以上海天文館為例淺析天文館建筑特點與結構設計

張權赫

摘 要：天文館是激發(fā)人類對宇宙奧秘探索的重要鑰匙，而每個地區(qū)的天文館都有其不同之處。為向大眾普及天文相關知識，突顯我國天文學特色，全新規(guī)劃打造的上海天文館的場館建設工作已完成。 因此我們在淺析天文館的建筑特點與結構設計的同時，對于上海天文館的建筑背景，獨到的理念和特殊結構，以及對復雜部分的抗震設計進行了分析。

關鍵詞：天文館;跨度殼體結構;建筑展示;抗震技術

中圖分類號：TU352.11 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）06-0251-02

1天文館的研究意義及現(xiàn)狀

1.1 天文館研究意義

長久以來，中國只有一個北京天文館，這遠遠無法滿足中國人對了解宇宙奧秘的需求。天文館的建造意義在于它可以擬現(xiàn)地球以外的空間和人類對太空的探索歷程，激發(fā)出每一個人對宇宙的好奇和對天文的喜愛。為完善我國對天文學相關知識的展示及科普功能，經(jīng)過兩年多的努力，以“塑造全面的宇宙觀”為愿景，以“激發(fā)人們好奇心”為使命，為使我們更加了解宇宙的形態(tài)為目的而打造的上海天文館目前已完成建設工作[1]。天文館是一類特別的科普展示場所，它將再現(xiàn)深邃的星空，展現(xiàn)神秘的宇宙世界，帶領我們走進一片星辰中。因此為建設體驗感、功能性俱佳的展館，有必要對天文館的設計和構造進行分析與研究。

1.2 國內(nèi)外天文館建設現(xiàn)狀

我國有許多天文科普場所，如天津科技館、上海科技館等設置了天文體驗專區(qū)。北京天文館是我國第一座亦是目前唯一的大型天文專題展覽場所，由此可見上海天文館的建設可以進一步完善我國天文科普領域的工作。為了獲得更好的太空模擬效果，打造出還原度更高的天體影像，天文館通常將屋頂結構作為大型展示區(qū)域。在場館建筑設計方面，上?？萍拣^使用了半圓環(huán)形平面及橢圓玻璃球體中庭等特殊構造[2]。而國外也有許多天文館，如伽利略天文館的場館造型是將等邊三角形作為設計單元，通過局部與整體的關系體現(xiàn)再生設計的理念;海登天文館中使用了直徑為21米的大球作為結構主體。

因使用功能不同，大型場館在建筑與結構設計方面上也有著顯著的差異。本文將淺談現(xiàn)有天文館的特點，并對在2021年將要開放的上海天文館進行著重分析。

2天文館建造特點

2.1 天文館特殊構造

天文館是可以讓人們能夠接觸到星海的最近之地。雖然在每個國家，每個地區(qū)的天文館都有所不同，但他們卻也有著相同的地方。上海天文館的球幕影院，海登天文館的直徑21米的大球，天津科技館的穹頂顯示屏以及上?？萍拣^的橢圓玻璃球體中庭。幾乎每個天文館都有一個“大球”，用來擬作一片天空或一幕影像，使我們可以在陸地上便能感受到浩渺的星河。

2.2 大跨度結構

在每個天文館中幾乎都能看到一片大跨度屋頂，大跨度屋頂由于使用材料與構造形式的不同可以被分為由桿件連接而成的網(wǎng)架結構，由網(wǎng)架體系結合殼體造型而形成的空間網(wǎng)殼結構，實現(xiàn)曲面效果的輕型膜結構等[3]。使用大跨度結構不僅可使建筑物造型更加美觀，也可通過節(jié)省施工材料等方式使工程建設更加經(jīng)濟合理。

