第十届中国花卉博览会世纪馆

业主：光明生态岛投资发展有限公司

位置：中国上海

总承包商：上海建工集团股份有限公司

建筑设计：华建集团华东建筑设计研究总院

钢结构加工和制作：上海市机械施工集团有限公司

景观设计：华建集团上海现代建筑装饰环境设计研究院有限公司

绿建顾问：上海市建筑科学研究院有限公司

世博局

位置：阿拉伯联合酋长国迪拜

总承包商：Pfeifer公司

建筑设计：Hopkins建筑事务所

成本顾问&项目经理：Turner & Townsend公司

主要工程承建商：AFC公司

风洞试验：RWDI公司

机电顾问：Eadon公司

项目管理：CH2MMace公司

这是结构和建筑表达的完美融合，通过一个创新性的壳体结构和创造性的细部构造打造了一个高效、高性能且有成本效益的设计。

需要采用高等参数化设计和三维建模技术来实现这个外露的混凝土壳体造型。一个开创性的“自由边界预应力平衡混凝土薄壳”体系被引入这个项目来将结构高度降至最低——壳体的跨度超过280m，而最小厚度仅为250mm，也大大降低了对材料的需求。

这是一个混凝土结构令人印象深刻的设计和智慧运用，打造了一个非常轻质的纤薄壳体结构。

这个蝴蝶状场馆是第十届中国花卉博览会的中心场馆，也是中国最大跨度覆土混凝土壳结构。结构工程师们采用了参数化设计方法来实现结构和建筑的一体化。为了降低能耗，取消了建筑立面墙体来增加对流通风。展室是由和主结构相互分离的可替换单元组成的，确保能够满足未来翻新、改造的需求。 

如果从无人机视角俯瞰上海崇明岛，有一只巨型蝴蝶格外醒目。它全身线条优美，翅膀上覆盖着土壤并种满花草。这是第十届中国花卉博览会地标性建筑“世纪馆”。世纪馆因造型别致而备受人们关注。第十届中国花卉博览会于2021年5月在上海市崇明区隆重启幕，是献礼中国共产党建党百年的一次盛会。花博会总体规划布局为“一心、一轴、六馆、六园”：“一心”为大花核心区；“一轴”为花博轴；“六馆”为复兴馆、世纪馆、竹藤馆、百花馆、花艺馆和花栖堂；“六园”为依托园区森林、花田、水系、湿地等特色风物（风景和物品），构建玉兰、梅花、菊花、兰花、荷花和竹园六大展园。

第十届花博会主题为“花开中国梦”，整个花博园区的外形轮廓是一朵牡丹花的形象，象征着大国风范。由华建集团华东建筑设计研究总院原创设计的世纪馆为“六馆”之一，是花博园最为重要的建筑之一。世纪馆位于花博园区的主入口，花博园主展区大花核心区中心主轴靠南区域，总建筑面积12,000㎡。世纪馆以创新设计“蝶恋花”呼应中国梦，描绘花开盛世、多元文化和谐共融的美好画卷。据华建集团华东建筑设计研究总院总建筑师杨明介绍，世纪馆是全球最大的蝴蝶形建筑，翼展近300m，高度可达14.9m。这只巨型蝴蝶似展翅腾飞，设计颇有深意。世纪馆造型从中华虎凤蝶抽象而来。中华虎凤蝶是我国的国宝蝴蝶，设计师把它的形态元素提炼、转译，再运用到建筑当中。世纪馆分东、西二馆，世纪馆南向屋面以花卉、绿植、采光庭院等构成“蝶恋花”造型。馆西侧为“生态-可持续-永续”的植物主题馆，传达中国崛起过程中所秉承的可持续发展理念。馆东侧为花博会主题视觉艺术演绎的多媒体展厅，独具特色的花卉展示空间带来“一花一世界”的沉浸式体验。同时结合园区运营需求，提供园区管理办公、游客服务中心等功能。

世纪馆的美感来自于薄壳屋顶起伏、延展的柔和、流畅，而打造连续拱壳的技术难点则在于对拱壳轮廓趋势的推导、研磨。如何控制薄壳横断面的矢跨比，使展馆屋盖各处都能满足造型流畅性、净高舒适性、排水合理性、结构安全性等组合因素的要求是设计过程中最考验建筑技巧和专业协同的一步。

