【精品案例】“蝴蝶欲飞”美感建筑—无锡大剧院结构设计

项目简介：无锡大剧院位于蠡湖南岸，总建筑面积7万多m2。整个建筑如同一只展开翅膀的蜻蜓静静停伏在蠡湖波澜不惊的水面上，空中俯瞰又如8片巨大的树叶，轻轻飘落于城市湖水之畔。

无锡大剧院由大、小剧场两部分组成，其中大剧场由5片叶子状建筑构成，为容纳1700多名观众的主观演厅；小剧场由3片叶子状建筑构成，为容纳700多名观众的多功能厅。建成后的无锡大剧院可以举办世界一流的歌剧演出，同时能满足一流的交响乐、戏剧、舞蹈、会议以及芭蕾演出的需要；多功能厅则可以举办小型乐队的室内乐和古典音乐、戏剧、电声音乐以及时尚秀等演出。



无锡大剧院外形似“翅膀”，为保证其可行性，需要通过反复做模拟吹风风洞试验以检测“翅膀”的承载力和安全性能；为便于检修支撑“翅膀”的网格镀锌钢管，在关键节点布设传感器以实时监测钢管杆件的位移、晃动状况。空中俯瞰，无锡大剧院又似“叶子”，这是由屋顶下方2.2万片多曲面穿孔铝板组成的。按照惯例，国内类似建筑多采用平面三角形组成空间曲面，但看上去生硬，本工程90%以上的穿孔铝板本身就有曲线，各不相同的小曲面组成最后的大曲面，更生动圆润(见图1)。

图1 无锡大剧院工程

结构设计

建筑设计

无锡大剧院的主题设计思想基于选址。太湖北岸的人造半岛与附近的公路大桥使这个建筑场所与悉尼歌剧院极为相似。屹立于此处的建筑因而成为令人印象深刻的建筑地标，剧院高达50米，如同从阶地上拔地而起的一座巨大雕塑。八个巨大的翼状屋顶远远地伸展出立面，赋予建筑蝴蝶一般的外观，同时保护建筑免受炎炎烈日的烘烤。

建筑的概念独一无二：在钢质翼状结构中安装了成千上万的LED灯，这样就能根据表演的性质来变化“翅膀”的颜色。这一点是可以实现的，因为翅膀的下方覆盖着多孔铝板。另一大特色是由50根光柱组成的“森林”，每根光柱都有9米高，从主入口广场开始，支撑着中央大厅的屋顶，一直延伸到湖边的入口处。

整座建筑中贯穿着一种强烈的中国特色：大规模使用竹子这种既传统又现代的中式材料。近年来，竹子的全新生产与使用方法日渐增多，设计师得以使用超过15000根坚固的竹构件覆盖主要的歌剧礼堂，所有这些构件都是根据声效与建筑形象的需求而单独定制的。

项目中还采用了一种富有芬兰特色的材料：近两万块特别设计的玻璃砖覆盖着湖边大堂中的歌剧礼堂的弧形墙面。芬兰特色、湖泊与冰块，都赐予设计师以灵感。

PES-Architects建筑师事务所早年的国际项目包括德国的圣玛丽音乐厅和芬兰赫尔辛基的万塔机场。在中国的项目还有一栋位于成都的192米高多功能大楼，最近正在兴建之中，这是2009年一次国际建筑设计竞赛的一等奖作品。

PES-Architects建筑师事务所在中国设计与建设市场拥有8年的丰富从业经验，并于2011年秋开设了萨米宁希诺宁建筑设计咨询（上海）有限公司。

无锡大剧院位于蠡湖南岸，总建筑面积7万多m2。整个建筑如同一只展开翅膀的蜻蜓静静停伏在蠡湖波澜不惊的水面上，空中俯瞰又如8片巨大的树叶，轻轻飘落于城市湖水之畔。

无锡大剧院由大、小剧场两部分组成，其中大剧场由5片叶子状建筑构成，为容纳1700多名观众的主观演厅；小剧场由3片叶子状建筑构成，为容纳700多名观众的多功能厅。建成后的无锡大剧院可以举办世界一流的歌剧演出，同时能满足一流的交响乐、戏剧、舞蹈、会议以及芭蕾演出的需要；多功能厅则可以举办小型乐队的室内乐和古典音乐、戏剧、电声音乐以及时尚秀等演出。



