iStructure樟宜机场之核心JewelChangi

星耀樟宜综合体  Jewel Changi Airport

项目地点：新加坡 Singapore，2019

建筑设计：Safdie Architects

主持设计师：Moshe Safdie

项目经理：Jaron Lubin, Charu Kokate

建筑设计执行：RSP Architects Planners &Engineers

屋顶结构与立面工程：Buro Happold

环境与可持续设计：Atelier Ten

景观设计：PWP Landscape Architecture

景观设计执行：ICN International Singapore

水景设计：WET

机电工程：Mott MacDonald

照明设计：Lighting Planners Associates

总承建：Woh Hup (Private) Limited

场地面积：38,500m2

建筑面积：135,700m2

建筑高度：地上5层，地下5层

分区面积：

机场运行面积19,400m2；

室内花园及景观21,100m2；

零售和食宿90,000m2；

中转酒店5200m2，地下停车场2500m2；

 

新加坡樟宜国际机场(Singapore Changi Airport) 位于距离市区约17公里的海边。机场选址建在樟宜有两个原因。第一是樟宜靠海，机场的扩建可以通过填海来增加土地范围；第二是飞机起降噪音对市民的影响小。

樟宜机场1号航站楼于1981年7月启用。随着航班数量和旅客人次不断增加，后填海造地，陆续兴建2号航站楼、3号航站楼、4号航站楼、商务贵宾航站楼、跑道、机棚等。

今天介绍的星耀樟宜（Jewel Changi Airport）位于1、2、3号航站楼之间，建筑场地原来是1号航站楼的室外停车场。2019年4月，这座连接3个航站楼的综合体建成开放。整个建筑由巨大的穹顶覆盖，集购物休闲、商业餐饮、景观花园、游乐场等多功能于一体，总建筑面积13.7万平方米。

1  建筑设计

星耀樟宜（Jewel Changi Airport）由著名建筑师摩西·萨夫迪 (Moshe Safdie) 领衔设计，地上5层、地下5层。整个建筑外观犹如一个巨型的甜甜圈，建筑立面幕墙与穹顶曲面连为一体。建筑内部设计有穹顶公园（Canopy Park）、森林谷（Forest Valley）和雨旋涡（rain vortex）等景观。

鸟瞰效果图

总图 平面

建筑剖面

穹顶公园（Canopy Park）是位于建筑顶楼的1.4万平方米的屋顶花园。此外，还有三个游乐景点设施：天空之网（Sky Nets）、迷宫世界（Canopy Mazes）以及奇幻滑梯（Discovery Slides）。

250米长的网道，既能享受离地飞跃的心跳体验，也能感受触及天空的兴奋心情。

屋顶的网道

奇幻滑梯（Discovery Slides）的管道在镜面不锈钢装置内，外表的镜面不锈钢映出森林的奇幻效果。

奇幻滑梯（Discovery Slides）

天悬桥，长约50米，通过钢索吊挂在穹顶钢结构上，桥面局部为玻璃，是游客俯瞰森林谷和室内瀑布的最佳观景点。

 

位于建筑核心地带的阶梯式的室内花园，称为森林谷（Forest Valley），它包含了步道和安静的休息区。

穹顶公园和森林谷汇集了来自世界各地的2000棵乔木、棕榈植物和超过10万株灌木。选用的植物，大多是不容易落叶的小叶植物，加上选用的培养土基的成分，不容易腐败变质。

花园的开发和运营最关键的挑战，在于如何平衡访客的热舒适度，同时又允许适量的自然采光进入建筑物，以滋养园艺植物。

 

雨旋涡（rain vortex）位于建筑的中心，是目前世界上最高的室内瀑布。40m高的巨大瀑布从玻璃屋顶中心的孔洞穿越多层花园倾泻而下，创造出令人叹为观止的视觉效果。

室内瀑布 “ 雨旋涡（rain vortex）

由Andy Cao和Xavier Perrot设计的艺术装置：晶云

从建筑方案草图中我们看到，设计师将雨旋涡瀑布略微偏心地移动到建筑一侧，以便轻轨捷运可以从建筑的正中穿过。这是因为，在设计星耀樟宜时，连接三个航站楼的轻轨已经在运营了。建筑施工时，连接航站楼的轻轨交通仍然不能间断，只能微调建筑方案了。

建筑方案草图

建筑方案草图-修改塔台和雨漩涡的位置

 