世纪馆的独特之处不仅仅是蝴蝶造型，它的弧面屋顶还将种满花草，翅膀处的种植屋面面积2万㎡，覆土平均厚度达45cm。建筑能否安全负重？更加有趣的是，这只蝴蝶翅尖着地，游客还能通过步道走到它身上去。蝴蝶壳体厚度仅250mm，而从理论上说却能同时负载3,000人。这背后有何玄妙？结构是世纪馆最大的挑战，“薄壳”则是世纪馆解决问题的手段，促成蝴蝶第五立面“花海”的效果呈现。世纪馆是采用国内首创的预应力自平衡超大跨度自由边界混凝土薄壳结构，也是目前国内跨度最大的自由曲面混凝土壳体，东西长约280m，南北长约115m，壳体厚度250mm，壳体边缘由隐藏于屋面覆土层内的上翻梁限定，可以使面向公众视线的壳体下表面呈现出连续、平滑的曲面。这种“有选择性地呈现结构”去除了所有与“大观”感受无关的细碎信息，只保留单一的大尺度空间效果，提炼主题意境的同时也使结构控制的形态逻辑得以更清晰地展现。世纪馆中央通道处设置了四道钢-混凝土组合张弦桁架以平衡壳体的侧推力，其中一榀张弦桁架的吊点兼作中央通道处连桥的支撑点；东馆1,080°的旋转楼梯，最大悬挑长度约12m，中间以一根摇摆柱支撑，通过设置调谐质量阻尼器解决舒适度问题。设计力图以简单的结构力学概念成就蝴蝶之美。

设计结合整体覆土的建筑形式，通过种植屋面与周边林木的互动、消隐的建筑体量实现建筑主体与周边环湖生态景观环境的完美融合。蝴蝶“翅膀”约20个标准网球场大小，整体覆土，由随机排列的高细摇摆柱支撑，在保证结构合理性的同时，形成“树林”意向，呼应生态主题。依据结构计算设置的88根摇摆柱高6~12m不等，保持着1:28左右的高径比，貌似随意的选位营造出一片“树林”的意象。作为一层宽宥松弛的空间界面，摇摆柱阵列用一道虚拟的屏障限定了参观管理的内外部场域，穿越高高的“树林”抵达林中阳光灿烂的庭院即是参观世纪馆的正确打开方式。蝴蝶整体开敞，由螺旋上升的楼梯直达屋顶。不等径钢制旋转楼梯约80t重，最大悬挑10m且用一根柱子串起。创新且极具挑战性的设计最终成就了未来花博园中“最佳网红打卡点”的诞生。

匠心设计呈现纯净的曲面空间，纯净的曲面空间是全专业反复磨合的成果，是各种特例与巧合综合而成的特殊解，成就了世纪馆的唯一性。世纪馆以地下结构拉结层作为容纳综合管廊的空间，原本在楼板下穿行的设备管线得以隐藏，保证了空间的纯净。整体开敞的设计策略使每个展厅均独立配备空调系统，巧妙避免配备穿越公共空间的风管和屋面设备机组的必要，在净化室内空间的同时使“第五立面”成为纯净的“花海”。

世纪馆屋面集中展现了上海设计、施工的精细度。这个屋顶弧面是由设计师与结构工程师一点点“磨出来”的：通过实际的数字找形以满足空间净高需求为初始依据，先由建筑师生成壳体原型，结构工程师随后以其为基础进行系统性定量力学分析，通过“逆吊法”与“薄膜法”共同配合进行结构找形验算，再将结果反馈给建筑师进行局部修正。在修正过程中，自由曲面的连续性变化会导致修正结果产生不定向偏差，而蝴蝶形廓的自由边界、不对称开口又使计算与验证的迭代难度增加，需要进行反复的变量设定才能最终得到满足各项需求指标的结果。这一数字程序辅助找形的过程实际上更像是逐层递进的“手工打磨”。壳体原型在各专业人员不断地参数修正下逐渐演变为各项均好的“定型”，完成后的数字“定型”还可以根据需要被分解成结构受力、板底轮廓、排水找坡等多个不同的合理曲面形廓。

弧面屋面越到边缘处曲度越大。屋顶的花草会不会掉落？如果屋顶浇水会不会影响游客正常出入？这些疑问在设计中都得到了妥善处理。为了防止土壤和花草掉落，施工方在屋面种植土内埋设了一层土工格栅，可起到固定效果。屋面配备了自动灌溉系统并在边缘处设置了排水沟，雨水可通过弧面自行流入水沟，不会流向地面，更不会影响游客进出。步入世纪馆，人们会发现，现场找不到一根屋面的落水管道。这是因为设计师将落水管道“藏”在了柱内，既不影响视觉效果，又解决了屋顶排水问题。在131根柱里，共有6根落水柱。这些柱又细又长，随机排列，形似森林，它们的实际功能是支撑弧面屋顶并呼应生态主题。

从参观者的仰视视角出发，世纪馆保持曲面壳体整体表现力的关键是如何规避展示空间所需设备和管线形成的负面视觉制约。在地埋式综合管沟解决了大部分管线穿越问题后，建筑师在蝴蝶两翼中心布置了4个不对称的屋面开口。开口的设置在化解超尺度覆盖面积、为翼下庭院引入自然采光的同时，也在规范层面上令两翼之下的公共空间被定义为室外安全区并由此从根源上免除了屋面下设置消防喷淋系统带来的不良观感。不对称的格局超越了对蝴蝶自然形态的简单模拟，使4个开放庭院呈现不同主题特征，既丰富了水平空间的视觉层次感，又减少了设备造价。

