哈爾濱大劇院科技創(chuàng)新與應(yīng)用

哈爾濱大劇院位于松花江北岸，與太陽島隔江相望，是一座集演藝、濕地觀光于一體的國際一流觀演建筑。該工程由中國建筑師提供整體設(shè)計方案，是黑龍江省規(guī)模最大、功能最完善的標(biāo)志性文化設(shè)施。

運用大地藝術(shù)景觀手法對原有自然濕地、水系合理保留利用，使建筑更加貼近自然。建筑形體采用異型曲面設(shè)計，外部線條流暢飄逸，內(nèi)部弧線自然柔和。采取三維聲線分析、混響時間計算等多種聲學(xué)分析方法，對建筑形體、裝飾形式、材料選取進行優(yōu)化，實現(xiàn)專業(yè)劇院的音質(zhì)效果。采用自由曲面箱型彎扭網(wǎng)殼等多種鋼結(jié)構(gòu)形式組合滿足建筑流線外形的需要。屋面幕墻設(shè)有人行步道，采用了倒插疊瓦式構(gòu)造，分散排水避免形成雨幕，且自下而上不會形成陰影。在公共大廳、大小劇場、排練廳等多處引入自然光，節(jié)能美觀。

施工中利用BIM技術(shù)與三維快速測量裝置相結(jié)合，解決了自由曲面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的拼裝與吊裝難題，經(jīng)鑒定該技術(shù)達到國際先進水平。獨創(chuàng)的8耳板轉(zhuǎn)接件解決了復(fù)雜四棱錐玻璃頂?shù)陌惭b。采用逆施工法，解決了曲面金屬幕墻的安裝。公共區(qū)域任意曲面GRC復(fù)合木裝飾采取工廠模塊化加工與現(xiàn)場制作相結(jié)合，填補了國內(nèi)該方面技術(shù)的空白。將測量機器人、三維激光掃描與BIM技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)了復(fù)雜全曲面造型施工的精確定位及控制。采用了市政管線廊橋合一、地埋式一體化生活污水處理循環(huán)系統(tǒng)等54項綠色施工技術(shù)及措施，實現(xiàn)了濕地保護與節(jié)能減排的目標(biāo)。

哈爾濱大劇院獲ArchDaily年度最佳文化建筑獎，中國建設(shè)工程施工技術(shù)創(chuàng)新成果獎，中國鋼結(jié)構(gòu)金獎，全國綠色施工及節(jié)能減排競賽優(yōu)勝工程金獎，黑龍江省建設(shè)工程質(zhì)量“龍江杯”，發(fā)明專利1項，實用新型專利7項，國家級工法1項，冶金行業(yè)部級工法1項，各類獎項共30項。

一、設(shè)計創(chuàng)新舉例

（一）建筑與自然融合的大地景觀設(shè)計理念

哈爾濱大劇院坐落在松花江北岸江畔，以環(huán)繞周圍的濕地自然風(fēng)光與北國冰封的特征為設(shè)計靈感，運用大地藝術(shù)景觀手法對島內(nèi)原有自然濕地、水系合理保留利用，使建筑設(shè)計更貼近自然，達到天人合一的自然美景，展現(xiàn)了哈爾濱獨特的冰雪文化內(nèi)涵和“冰城”性格。

夏天像環(huán)繞江邊濕地飄動的綢帶，倒影在寧靜的水面與天空流動的浮云交織著；冬天又如破冰而出的雪山，圍著厚厚的圍巾，靜靜地守候著冰封延綿的母親河。建筑如行云流水般順暢自然，與松花江渾然一體，面向密集的高樓大廈和喧囂的城市，守候著自己的一份寧靜。獨特的建筑風(fēng)格和先進的使用功能，精雕細琢出這傳承現(xiàn)代文明的藝術(shù)殿堂，靈動的建筑造型和獨特的建筑空間，呼應(yīng)了這融合于自然的設(shè)計理念。