許多大跨度建筑都選用了殼體結構，如榮獲魯班獎的國家大劇院，便使用呈橢圓狀的鋼結構殼體。因為殼體結構可做成大部分形狀因此廣泛應用于各類工程中，如大跨度建筑物屋頂、中小跨度屋面板、特殊建筑。而且這類結構能夠實現(xiàn)大跨度的覆蓋空間卻不需要設置支架，所以它能夠大幅度的減少材料的使用。殼體結構也有許多種類，例如網(wǎng)架結構：它可以實現(xiàn)空間工作，簡化傳力途徑。建設于08年北京奧運會的國家體育館采用了雙向張弦空間網(wǎng)殼結構[4]。

3上海天文館結構設計

3.1 工程概況

上海天文館位于浦東新區(qū)，用地占5.86公頃，建筑高達23.95米，總建筑面積約3.8萬平方米。建筑總層數(shù)為四層，其中地上三層，地下一層。上海天文館項目除主題場館外，另設置了天文臺等三個附屬建筑以完善園區(qū)功能[5]。為更好的再現(xiàn)宇宙實景，上海天文館利用鋼結構球體網(wǎng)殼打造了一個巨型球幕影院，其中球體的曲殼區(qū)域部分最大距離達11.8米，墻厚500毫米[6]。上海天文館作為中國第二個天文館，在完工后即將成為目前世界建筑面積最大的天文展示場所。

3.2 技術創(chuàng)新

上海天文館的雙曲面殼體混凝土結構，頂部通過六個牛腿來支撐一個直徑為29米的球體來造成一個懸浮球體的效果。上海天文館有三個方案來對曲殼結構進行施工：其一是使用定制異性鋼模板，其二是使用彎曲塑料模板，其三是使用拼接木模板。因其殼體結構內(nèi)的構件設計要求如內(nèi)梁，跨度，排架凈高等均超過一定數(shù)額因此成為了施工難度較大的工程。從而上海天文館在三個施工方案中選取了雖周期較長但操作簡單便于修改的拼接木模板方案，同時在施工過程中使用BIM技術來減少誤差[6，7]。

3.2.1 結構設計

上海天文館的球型劇場是由球體和底座兩部分組成。其中球體的選型采用了鋼結構的單層網(wǎng)殼設計，而承托殼體的底座部分則選用了混凝土材料進行施工。劇場里面的觀眾坐席選擇了鋼梁作為主要承重構件。為不影響劇場模擬太空的展示效果以及觀眾的浸入體驗感，上海天文館殼體結構的加勁肋設置在結構的外表面，同時還可達到降低混凝土結構的重量及厚度的目的。

根據(jù)設計規(guī)范要求，球體與網(wǎng)架之間的支架由于重量，結構的原因，撓跨比需小于1/400。通過比較剛性連接與鉸性連接的撓跨比模擬數(shù)值可知，為滿足設計需求，球體與混凝土殼體之間的支座應選用剛性連接的方式。通過計算軟件，將1.5倍的設計值模擬為實際荷載工況，得出各節(jié)點的連接處仍保持彈性的狀態(tài)。所以，連接懸浮球體與下部殼體之間的節(jié)點構造是可靠的[5]。

3.2.2 抗震技術

根據(jù)抗震技術規(guī)范要求以及上海天文館工程所采取的特殊構造，在抗震技術方面需要達到以下兩點性能目標：一是滿足罕遇地震下的構件彈性狀態(tài)。根據(jù)相關模擬數(shù)據(jù)可知，在大震情況下，對結構筒體及桁架進行彈塑性分析。其中懸挑區(qū)的鋼桁架結構滿足要求呈彈性狀態(tài)，而混凝土與鋼結構連接的區(qū)域僅有局部應力損傷。對該損傷區(qū)域內(nèi)的鋼筋進行改造設計，加密布置后的結構筒體在罕遇地震作用下可以呈彈性狀態(tài)。二是達到中震彈性，罕遇地震不屈服的要求。主要構件如桁架、網(wǎng)殼、步道等應實現(xiàn)上述抗震目標。上海天文館建筑抗震設計的整體計算使用MADS和SAP2000軟件。為確保樓板的抗震性能，需要對其模擬中震作用下的應力分析。為保證結構的正常使用，需要對于球幕影院，大懸挑及穹頂及等重要構件分別進行模擬討論[8]。

