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充满科幻感的上海天文馆:拉近人与宇宙距离

发布时间:2019-03-14 16:05:45 来源:了不起的中国制造 责任编辑:caobo

你有没有听过一个名词,叫做“现代主义建筑”?它是指,建筑师要摆脱传统建筑形式的束缚,大胆创造适应于工业化社会的条件和要求的崭新建筑,具有鲜明的理性主义和激进主义的色彩。

听不懂什么意思?没关系,下面就介绍一个这一派建筑的上乘之作:上海天文馆。

(上海天文馆的外形,充满了科幻感)

上海天文馆是上海市政府十三五期间建设的一座重要大型科普场馆,建筑面积3.8万平方米,将于2020年底建成,2021年择期开放。在昨天上午的全国政协会议闭幕式报道中,它和其他四个大型设施一起,登上了央视2019年全国两会特别报道。

上海天文馆将运用多种高科技展示技术,营造高精度模拟星空和沉浸式宇宙漫游的场景,还可以通过太阳塔和天文望远镜实际观测到太阳和众多星体。建成后,将会成为上海市重要的天文科普基地。

不过,现代主义的建筑,还得需要先进的现代科技来建造。下面我们就来讲讲,上海天文馆里的现代科技。

(一)上海天文馆的布置中有哪些深意?

上海天文馆的设计灵感来自“三体”,不过这个“三体”并不是刘慈欣小说中的三个太阳,而是我们身边的太阳、地球和月亮。

建筑师先设置了3个圆形和球体,随后假想一颗卫星的运动轨迹,在球体外勾勒一条条运行轨道,形成天文馆的建筑造型。

最先设置的3个圆形和球体,最终成为倒置穹顶、圆洞天窗和球幕影院,从外观看起来,三个球体仿佛正在以一定的规律相互环绕旋转,十分灵动。

椭圆形的建筑形态构成天体运行轨道,与三个球体一同诠释了天体运行的基本规律,暗示着塑造宇宙今日之面貌的“万有引力”。

(上海天文馆的概念图)

在天文馆室内,展览从我们熟悉的星空、日-地-月徐徐展开,带领观众漫步太阳系,穿越银河系。

观众在参观完一层的主展区后,会沿着坡道走到屋顶的倒置穹顶,碗形的设计让人们置身“碗底”,放眼望去只能看到天空,而看不到地景。建筑师希望人们可以屏蔽掉城市,静观天空,思考宇宙的奥秘。

倒置穹顶的走道是南北向设置,恰好标注了上海天文馆的子午线,指明了正南和正北的方向。

天文馆的主入口是一个巨大的悬挑结构,开了一个圆洞天窗。每天随着太阳的东升西落,圆洞天窗投下的光束会缓慢移动,在地面投射的形状也会随之变化,等同于一个日晷。

时间刻度将绘制在地面上,成为一个“巨型时钟”,告诉经过的人们进馆和离馆的时间。

直径为23米的球幕影院是天文馆的核心,它代表着太阳系中的地球。

之所以把直径设计成23米,是因为在天文馆不远有一个原型人工湖,名为滴水湖,直径约为25000米。如果把滴水湖比作太阳,那么球幕影院就是等比例缩小的地球,可以让观众对太阳和地球的大小关系有直观的认识。

球幕影院周围将使用透光材料,让太阳光能照射到场馆地下一层的公共空间,以解决地下建筑的采光问题,并且会在地面形成一个光环,这个大圆环在地面上会随时间移动,加上标记就成为了天然时钟,节约能源的同时也具有教育意义。

(象征太阳的滴水湖)

主建筑之外,设计师也没有忽视在园区设计中融入天文概念。

园区设计成4条宽阔的弯曲绿带,环绕于主建筑周围,从建筑向外自然延伸出去,象征银河系旋臂,通过种植不同季节盛开的花卉,凸显季节交替现象,让花园一年四季给人不同的美感。

此外,还有普及天文教育的青少年观测基地、观众白天可以观测太阳的魔力太阳塔、放置着直径1米的天文望远镜的大众天文台,可以说,整个上海天文馆建筑群,里里外外从上到下,到处都是“戏”。

(二)高大上的建筑背后有哪些技术在支撑?