无锡大剧院外形似“翅膀”，为保证其可行性，需要通过反复做模拟吹风风洞试验以检测“翅膀”的承载力和安全性能；为便于检修支撑“翅膀”的网格镀锌钢管，在关键节点布设传感器以实时监测钢管杆件的位移、晃动状况。空中俯瞰，无锡大剧院又似“叶子”，这是由屋顶下方2.2万片多曲面穿孔铝板组成的。按照惯例，国内类似建筑多采用平面三角形组成空间曲面，但看上去生硬，本工程90%以上的穿孔铝板本身就有曲线，各不相同的小曲面组成最后的大曲面，更生动圆润(见图1)。

图1 无锡大剧院工程

设计施工难点
作为复杂的公用建筑，无锡大剧院工程因其独特的工艺及造型要求，涵盖了土建及钢结构施工中的诸多难点、创新点

深基坑土方开挖

支撑拆除

大体积混凝土浇筑

膨胀后浇带施工

舞台施工工艺部署

劲性钢结构施工

预应力施工

高抛混凝土施工

玻璃钢模施工

异形柱支撑施工

高支模处高大截面梁施工

斜墙支撑施工

舞台观众厅测量放线技术

斜墙外脚手架搭设等。

尤其在钢结构施工方面，本工程钢结构由8个“叶片”组成，每个钢结构叶片分为立面框筒柱、肩部桁架、屋盖顶部桁架及斜支撑墙四部分，分别为弯扭螺旋结构、双向弯扭结构、双向双曲结构、三角桁架结构。从整体看钢结构叶片属于空间弯扭管桁架结构。主管绝大部分都是弯扭管，规格多数量大，因此钢管弯曲加工是一大难点。高大异形钢结构支撑、钢结构滑移、吊顶格栅施工也是钢结构施工的难点。
高空间、高大截面梁组合式支撑体系的应用。无锡大剧院工程在结构转换层部位存在超高空间的高、大截面梁，最大截面1500mm×3800mm。为满足大跨度、高大截面框架梁的支撑系统强度、刚度要求以及挠度控制，并保证施工现场操作方便、工程造价低廉，采用型钢、钢管组合式支撑系统，通过脚手架和型钢的共同作用，将高大截面梁的混凝土浇筑荷载及自重传递到已施工完成的结构上。

该支撑体系的原理为采用方钢代替常规木方，可把上部荷载均匀的传递给竖向构件。同时跨中设置竖向工字钢，并同周边脚手架连接成一体，形成一个有效的支点，使框架梁的跨度减半，弯矩降低1/4，从而保证组合支撑体系满足承载力、刚度、挠度的要求（见图2）。该技术获得国家专利。

图2 组合支撑体系原理
超高、大斜向剪力墙组合式支撑体系的应用。为了满足舞台使用的特殊要求，本工程存在多处超高、大斜向空间，其中最大处斜向剪力墙结构墙厚600mm，高13.75m，倾斜角度75°。受混凝土浇筑高度的限制，斜墙顶部无水平支撑楼板,按照常规加固方法,对斜墙内侧的支撑加固体系进行加强，不仅耗用大量人力、钢管、扣件，而且由于钢管脚手架搭设较密，操作空间受限，很难保障脚手架搭设质量。另外，斜向剪力墙的挠度控制难度加大，也不利于后期的室内外装修。
为此，项目部采用一定规格的钢丝绳，配套花篮螺栓进行斜拉，钢丝绳一端固定在结构梁板原设置的预埋钢筋上，另一端穿过斜向剪力墙内侧，固定在斜墙内侧模板加固体系中的钢管上。斜墙内侧根据超高脚手架设计要求所采用的钢管脚手架支撑的横杆、立杆（斜度范围内）需与斜墙相连。斜墙外侧钢丝绳的斜拉和内侧竖向及横向钢管支撑共同作用，形成了斜墙加固的组合支撑体系，共同来承受斜墙钢筋混凝土结构的竖向荷载以及混凝土浇筑时的施工荷载（见图3）。该技术获得国家专利。