4上海天文館建筑特點

4.1 建筑設計背景

上海市天文館項目的負責團隊于2012年完成了對展館的策劃、場地考察及項目研究工作。經(jīng)過2年的時間，天文館項目的建筑設計最終確定，該方案充分體現(xiàn)了三體系統(tǒng)，即地球，太陽與月亮的基本運動規(guī)律。建筑的外輪廓與外部的人行通道以橢圓線條來比擬行星在運行時的軌跡。建筑的倒置穹頂?shù)奶厥庠O計更是點睛之筆，隱藏地平線的視角及走道的朝向都將體驗者深入體驗宇宙的奧秘。由建筑物本身打造的體驗場景，如圓孔天窗，巨型球幕與自然光合作而形成的投影無一不在與天文學的知識呼應。目前已實現(xiàn)整體建筑竣工，場館預計于2021年擇期開放[1]。

4.2 建筑設計特點

上海天文館為將建筑設計與天文學展示相結合而采用的設計可大致分為五個方面：四時天象的體驗、日晷的建筑表達、天體運行軌道的擬化、不同天體的對比、中國古代天文儀器的介紹[9]。

四時天象與倒轉穹頂?shù)慕Y合，通過將其余干擾降至最低的方式，使游客將注意力大幅度的集中在天空中，從早上到午夜，人們都可以不受干擾地觀察天空。由于室內(nèi)的投影星空也使原本有限的空間，與倒轉穹頂?shù)慕Y合變?yōu)榱藷o垠的星空，因此觀眾可在天文館中不僅能體驗天空的魅力也能穿梭于星辰之間感受宇宙的浪漫。

日晷的建筑表達形式，利用場館圓孔天窗的洞孔傾斜角對應于太陽的日照角度，日光透過圓洞在下方與池塘形成的倒影，可以表達年與天的光學示圖。“圓洞”既建筑形式的日晷，甚至可以表明月相。

將內(nèi)坡道的走向與天體運行的軌跡相結合，使建筑設計與天文原理相呼應，以此來融入天文概念。軌道與引力的設計理念不僅使建筑外觀更加美觀，還使游客可以在天文館中游玩時感到動態(tài)感。

5結論

上海天文館在建造時使用的雙曲面殼體混凝土結構，不僅可以減少建筑材料，還達到了建筑更加美觀的目標。在上海天文館的抗震設計中，使用了數(shù)值模擬的方法來驗證結構設計的方案，以此保證結構的各項安全性能。上海天文館將建筑設計方案與展示功能相結合，使得觀眾在進入場館的同時就好像進入宇宙一般。因此上海天文館作為我國第二個天文館，不僅在技術上使用了多處創(chuàng)新點，更在設計理念上貼近了宇宙的主題。

參考文獻

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[2] 毛小涵.上?？萍拣^建設[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

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[4] 龐崇安.大跨空間結構在奧運場館中的實踐與發(fā)展[J].建筑技術，2010，41（2）：102-105.

[5] 徐曉紅，李巖松，肖魁.上海天文館球幕影院復雜殼體混合結構設計[J].建筑結構，048（3）：37-41.

[6] 顧佳瑋.上海天文館雙曲面殼體混凝土結構施工[J].上海建設科技，2019，232（2）：64-66+69.

[7] 陳家遠，郜江，劉婧.BIM技術在上海天文館設計階段的應用[J].土木建筑工程信息技術，2016，8（4）：10-16.

[8] 郜江，李亞明，賈水鐘.上海天文館結構抗震設計[J].建筑結構，2018（3）：30-36+61.

[9] 李巖松，吉亞妮，徐晨.淺析建筑空間與展示相結合在上海天文館項目中的應用[J].科技創(chuàng)新與應用，2017（13）：245.