拉膜結(jié)構(gòu)在文化遺址保護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

于建勛

（山西鼎隆建筑裝飾工程有限公司，山西 太原 030006）

1 引言

標(biāo)題中提到的兩種元素，一新一舊，一實(shí)一虛，看似沒有什么聯(lián)系，但是就在一次翻看雜志的時(shí)候，極其偶然的看到一篇介紹索膜結(jié)構(gòu)建筑的文章，它的開篇是這樣寫的：“最早的索膜建筑是遠(yuǎn)古時(shí)代人類居住的帳篷，……。”遠(yuǎn)古時(shí)期文化的典型代表——半坡文化遺址的保護(hù)與規(guī)劃嗎？因此，一個(gè)關(guān)于半坡遺址保護(hù)廳建筑設(shè)計(jì)論文的想法由此而生。

2 造型與結(jié)構(gòu)概念

類錐型懸鏈面單元是空間張力膜結(jié)構(gòu)的基本形體體系單位，現(xiàn)代膜工程的開拓者德國學(xué)者奧托早期用實(shí)驗(yàn)方法把皂泡膜原理應(yīng)用到膜面結(jié)構(gòu)找形分析中。它依據(jù)的原理是，皂泡膜中任一點(diǎn)對任意軸的拉應(yīng)力都相等，也就是說，皂泡膜構(gòu)成的空間曲面是等力極小曲面。

膜結(jié)構(gòu)：輕柔的特性造就獨(dú)有的非直線設(shè)計(jì)；雙向張力+鋼索實(shí)現(xiàn)大跨度、大空間；揮灑建筑師藝術(shù)表達(dá)自由、展示結(jié)構(gòu)師超凡實(shí)力……。膜結(jié)構(gòu)可以從根本克服傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在大跨度（無支撐）建筑上實(shí)現(xiàn)所遇到的困難，可創(chuàng)造巨大的無遮擋可視空間，有效增加空間使用面積。

而遺址保護(hù)大廳的一個(gè)特點(diǎn)就是需要對遺址的絕對保護(hù)。對于半坡近3000 m2的展示面積，就需要設(shè)計(jì)大跨度無柱的空間。這樣既保證了展示空間的完整和視覺的干凈，還確保了對遺址的最小破壞。本方案通過比較，選擇了主桁架加穩(wěn)定斜撐的結(jié)構(gòu)方案，每跨跨度為48 m，斜撐長度為25 m，均為桁架結(jié)構(gòu)。這樣總共只需基礎(chǔ)7處（外加4處索栓掛點(diǎn)），大大減少了對遺址的影響。在梯形的主桁架上立格構(gòu)式鋼柱，在柱上掛索，索上覆膜。這樣，膜材本身就承受活荷載，包括風(fēng)壓、溫度應(yīng)力等，膜既是覆蓋物，亦是結(jié)構(gòu)的一部分。

3 題目背景

西安半坡遺址位于西安市東郊 河?xùn)|岸，是黃河中下游流域一個(gè)典型的新石器時(shí)代史前文化人類聚落遺址，距今6000多年。1953年，中國科學(xué)院考古所發(fā)現(xiàn)了半坡遺址，出土了大量珍貴的陶、石、骨質(zhì)工具、用具與藝術(shù)品，還發(fā)現(xiàn)了數(shù)百座房屋、窯穴、陶窯、圍溝、墓葬等遺跡。它的發(fā)現(xiàn)再現(xiàn)了中華民族在黃河流域生活、繁衍、奮斗、發(fā)展的歷史，對認(rèn)識關(guān)中地區(qū)乃至黃河流域的原始聚居文化以及半坡類型與其他類型仰韶文化的關(guān)系，具有關(guān)鍵性的意義。

在考古工作基礎(chǔ)上，1958年國家文物部門建立了西安半坡博物館，這是中國乃至亞洲第一座遺址博物館。博物館建館40余年，接待游客超過2000萬人次，是我國重要的歷史博物館和100個(gè)愛國主義教育示范基地之一。