图3  超高、大斜向剪力墙组合式支撑体系原理
高大异形钢结构组合式支撑体系的应用。本工程钢结构体系为复杂的曲线空间网格管桁架体系，与下部混凝土结构基本脱开，自成体系。整体结构分为A1～A5、B1～B3 8片巨大“叶片”，“叶片”之间互不连接，其中最大钢结构叶片重达1300t。

钢结构叶片位于混凝土屋面之上，从空中看“叶片”在吊装过程中须在混凝土屋面上做支撑架。但混凝土结构复杂，屋面各个区域的标高不同，若采取点支撑则支撑的刚度及整个支撑体系的整体性都存在安全隐患，考虑到安全及可操作性，采取型钢胎架及钢管组合式支撑体系最具可行性。

型钢胎架及钢管组合式支撑体系设计原理是考虑到高大异形钢结构在吊装过程会产生很大的侧向力及竖向力，为确保脚手架的侧向稳定性以及竖向承载力，同时精确控制竖向支撑与异形钢结构的空间定位，需要在脚手架顶部设置转换钢平台及型钢胎架。该平台在脚手架顶部形成一个有限的约束，加强了脚手架的整体稳定性。在平台的选材过程中主要考虑平台的刚度，防止平台在屋盖钢结构的吊装过程中扭曲变形，并使其刚度、挠度、承载力完全满足使用要求。型钢胎架在承受上部高大异形钢结构荷载的同时，可以根据异形钢结构的空间坐标要求，进行定位调整（见图4）。该技术获得国家专利。

图4 型钢胎架与钢管组合式支撑体系原理

大型钢结构桁架屋面滑移。本工程钢结构构件跨度大，如采用整体安装，施工现场载具基本无法满足要求。根据施工经验，采用钢结构滑移技术不仅可实现大型钢结构构件的顺利安装，还能节约工期和塔吊的使用时间。该技术为高空散拼整榀滑移，即首先在桁架下方搭设支撑胎架，利用塔吊将桁架构件吊至胎架进行高空散拼焊接，然后单榀滑出胎架，拼装另一榀，再逐步连接每两榀桁架之间的系杆，最后滑移安装就位（见图5、6）。钢结构滑移安装完成的构件，安装精准、安全高效，大型构件不仅可以满足直线滑移，更能做高难度的曲线滑移。

图5  整榀桁架拼装

图6  桁架滑移施工过程
高大异形钢结构加工制作技术。该技术分两步，一是钢管的弯曲加工，二是厂内制作。本工程钢结构构件基本由双向弯曲管组成，加工难度大，为此在加工时采用冷压加工，其弯曲加工设备采用大型油压机。弯管前先按钢管的截面尺寸制作上下专用压模，与油压机进行连接，在要弯制的钢管一端拼装一段钢管，待钢管压制成型后再切割两端的平直段，从而保证钢管端部的光滑过渡。钢管压弯采用从一端向另一端逐步煨弯，每次煨弯量约500mm，压制时对下压量严格控制，下压量根据钢管的曲率半径进行计算，分五次压制成型。

厂内制作时，先划地脚线（辅助定位），根据桁架平面投影的管头坐标及节点坐标把点放样出来，将其外轮廓投影线画到路基箱上，外轮廓线主要是用于吊线锤检查定位；立胎架，以支撑管件；最后装配钢管，根据地脚线管头及节点位置进行定位，调整好之后将主管与胎架用限位板焊好固定（见图7、8）。

图7 厂内加工

图8 钢管拼装

美丽绽放