作为植物特色馆，世纪馆本质上是一个植物科普教育基地，其虚拟展示区与实体展示区各自承载着多媒体演示与植物实体展示功能。为避免常规温室所需的大规模机电设备系统，世纪馆充分利用会期的温和气候，以整体开敞的策略营造全自然的通风采光环境，以被动式节能策略最大程度地降低设备系统的负荷，遵循花博会“生态办博”的核心理念。

建筑师在世纪馆设计中采用了主体+替换单元的组合方式，以永久存在的壳体作为建筑主体，以可替换的功能单元“独立展厅”承载使用功能，从而达到在会期为后置展厅提供足够兼容度，也保证会后改造时新旧功能单元替换的最大灵活度，契合“可持续性”设计理念。

要把屋顶从设计图变成现实也不容易。清水混凝土自由曲面的施工是相对高精度、高成本、长周期的工作，也是世纪馆工程成功与否的关键。但项目建造面临的现实情况是不到9个月的工期、崇明地区不完善的施工技术条件以及严格受限的建造成本，这就迫使世纪馆屋面施工采用了一条更为简单但却比较笨拙的“捷径”。据上海建工集团的项目团队负责人介绍，整个屋面是混凝土壳，施工存在难度大、时间长、危险系数高等一系列困难。团队经过4个多月连续奋战才克服了3万多个不同的标高测绘、30万m预应力钢绞线埋入、4,800多t高支模钢管搭设和连续曲面薄壳摇摆的复杂结构等施工难题。

在前端的支模工序中，施工现场采用了“针尖法”定义整个曲面坐标。0.8m×0.8m的坐标网上密布脚手钢管逐点模拟高程，总共3万多个坐标点形成的“针尖阵”渐变放样出蝴蝶两翼壳体的曲面形态。在此基础上，双层模板也使用针对自由曲面的适应性排布，内层125mm×1,500mm的窄条模板错缝搭接使人在近距离仰望时既能感受到曲面的整体连续性，又能察觉出混凝土表面的质感纹理；外层900mm×1,800mm的宽面模板用来增加模板体系的支撑强度，最大程度地限制灌浆浇筑时的凹陷形变。

在后端的浇筑工序中，世纪馆2万㎡的巨大屋面被划分成7个区域，分段、分步施加了40,000kN超大预应力用以约束壳体的自由端。施工从蝴蝶两翼向中间推进，先施加60%的预应力，稳定之后拆除底部支撑与模板，再敷设60%的覆土，利用覆土的自重使结构变形趋于稳定，之后重复前述步骤使预应力达到80%，最后再达到100%。如此缓步增加预应力使壳体经历了逐渐“变强”的过程，以4个月的“适应期”为代价，巨大的蝴蝶形壳体得以安全地呈现出来。

世纪馆作为花博园的核心展示建筑，除了形态上回应“蝶恋花”的主题意象之外还必须在建筑技术层面响应“生态办博、节俭办博、科技办博”的客观要求。虽然蝴蝶的外观绚丽多彩，但它的建筑本体必需“健康绿色”。在覆土建筑的基础上，世纪馆利用巨大的覆盖阴影，通过对水平通道、顶部植被、光导采光等绿色技术的适宜整合，重点突出了自然采光、自然通风、覆土保温对季节性建筑节能的价值。同时，建筑以未来为导向，结合42天会期过后改造、利用的要求，将屋面壳体和摇摆柱做成基础性永久结构，而将展厅等可变功能用房设计成易于拆除、替换的抽屉式部件，为建筑日后的可持续更新和全寿命综合节材做好了准备。世纪馆这只彩色的蝴蝶其实有着一副“绿色”的身心骨架。项目设计完成后不久，就获得了中国绿色建筑三星标识和美国WELL建筑标准的预评金奖。

总而言之，世纪馆依托蝴蝶造型、开敞空间、连续拱壳以及覆土屋面等非常规设计，以完全非标的曲面建筑成就独一无二的艺术美感。华东总院建筑师和结构工程师付诸专业与专注，以原创设计彰显“中国设计”风采，助力花博会演绎生态文明建设成果，绘就花卉强国之梦。“薄壳”是世纪馆解决问题的手段，它集合了所有对设计的思考，促成了蝴蝶第五立面的“花海”效果，使源自“蝶恋花”的覆土坡屋面最终得以“花恋蝶”，实现了对命题的升华，也使世纪馆最终实现了如蝴蝶羽化般的“蜕变”。