（二）異型全曲面空間設(shè)計

哈爾濱大劇院內(nèi)外空間無任何直角元素，外側(cè)采用異型曲面設(shè)計，使整座建筑如行云流水般流暢。

大劇院室內(nèi)設(shè)計是外部冰雪概念的一個延續(xù)，冰雪的潔白純凈又加上木頭的溫暖熱情，一冷一暖兩種自然色彩和肌理的結(jié)合共同構(gòu)成了大劇院室內(nèi)設(shè)計的概念。設(shè)計概念中融入了自然冰雪的顏色與形態(tài)，讓整個空間顯得自然純凈，融化中的冰雪，看似靜態(tài)又富有流動感，融水不斷劃過冰洞頂層雕琢出了最自然的弧線形態(tài)，體現(xiàn)出了哈爾濱地域風(fēng)情。

舞臺像一個橫置的“碗”，“碗口”朝向觀眾，“碗底”為面向觀眾席的舞臺后部。絕大多數(shù)劇院舞臺，后部多是開放式，用于觀眾出場和謝幕，而大劇院劇場舞臺不同之處是，左、后、右三面封閉，像是把表演者置入橫置的“碗”中。由于“碗口”比“碗底”大，造成視覺上豁然開朗，而觀眾席呈一定坡度，引入自然光和水晶樓座設(shè)計，這給角落的觀眾增加了視覺上的舒適感，在感觀上與舞臺拉近了距離。劇場頂部與底部的整體設(shè)計像一個貝殼，中部舞臺和觀眾席的頂棚寬敞，觀眾席邊的入口處是矮線條，只比人高出一米左右，雖然行走起來略顯壓抑，卻使入座的觀眾感覺像是被封閉空間的劇場環(huán)抱起來。觀眾席由曲線式的木質(zhì)隔板對稱彎曲分割成6個部分，這樣的區(qū)域式設(shè)計，讓區(qū)與區(qū)之間的觀眾互不干擾，一定程度上實現(xiàn)了私密性。

（三）多功能的幕墻設(shè)計

哈爾濱大劇院幕墻采用金屬復(fù)合幕墻、四棱錐玻璃采光頂幕墻、清水混凝土板幕墻等9大幕墻體系來保證結(jié)構(gòu)外形效果。

劇院屋面采用了國際獨創(chuàng)的立體紋理異形曲面結(jié)構(gòu)金屬幕墻，形成皮膚狀呼氣式建筑表皮，展開面積達5萬m2。屋面為二次曲面，外裝飾層鋁板的分格采用了四邊形板擬合，在Rhinoceros模型中提取要分格的曲面導(dǎo)入數(shù)字化建模系統(tǒng)，提取曲面的UV線，將UV線在曲面內(nèi)分別進行兩個方向的偏移，通過平衡確定了1000mm的分格優(yōu)化尺寸，形成了總量3萬余塊鋁裝飾板塊。

通常，建筑幕墻板塊會將上面的板覆蓋下面的金屬板，但在哈爾濱大劇院這個項目中是倒插疊瓦，將下面的金屬板覆蓋在上面的金屬板之上，連接處形成一條開縫，通過這種方式，無需用精確至毫米的施工工藝來完成高難度的曲面拼接，開縫接頭也能有效防止雨雪的侵蝕，上一層的金屬板也不會將陰影投射至其底下的金屬板，縱向連接的可見接頭縫有利于屋面分散排水，避免形成雨幕。同時設(shè)計了集觀光、清洗、消防、排水于一體的人行步道，實用美觀。

此外，四棱錐的玻璃幕墻猶如冬季的冰凌，鮮明的棱角彰顯了北方的大氣渾厚，非常契合哈爾濱的人文歷史特色和地域特色。步入哈爾濱大劇院的公共大堂，光從由四棱錐玻璃體組成的曲面采光頂灑落，整個大廳似水晶一樣晶瑩剔透，讓人仿佛進入夢幻空間。

采光頂龍骨連接節(jié)點三維示意圖

（四）復(fù)雜形體結(jié)構(gòu)體系設(shè)計

哈爾濱大劇院屋頂采用多種形式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，配以復(fù)雜的邊界條件和連接節(jié)點，構(gòu)成了精致的外形結(jié)構(gòu)，同時對結(jié)構(gòu)體系進行穩(wěn)定性評估和罕遇地震分析，保證了結(jié)構(gòu)的安全可靠。

多種鋼結(jié)構(gòu)形式的融合，設(shè)計出了自由曲面高精度玻璃頂箱型彎扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、復(fù)雜異型雙（多）層焊接球節(jié)點網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、扇形變曲面屋面折彎梁結(jié)構(gòu)等，保證了建筑設(shè)計流線美觀。