經(jīng)過長達(dá)半個(gè)多世紀(jì)的考古和歷史研究，一方面人們對半坡遺址的認(rèn)識有了長足的進(jìn)步，文化遺產(chǎn)保護(hù)理論也趨于成熟；另一方面，半坡博物館周邊環(huán)境也發(fā)生了巨大的變化。時(shí)代和城市對半坡遺址的保護(hù)和利用都提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，為此，陜西省文物局、西安市政府和半坡博物館提出重新制定半坡遺址保護(hù)規(guī)劃，建設(shè)半坡遺址公園，改造和重建半坡遺址保護(hù)大廳（圖1）。

圖1

4 設(shè)計(jì)要求

4.1 館址的無選擇性

遺址博物館是社會文化教育單位之一。遺址及遺址出土的文物、遺跡、展品是遺址博物館的主要內(nèi)容。而根據(jù)《文物法》對土遺址的要求，應(yīng)該采取原址保護(hù)的方式。遺址的陳列、展示大廳也只能建筑在遺址的當(dāng)?shù)兀础耙蛑方^”。

4.2 要求環(huán)境的適應(yīng)性

遺址博物館建筑在遺址原來的位置上。其原來區(qū)域上的文化內(nèi)涵必然豐富。對遺址博物館來說，要求周圍環(huán)境不改變或與遺址原來的環(huán)境相近似這一點(diǎn)，較其他類型的博物館要嚴(yán)格得多，應(yīng)該盡可能地保持遺址的原有風(fēng)貌。

4.3 建筑形式受遺址的制約性

遺址博物館一般具有斷代性和專題性，對建筑形式的要求也具有特殊性。博物館的建筑形式，要求符合該遺址的專題文化內(nèi)涵。一方面，它的建筑規(guī)模必須受遺址規(guī)模的制約。館的大小要由遺址的面積決定。另外，從建筑形式上，也必須能反映遺址的文化特征。因此，建筑設(shè)計(jì)必須依據(jù)遺址的規(guī)模、數(shù)量、形式及本質(zhì)的文化特征來考慮形式設(shè)計(jì)的要求。

由于遺址保護(hù)的特殊性，對遺址保護(hù)建筑也提出了特殊的要求：①遺址保護(hù)建筑必須與遺址當(dāng)?shù)氐淖匀幻婷才c人文特征相結(jié)合，成為遺址當(dāng)?shù)氐囊惶幦宋木坝^。②保護(hù)建筑是直接建立在遺址上的，使建筑設(shè)計(jì)、建筑施工的過程中，必須考慮到對遺址及遺址中的文物、遺跡的保護(hù)。遺址上的建筑面積、平面構(gòu)圖必須依遺址的形狀為標(biāo)準(zhǔn)，而且要超過遺址的面積，使遺址全部都能包容在建筑下。

5 保護(hù)文物場所設(shè)計(jì)要求

半坡遺址出土了大量的屋址、柱洞、窖穴、圍溝等不可移動(dòng)的土遺址，按照《文物法》的要求，應(yīng)該采取原址保護(hù)的方式。在所探明的遺址范圍中現(xiàn)在僅僅展示了西部將近3000 m2的范圍，針對這3000 m2的揭露展示，必須是在保證遺址本身的完整性和真實(shí)性的基礎(chǔ)上的。這就要求保護(hù)大廳的建筑基礎(chǔ)不能落在古遺址的文化層上；為了不破壞遺址的原貌，應(yīng)使用可以還原的結(jié)構(gòu)、材料形式；保護(hù)廳的建筑在滿足常規(guī)建筑防火、疏散等要求的基礎(chǔ)上，還要考慮針對土遺址的溫濕度和防風(fēng)化等影響的設(shè)計(jì)問題。

圖2

膜材具有較好的阻燃和耐高溫性能，可以很好地滿足防火要求。而針對土遺址的防火措施則不能像一般建筑那樣采用噴淋等有水作業(yè)，因?yàn)檫@樣會對遺址造成不可挽回的破壞。因此，只能使用干粉滅火器或泡漠滅火器。