上海科技馆在观众的心中是充满科幻感的,但在设计和建造它的工程师们心中,是这样的:

(上海天文馆结构模型)

天文馆的主体建筑结构形式多样,形态及内部空间十分复杂,曲线形构件和斜构件众多。

建造这座天文馆涉及到了好多种建筑结构模式,除了最基本的钢筋混凝土框架和钢结构空间桁架外,还有异形墙体、混凝土壳体、单层钢网壳和铝合金结构网壳。

它们相互之间的连接构造处理难度极大,其中的大悬挑钢结构、不规则曲面混凝土壳体和清水混凝土异形梁柱结构也给结构施工带来了极大的难度。

(不同结构系统的连接)

在上海天文馆的所有结构中,难度最高的是钢结构球体网壳和曲面混凝土壳体底座两部分组成的球幕影院。

混凝土壳体为接近半球形的混凝土薄壳,顶部通过6个牛腿支承一个直径为29米的球体网壳,达到悬浮星球的建筑效果。为了减小混凝土壳体的厚度,减轻混凝土重量,在壳体外表面设置上翻加劲肋,保证壳体内表面的光滑。

(天文馆球幕影院结构示意图)

壳体结构的承载能力高、刚度大、节省钢材,因此在大跨空间结构中有着广泛的应用,壳体结构可以最大限度地利用结构的强度,用最少的材料覆盖最大的使用面积。

球幕影院的设计十分巧妙,球体网壳与下部曲面混凝土壳体之间仅通过6个牛腿支座连接,通过在混凝土壳体顶部设置型钢混凝土环梁,保证了球体网壳与混凝土壳体间力的传递。

计算结果表明,球体网壳与混凝土壳体的连接节点即使在1. 5倍设计荷载作用下也基本保持为弹性状态,其连接节点的构造是可靠的。即使在罕遇地震的作用下,球体网壳也处于弹性状态,下部的混凝土壳体则发生塑性变形,吸收地震能量,进而起到抗震的作用。

(正在建造中的上海天文馆)

不仅仅是球幕影院,上海天文馆整体的抗震设计都十分精巧。

轻盈的壳体结构和下部塑性的钢筋混凝土、钢结构相配合,使得在小震、中震条件下构件保持弹性,不会损坏;在大震条件下,诸多构件也能按照工程师们预先设计好的顺序依次发生屈服,且各种构件的损坏程度均在轻微损坏到轻度损坏之间的范围内,满足设定的抗震性能目标要求,确保极端条件下建筑内人员的安全。

(球幕影院截面图)

(三)从能源到室内环境,处处透露着人与建筑的和谐

上海科技馆不仅是一个安全的建筑,而且是一个绿色的建筑。

上海天文馆的设计团队采用BIM技术,对上海科技馆内的采光、日照、声学、热工、能耗等方方面面进行设计。

针对上海地区的气候特点和国内的经济技术水平,工程师们设计出了一套基于BIM的全新的绿色建筑评估体系,对建筑从能源到室内环境的全部方面进行打分评价。

最终评估结果显示,整个上海天文馆建筑群中的建筑都达到了绿色建筑的最高等级标准,这在建筑行业内起到了示范意义,有助于改进行业内对绿色建筑的认识。

作为一个大型公共设施,人流量巨大,保证参观者在场内顺畅参观、内部人流交通组织有序,是上海天文馆项目绿色建筑设计过程中体现人与建筑和谐不可忽视的重要方面。若场内空间结构和参观标识处理不当,就会导致上万参观者的活动分布不均,影响场内交通秩序。

为了处理这个问题,工程师们利用计算机模拟技术搭建了人流模拟模型,引用1∶1比例的Rhinoceros设计模型作为分析模型。采用四面体网格将整个空间分成64万份,并对内部通道宽度进行加密,最终模拟出人群的参观路线。

(人群计算模型)

经过系统的设计,并基于此进行展厅布置,展馆内的人流呈现出了明显的流线状态,并且有了鲜明的流动方向,既不易造成参观人流的交叉、迂回和拥堵,又具有明确的连续性以及很好的导向性。

除此之外,各展厅的灵活性和独立性相对较高,因此可以根据具体情况自由开放或关闭。