哈爾濱大劇院鋼結(jié)構(gòu)屋蓋跨度大，且體型復(fù)雜，設(shè)計時考慮了三類結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的計算：鋼屋蓋結(jié)構(gòu)線性屈曲分析；鋼屋蓋結(jié)構(gòu)考慮大變形的幾何非線性的穩(wěn)定分析；鋼屋蓋結(jié)構(gòu)考慮材料和幾何雙重非線性的穩(wěn)定分析。此外鑒于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，針對大、小劇場結(jié)構(gòu)進行了罕遇地震作用下的動力彈塑性分析。采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS，考慮幾何非線性與材料非線性，樓板按彈性進行分析，保證了結(jié)構(gòu)的安全性。

（五）劇院建筑設(shè)備節(jié)能設(shè)計

哈爾濱大劇院采用多種建筑節(jié)能措施，大劇場、會議室、排練廳等多處地方創(chuàng)造性地將室外的自然光引入室內(nèi)，小劇場的后臺也設(shè)計為透明的隔音玻璃，使得室外的自然環(huán)境成為了舞臺的延伸和背景，為小劇場的舞臺創(chuàng)作提供了新的可能性，這些措施不僅獨特新穎，而且節(jié)能美觀。

24小時運行或全年需要制冷的房間如消防控制室、安防控制室、硅控室、功率放大室采用多聯(lián)機系統(tǒng)，以減少主機開啟時間。同時設(shè)置新風(fēng)換氣機在可以利用新風(fēng)制冷以及多聯(lián)機不能使用時使用，可以實現(xiàn)免費制冷。

劇院位于中國北方城市哈爾濱市，該城市是東北寒冷城市，需要在屋面天溝內(nèi)填加融雪系統(tǒng)對天溝進行融雪化冰。對本項目考驗最為嚴(yán)峻的季節(jié)是在初春、初冬季節(jié)時早晚溫度變化較大的情況下，天溝及落水管會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，進而造成屋面漏水、冰塊墜落，以及雨水管內(nèi)因結(jié)冰而凍裂等引發(fā)安全事故。所以將發(fā)熱電纜沿著天溝、落水口等易于積水、結(jié)冰的部位敷設(shè)，使屋面排水溝始終保持暢通不結(jié)冰，并盡量節(jié)省電能，達到經(jīng)濟實用的最佳效果。

在所有的屋面雨水排水溝、雨水斗、室外處敷設(shè)的雨水管均設(shè)電熱融雪系統(tǒng)，避免這些關(guān)鍵部位出現(xiàn)結(jié)冰。保證排水路徑的暢通，避免雨水管和雨水斗的凍脹破壞。

二、施工創(chuàng)新舉例

（一）多種類異型扭曲鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究及應(yīng)用

多種類異型扭曲鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)，以分區(qū)模塊化施工為核心、空間定位詳圖技術(shù)為支撐、高效拼裝為中樞、高精度測控為關(guān)鍵，通過對施工過程進行科學(xué)分析與判斷，巧妙劃分基本拼裝和吊裝單元，使得整體上差異巨大的空間結(jié)構(gòu)，在經(jīng)過單元劃分后，各個單體差異變得足夠小，達到了易于形成加工和安裝的模塊化施工的效果；利用軟件輔助確定構(gòu)件控制點的三維坐標(biāo)，在計算機工況模擬和高精度測量技術(shù)的配合下，保證了拼裝和吊裝的精度，實施模塊化的拼裝和吊裝工藝，并根據(jù)現(xiàn)場條件確定合理的作業(yè)流水和大型機械，應(yīng)用該成果創(chuàng)新技術(shù)，完成了自由曲面高精度玻璃頂箱型彎扭網(wǎng)殼、復(fù)雜異型多層焊接球節(jié)點網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、扇形變曲面屋面折彎梁以及相關(guān)的多種功能性連接支撐件的施工，克服了復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)中的施工繁瑣、措施成本投入大的困難。

玻璃頂網(wǎng)殼工程總量約700t，結(jié)構(gòu)由350個鼓節(jié)點和約500根箱型梁組成，從標(biāo)高6m爬升到標(biāo)高54m，中間出現(xiàn)兩次曲面波峰和波谷，本項目中自由曲面高精度玻璃頂箱型扭曲網(wǎng)殼的曲面和彎扭，依靠箱型梁與269個鼓節(jié)點彎扭連貫連接實現(xiàn)的。本技術(shù)主要的技術(shù)重點難點在于網(wǎng)殼單元的劃分、標(biāo)準(zhǔn)化拼裝和模塊化吊裝。