2   结构设计

项目设计团队主要有Safdie Architects(建筑设计)和 Buro Happold（穹顶结构和幕墙设计），以及一批国际合作者。

建筑的外观几何并非标准圆球形，而是像一个椭球形的甜甜圈，长轴206米、短轴约150米，中心的雨漩涡直径约12 米。“甜甜圈”的形态在屋顶花园处拱起形成大空间，而在中心处下凹形成“雨漩涡”。

穹顶网格：随着径向线条向中心汇聚，三角形逐渐变小，使得结构单元产生拥挤和实际施工安装等问题。设计团队在深化设计过程中，合并了中心区域一些过小的网格，利用局部网格过渡。对比建筑方案图和建成后效果，我们能发现这些网格的变化。

网格：方案效果图

网格：建成实景对

穹顶结构形式为单层网格，共有14,000 根钢梁和 6,000 个精密制造的节点，用钢量总计约4000吨。在屋顶花园的边缘、穹顶约1/4跨度的位置，沿环向共布置了14组分叉柱支承屋盖，其它区域则形成纯粹的无柱空间，最大无支承跨度约100m (注：笔者估算数值) 。 

我们知道，传统网壳受力以轴向力为主，充分发挥结构的形抗效应，使得构件尺寸纤细，实现非常通透的视觉效果。

BuildingGreat Court at the British Museum

樟宜机场Jewel 的曲面并非完美的薄壳形态，因此结构中除了轴向力以外，还有比较大的弯矩。Buro Happold设计团队使用 SAP2000 软件进行受力分析，包括线性与非性线分析、稳定性分析等。根据受力的大小改变结构构件的截面高度(保持截面宽度不变)。然后，利用OASYSGSA 软件再次验算设计结果。

从Buro Happold公开的结构分析资料看，似乎仅考虑了建筑屋面标高以上的穹顶，网壳外圈与下部建筑采用铰支座连接，而没有考虑穹顶与下部建筑整体受力和多塔连体问题。

?Buro Happold

穹顶结构内力图：上图为轴力、下图为弯矩  

Sap2000的内力分析图显示，从分叉柱到中心开洞之间的区域像一个倒锥形，在重力作用下结构径向和环向均以拉力为主，没有屈曲失稳的问题，弯矩作用也很小。因此，结构截面高度仅需要约200mm。

相比之下，外围的网壳受力更像是经典的壳体，结构以压为主。考虑到网壳受压失稳的问题，结构截面高度约300mm。

分叉柱支撑的区域受力比较复杂，承受了很大的弯矩和轴压力，结构的截面高度最大需要750mm。

穹顶结构受力状态分析

为了快速建模、生成、优化结构方案，工程团队使用了建筑信息模型 (BIM) 工具和Grasshopper参数化方法。基于Rhino平台，Buro Happold 和 Safdie Architects 的设计师之间可以无缝衔接模型数据。例如，利用Grasshopper参数化建模生成Sap2000分析模型，检验结构受力满足要求后，再导入Rhino中供建筑师检视穹顶的外观。

根据受力大小，环向和径向构件的高度不同。

 

自由曲面形态的天幕，曲面网格节点的多杆汇交处，数量众多的钢板几乎不可能完全对齐，错边咬边问题很常见。

常见的三角形网格节点的构件数量更多，理论上不存在绝对的无扭转节点（Torsion-FreeNodes），使得节点设计和施工难度更大。由于曲面网格的杆件实际上有宽度和高度而非单线、杆件角度不同、以及结构杆件层和玻璃面板层等构造层都有一定厚度，问题变得更加复杂。

无扭转节点（左）Vs 扭转节点（右）

幕结构常用的8种节点形式

小i在某期文章中总结了以上8种常用的天幕节点形式。樟宜机场Jewel在受力较小的区域，节点形式类似中心筒式装配节点 [笔者注：不确定是否仍需焊接] 。节点由德国承包商 Mero公司，按照三维模型使用CNC机器人精密的加工，铣削每个节点不同角度的端面。而简化为直杆的箱形截面构件，由新加坡钢铁制造商 Yong-Nam 使用机器人焊接。

樟宜机场Jewel的节点形式

为确保最终系统按预期工作，并保证组装和安装的过程，项目团队在设计阶段建造了一个 视觉样板模型，用于确定网壳钢结构的工艺水平。此外，还组装了几个性能模型来研究幕墙防水。

 