對遺址大廳的設(shè)計(jì)，必須設(shè)置前廳或者過廳，一是減緩?fù)饨绛h(huán)境的突變對遺址造成的破壞，再者也是凈化參觀游人和參觀環(huán)境的必要空間。遺址保護(hù)廳的內(nèi)部應(yīng)保證溫濕度的控制，防止溫度冷熱變化使遺址開裂、脫落等現(xiàn)象。

6 設(shè)計(jì)過程

設(shè)計(jì)的本質(zhì)在于它具有個(gè)性的發(fā)展過程，“Work in Progress”這個(gè)源于英語的概念意旨：為實(shí)現(xiàn)最初目標(biāo)所進(jìn)行的一系列分析，推敲及完善工作。

蛹吐絲形成繭子，最后變成蝴蝶的現(xiàn)象給人們這樣的啟示，一個(gè)自然而精美的形態(tài)總是在經(jīng)過一系列的演變后得以形成的。

與此同時(shí)，2018年我國天然氣市場化改革快速推進(jìn)。2018年4月，國家發(fā)改委、能源局出臺《關(guān)于加快儲氣設(shè)施建設(shè)和完善儲氣調(diào)峰輔助服務(wù)市場機(jī)制的意見》；5月，國家發(fā)改委出臺《關(guān)于理順居民用氣門站價(jià)格的通知》，天然氣定價(jià)機(jī)制進(jìn)一步向市場化邁進(jìn)；同月，國家發(fā)改委出臺《關(guān)于統(tǒng)籌規(guī)劃做好儲氣設(shè)施建設(shè)運(yùn)行的通知》，我國天然氣管網(wǎng)改革加速。

40多年前由蘇聯(lián)專家協(xié)助設(shè)計(jì)建造的保護(hù)大廳反映了當(dāng)時(shí)的建筑風(fēng)格和生活狀況。21世紀(jì)的今天人們嘗試一個(gè)突破：自然形態(tài)與功能的完美結(jié)合，尋求一種從內(nèi)容到形式都有別于常規(guī)的保護(hù)建筑形式——使用拉膜結(jié)構(gòu)，（圖2）全新闡釋半坡文化的歷史風(fēng)貌。為了這個(gè)不同尋常的設(shè)想，筆者查閱了相關(guān)的資料，甚至向膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)公司咨詢、索要資料。幸運(yùn)的是通過各方面的支持，使筆者堅(jiān)持做了下來。通過制作模型和電腦建模，使筆者更加認(rèn)定了它的可行性。在這里，保護(hù)建筑、生態(tài)與技術(shù)得到了充分的揉和，它不只是個(gè)保護(hù)大廳，更將作為21世紀(jì)人們對遠(yuǎn)古文化的全新詮釋。

圖3 設(shè)計(jì)草圖

6.1 承上啟下的設(shè)計(jì)

走在遺址大廳里，在昏暗的燈光下觀看遺址，那大大小小的柱洞、屋址仿佛在演出一幕先民日出而作，日落而息的場景。通過考古復(fù)原，人們可以看到當(dāng)時(shí)的房屋的形象，有的是雙坡屋頂?shù)?，有的是四坡屋頂?shù)模梢韵胂螽?dāng)時(shí)圍溝內(nèi)“帳篷”成群的景象?，F(xiàn)在的半坡遺址博物館的大門的造型就是取自“木骨泥墻”的半坡房屋的造型。

在新的世紀(jì)里應(yīng)該使用新的建筑形式，而膜結(jié)構(gòu)建筑正好可以充分滿足需要。膜結(jié)構(gòu)中的“類錐型懸鏈面單元（帳篷膜單元）”是本次方案設(shè)計(jì)的最佳選擇形式。它是由懸鏈線繞中心軸旋圍合而構(gòu)成的空間曲面，俗稱帳篷膜單元。帳篷是人類早期用獸皮（膜）為材料構(gòu)筑的建筑空間，現(xiàn)代索膜結(jié)構(gòu)延用并發(fā)展了它的構(gòu)筑模式。

