第一大穹顶由 6750吨钢梁架起
国家大剧院壳体结构由一根根弧形钢梁组成,这个巨大的钢铁天穹几乎可以将北京工人体育场全部罩住。 

令人惊奇的是,如此巨大的钢架结构中间却没有用一根柱子支撑。也就是说,重达6750吨的钢结构要完全依靠自身的力学结构体系来保证安全稳定。


这种柔性的设计使得国家大剧院就像一个太极高手,用以柔克刚、四两拨千斤的手段化解了来自外界的各种力量。在大剧院的钢结构设计中,整个钢结构的用钢量每平方米仅197公斤,低于许多同类的钢结构建筑。这个壳体钢结构施工难度极大,在吊装钢梁时,使用了国内最大吨位的吊车。


浇筑地下隔水墙 防周边地基沉降
  国家大剧院高46米,但其地下深度却有10层楼那么高,有60%的建筑面积都在地下,最深达到32.5米,是目前北京地区公共建筑最深的地下工程。 

  大剧院地下蕴藏着丰沛的地下水,这些地下水所产生的浮力可以托起重达100万吨的巨型航母,如此巨大的浮力足以托起整个国家大剧院。
  传统的解决办法是将地下水不停地抽出,但这样抽取地下水的后果是,将会在大剧院一带的地下形成一个5公里范围的"地下水漏斗",导致周边地基发生沉降,甚至地面建筑可能出现裂缝。


  为了解决这一难题,工程技术人员经过精密调研,用混凝土从地下水最高水位直到地下60米黏土层,浇筑一道地下隔水墙。这个由地下混凝土墙体形成的巨大"水桶",可以将大剧院地基围得严严实实。水泵就在"水桶"里面将水抽走,这样,无论地基里怎么抽水,"水桶"外的地下水也不会受影响,因而周围的建筑物也就安然无恙。
密闭空间的空调
  国家大剧院是一个封闭建筑,没有对外窗户,在这样的密闭空间,室内空气要完全依靠中央空调来调节,因此对空调的健康功能就提出了一定要求。在SARS之后,大剧院的工程人员对空调的安装、回风系统、新风机组的标准等提高了标准,进一步完善,以确保中央空调符合健康标准。


钛合金屋面的安装
  大剧院的屋面有36,000平方米,主要由钛金属板和玻璃板拼装而成。钛金属强度大,耐腐蚀,且色泽好,是一种主要用于制造飞机等航空器的金属材料。屋面将由10,000多块约2平方米大小的钛板拼装而成。由于安装角度总在变化,每一块钛板都是一个双曲面,面积、尺寸、曲率都不同。钛金属板的厚度只有0.44毫米,既轻且薄,如同一张薄薄的纸,因此下面必须有一个由复合材料制成的衬层,每一块衬层也将切割成与上面的钛金属板同样大小,因此这个工作量和工作难度都极大。
  目前,在国际上还没有这么大面积在建筑屋面使用钛金属板的。日本的建筑使用钛板的较多,这一次大剧院将委托日本的一家厂商来制作钛金属板。


屋面壳顶的清洗
  钛金属屋面壳顶的清洗是件麻烦事,有人提出,如果使用人工清洁的方式,会显得笨拙而不美观,应采用先进技术来解决。

  目前,工程人员正倾向于选择一种高科技的纳米涂料,涂上这种涂料后,附着物将不会沾到物体的表面,只要用水一冲,所有污垢将全部被冲刷干净。
  但由于这是一项新技术,还没有类似的工程实例可以参考,工程人员正在对这种纳米涂料进行试验室强化试验,是否采用还要等试验结果出来以后才能下定论


石材全部国产 呈现锦绣大地
  大剧院共使用了20多种天然石材,全部来自国内十余个省市。仅大厅的22个区域就使用了十余种石材,名为"锦绣大地",寓意中华民族的锦绣山河。 
  有来自承德的"蓝钻"、山西的"夜玫瑰"、湖北的"满天星"、贵州的"海贝花"……其中很多都是稀有品种,如产自河南的"绿金花"已是绝版石材。
  铺设在橄榄厅产自北京的"白玉翡翠"为白色石材带斜线绿筋,斜线纹路天然生成,且全部朝同一方向,十分罕见。大剧院石材铺设总面积约10万多平方米,工程人员坚持使用国产石材,几经周折才全部找到在色彩和纹路上吻合设计师理念的石材。
  如此大规模的无辐射石材开采、加工对工程人员来说也是巨大的挑战,就连设计师安德鲁也惊叹于中国石材的缤纷艳丽和中国石材开采、加工技术的精湛


快速安全撤离
  国家大剧院三个剧场总共能容纳5500人左右,加上演职人员最多时达7000人,由于国家大剧院独特的设计,剧院四周被一个巨型露天水池所围,因此一旦发生火灾等突发事件,如何迅速将7000名观众从这个四周被水包围的“蛋壳”里安全撤离,在设计之初,就是设计师们需要解决的棘手难题。
  实际上,国家大剧院的消防疏散通道最终是按1.5万人能迅速撤离的标准设计的。其中,在地下3米和7米处,各有观众疏散通道8到9处,它们从巨型水池底下穿过,直通外部广场。观众通过这些通道,能够在4分钟之内全部安全疏散,这比消防条例中规范的6分钟的时间还要短。


  此外,在剧院与露天水池之间设计有一条宽达8米的环形消防通道,相当宽敞,可容纳两辆消防车并排通行,同时还留有两米宽的人行通道,消防队员可通过消防通道及时到达着火点,这样消防人员与被疏散人员可以各走各的路,互不干扰。
  这座“城市中的剧院、剧院中的城市”以一颗超越想象的“湖中明珠”的奇异姿态出现。表达的是内在的活力,是外部宁静笼罩下的内部生机。大剧院代表了一个时代的结束与另一个新的时代的开始

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  1. winnian 2017-10-11 14:06:51
    很棒呀,好看 沙龙365登入
    #2 0 举报
  2. candy0022 2017-10-12 10:52:33
    许多技术难题并不是没有方案解决,难就难在尽可能少花钱,找到最优解决方案。 沙龙365登入
    #3 0 举报
  3. zqyyn99 2017-10-12 11:12:43
    设计,施工都是挑战。 沙龙365登入
    #5 0 举报
  4. xinxiaoh 2017-10-12 12:28:05
    设计难度大,施工难度也不小啊:) 沙龙365登入
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  5. sxxacadx 2017-10-12 12:39:30
    确实漂亮,一件艺术品 沙龙365登入
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  6. 征程思远 2017-10-12 14:07:21
    确实非常厉害!! 沙龙365登入
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  7. 流浪小鱼鱼 2017-10-12 15:00:30
    建筑设计非常漂亮,对结构设计和施工是挑战 沙龙365登入
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  8. xjghns 2017-10-12 15:04:43
    感谢楼主分享 沙龙365登入
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  9. xjghns 2017-10-12 15:05:46
    感谢楼主分享 沙龙365登入
    #11 0 举报
  10. xjghns 2017-10-12 15:06:38
    感谢楼主分享 沙龙365登入
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