关于施工顺序，最早由设计团队提出设想：先在建筑屋顶安装周边环梁和分叉柱，然后安装柱顶受力较大的压缩环区域，再安装外围的受压网壳，最后安装中心的倒锥形。 

但项目施工方经过研究，变更了安装顺序。首先完成中心的雨旋涡，然后按顺时针次序分10片楔形安装屋顶。为此制作了可移动的楔形满堂支架，钢节点和钢构件都是单独起吊、原位散拼散装，其间有三组测量员负责监督。待结构整体成型后再安装幕墙玻璃。

建筑中间穿过的是持续运营的轻轨

分叉柱与网壳：柱顶销铰节点

分叉柱柱脚节点-铰接

天桥通过钢索悬吊在穹顶钢结构上

入口处的中庭

 

3   幕墙设计  

Jewel建筑体量巨大，建筑立面与穹顶屋面连为一体，表皮展开面积达23410平方米，由9000多块幕墙单元组成。通透的玻璃穹顶与建筑低区的金属幕墙形成明显的对比。

幕墙表皮：玻璃与金属板分布

 

穹顶的玻璃幕墙有如下特点：1. 特殊的三层中空Low-E+涂层玻璃，可以减少和调节日光透射，既满足植物生长，又减少室内热量。2. 为了把飞机的噪音降低到最低，玻璃有16毫米的中空隔音。3. 工程师们还进行了一系列的测试，以确保建筑外观的玻璃所反射出的强光不会干扰到塔台交通管制和飞机航视。4. 安全性和非常低的自爆率。5. 单元板块之间的防水。

穹顶夜景：外观

穹顶夜景： 室内

4  空调系统

为了营造出奇妙的空间效果和游览体验，建筑采用了大量创新设计。但与之相伴的，是其高昂的建造和运行成本。而能够支撑这一切的，是樟宜机场长期的成功运营，是其一年接近7000万的高品质旅客。

为了降低运营成本、减小能耗，设计之初就引入了建筑热环境分析，采用参数化能源模型，考虑幕墙透光率、遮阳设计、空调系统设计、植物需要的日光小时数等。

由于网格钢结构对太阳光有一定的遮挡作用，构件的截面高度与日光穿透率直接相关，因此能源分析模型与结构计算模型也相互关联了。

集成置换式冷却系统隐藏在梯田植被中，它们并非对整个内部空间进行冷热调节，而是仅对人居空间的地上1.5m空间的微环境，从而减小能耗。

动态玻璃遮阳系统和置换通风系统为各类室内活动提供了高度舒适的空间，并为屋顶下繁茂的植物带来适宜的光照。

局部室内遮阳膜辅助调节

“雨漩涡”：该地区降雨频繁，屋顶表面收集雨水，同时打造了室内瀑布景观。水沿着玻璃屋顶的孔洞，自由落入建筑地下三层的蓄水箱（蓄水435立方米）。 

瀑布的水从地下室水箱引上来，在距离中心的第3根环梁处注入“漏斗”，再从中心环梁的底部流下，形成落差达40米的瀑布。

瀑布坠入地下三层的大漏斗中

瀑布不仅仅是景观，还起到为环境降温的作用，据说有效降温达5摄氏度。空调系统与瀑布形成的微气候效应协同，对室内的热环境产生了很大改善。

室内瀑布对空气流动和热环境的影响

仔细观察分析图和照片，我们发现穹顶中心的“雨漩涡”并非真正的孔洞。“雨漩涡”中心采用了钢索撑起的ETFE膜，中心竖杆也采用透明的材料，实现最大程度的通透。

 

钢索撑起的ETFE膜，中心为透明材料的竖杆

 

星耀樟宜并不是一个航站楼，但它将两种截然不同的环境——熙熙攘攘的机场商业和优美的花园环境融合，创造了一种全新类型。 再次激活了新加坡机场、为旅客提供了全新的旅行体验，成为樟宜机场的核心和灵魂。

 

建筑师Moshe Safdie评价说：

“Together [Jewel and Crystal Bridges] make up the crown jewel for some of our significant achievements in the last few years. Both have benefited immensely from your engineering skills andengineering courage! They are beautifully crafted so that the details contribute to the whole, and the whole to the details.”

-----Moshe Safdie, Principal, Safdie Architects

   

参考资料

1. 维基百科：https://en.wikipedia.org
2. 樟宜机场的“心与魂”: 以社区为导向的全新建筑类型
3. https://www.gooood.cn/jewel-changi-airport-by-safdie-architects
4. https://www.aecbytes.com/profile/2019/ProjectProfile-JewelChangiAirport
5. https://www.structuremag.org
6. http://www.pwpla.com/projects/jewel-changi-airport