圖4呈現(xiàn)在人們面前的將是一個(gè)“大帳篷”，最高點(diǎn)為14m，東、西兩廳上空各起一個(gè)膜構(gòu)屋頂，屋脊處各起兩個(gè)峰，一高一低，成三角狀向內(nèi)聚合，這樣使兩個(gè)屋頂既是獨(dú)立的兩個(gè)部分，也可以構(gòu)成形式上的完整、統(tǒng)一。屋頂?shù)恼龑赡_落地，這樣，屋頂就不是單純的屋頂了，它還充當(dāng)了立面的效果。整個(gè)膜結(jié)構(gòu)屋頂以白色為主，圍合部分選擇土地的顏色，深沉而穩(wěn)重，幾乎可以與地面相揉和。在楊柳的襯托下，你可以說它就是“半坡村”的一個(gè)大房子，位于村落的中央，每當(dāng)有重大事情時(shí)，村民都會聚集在這里。你也可以說它像一個(gè)未完成的考古工地的臨時(shí)帳篷，考古工作者還在里頭發(fā)掘研究。你還可以說它就像一把撐開的大傘，為遺址遮風(fēng)避雨。它的造型為每一個(gè)看到它的人提供了寬闊的想象空間，同時(shí)，它也的滿足了半坡歷史信息的延續(xù)。

圖4

6.2 生態(tài)與節(jié)能

當(dāng)我們在進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)該考慮到如何讓我們的環(huán)境更人性化，更加的生態(tài)。無論從設(shè)計(jì)上還是技術(shù)上，膜結(jié)構(gòu)可以提供一個(gè)非常生態(tài)的建筑形式。

采用雙層膜結(jié)構(gòu)，在兩層膜結(jié)構(gòu)之間形成空氣層，帽頂留有通氣孔（圖5），這樣，通過風(fēng)壓和熱壓的作用產(chǎn)生空氣流動(dòng)，帶走熱量，減小人工控溫的能源消耗。另外，它的材質(zhì)是織物材料，有很好的透光性和較高的反射性及較低的光吸收率，并且熱傳導(dǎo)性較低，這極大程度上阻止了太陽能進(jìn)入室內(nèi)。

膜材的半透明性保證了適當(dāng)?shù)淖匀宦⑸涔庹彰魇覂?nèi)。膜材的透光率通常為20%，且能反射掉95%的太陽能熱量，故既能節(jié)約室內(nèi)照明用電，又能保證室內(nèi)溫度適宜，非常符合節(jié)能要求。如果夜晚反打燈光，整個(gè)膜結(jié)構(gòu)呈透明狀，非常醒目。

膜材還具有自潔性。其表面加涂的防護(hù)涂層具有耐高溫的特點(diǎn)，而且本身不發(fā)黏，這樣落到膜材表面的灰塵可以靠雨水的自然沖洗而達(dá)到自潔的效果。

圖5

7 結(jié)束語

拉膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已有數(shù)10年的歷史，是設(shè)計(jì)師發(fā)揮想象力重要的材料和建筑形式，被譽(yù)為“夢幻材料”。目前，膜結(jié)構(gòu)90%都是公共建筑。在公園、體育場館、車站、機(jī)場、港口、展覽中心、路橋收費(fèi)站、停車場、加油站、戶外公共環(huán)境等場所，都有膜結(jié)構(gòu)工程的身影，膜結(jié)構(gòu)建筑往往都成為城市、建筑群體的視覺中心點(diǎn)。膜結(jié)構(gòu)獨(dú)特而富有美感的形體、舒展的空間和親和力，一直受到公眾的贊賞。目前，在全球，拉膜建筑無論在工程還是在科研領(lǐng)域都處于熱潮中。索膜建筑功能的多樣化和使用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)跨度或高度不斷增大，使索膜結(jié)構(gòu)體系成為標(biāo)志性建筑。由于材料科學(xué)的迅速發(fā)展，新的優(yōu)質(zhì)建筑膜材不斷出現(xiàn)，再加上膜結(jié)構(gòu)特有的柔順曲面、廣闊空間、半透明的室內(nèi)環(huán)境，使得膜結(jié)構(gòu)具有廣闊的發(fā)展前景。在追求自然和環(huán)保的今天，拉膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正悄然走進(jìn)人們的生活。