自由曲面玻璃頂網(wǎng)殼圖

（二）自由曲面空間定位控制技術(shù)

哈爾濱大劇院結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造型獨特，空間定位控制是施工中的一大難點。工程將三維激光掃描技術(shù)、測量機器人和BIM技術(shù)相結(jié)合，采用三維模型和二維電子圖紙進行數(shù)字化定位放樣，改變傳統(tǒng)放樣模式；利用數(shù)字化測量儀器和應(yīng)用軟件進行實體測量和數(shù)據(jù)圖形化處理，改變傳統(tǒng)的質(zhì)量檢查方法，使質(zhì)量檢驗數(shù)字化，真正實現(xiàn)了數(shù)字化測量與數(shù)字化管理。

測量機器人是一種全自動高精度、具有世界領(lǐng)先水平的一種全站儀。它有世界上最好的數(shù)據(jù)采集器和放樣軟件，無需目鏡，直接運用手簿（小筆記本）操作，能將CAD平面坐標(biāo)圖、三維坐標(biāo)圖、Revit模型（BIM模型）導(dǎo)入手簿中，進而通過儀器進行放樣。放樣的同時，可以記錄現(xiàn)場的放樣點，將數(shù)據(jù)返回原來的BIM模型，將施工現(xiàn)場的實際數(shù)據(jù)和設(shè)計數(shù)據(jù)做比對，進行誤差分析，大大提高放樣精度及工作效率。

1．機器人放樣流程

2．機器人測量流程

本工程使用的是天寶RTS873測量機器人，測角精度為3″，測距精度為±2mm+2ppm。將哈爾濱大劇院的BIM模型輸入到TFL后，所有的結(jié)構(gòu)點、放樣點都能很好地體現(xiàn)，一目了然。此外，可將每天測量放線的記錄在TFL中制作成生動的報告，達到精準(zhǔn)測量。

（三）綠色施工

哈爾濱大劇院的建造始終以保護濕地生態(tài)環(huán)境為宗旨，從設(shè)計到施工，認真貫徹綠色施工節(jié)能減排的理念，改變和創(chuàng)新現(xiàn)有的施工方式和管理方式，將綠色施工滲透到施工中的各個環(huán)節(jié)。采用的隔振、消聲控制技術(shù)，完美地隔絕了噪聲的傳播，對濕地周圍生物的生存環(huán)境絲毫沒有影響。此外，大劇院所設(shè)置的外部管道，全部隱藏于廊橋下，對濕地的面貌絲毫沒有破壞。

污水處理工藝流程圖

哈爾濱大劇院生活污水采用地埋式一體化生活污水處理循環(huán)系統(tǒng)，污水處理工藝流程圖如上圖所示，本項目采用的工藝先進成熟，處理效率高，操作管理簡單、方便、靈活，并盡可能地節(jié)省占地面積和能耗，降低運行費用。

采用具有抑制諧波功能的電容補償裝置，避免對電網(wǎng)的污染，充分利用冷卻塔風(fēng)機啟停技術(shù)、能量調(diào)節(jié)自控裝置、新風(fēng)系統(tǒng)、大溫差運行系統(tǒng)、變頻調(diào)速裝置、熱交換裝置等減少設(shè)備運行能耗，冷水機組冷卻水經(jīng)冷卻塔循環(huán)使用，循環(huán)率＞98%，并采用各類高效率、低噪型設(shè)備并作減震、隔聲處理，減少噪聲污染，所有衛(wèi)生器具均采用節(jié)水型器具，各總供水干管上均設(shè)置水表，以便有效管理及監(jiān)察用水，避免浪費。

地下生活水箱出口設(shè)置紫外線消毒器通過這些成果的實施不僅節(jié)約了大量資源，還降低了污染排放，增強了綠色施工的效果，減少了施工廢棄物的產(chǎn)生，為施工過程的節(jié)能環(huán)保做出了顯著貢獻。

哈爾濱大劇院廣泛推行綠色建筑技術(shù)28項和綠色施工技術(shù)26項，總計54項。