“蝴蝶”九問
——第十屆中國花卉博覽會世紀館的設計策略復盤

楊明 朱力元 Yang Ming Zhu Liyuan

對建筑師來說，涉及描畫具象生命形廓的建筑必是其最不愿面對的命題設計之一，不僅難在項目的空間尺度和功能匹配，更難在如何用建筑的語匯解讀自然的先驗邏輯。這類項目，成未必驚艷，敗則定然驚悚，屬于“相當燙手的山芋”，素為建筑師所敬而遠避。而我們，有幸碰到了。

2018年，第十屆中國花卉博覽會確定于2021年5——7月在上海崇明島舉行，我們被選中設計其中展示特色植物的世紀館。這是一座由景觀規(guī)劃確定的巨大地景建筑，位于花博會園區(qū)南入口的中軸線上，東西長度近300m。對應著“蝶戀花”的景觀主題，它的頂部覆土花園需要由五彩繽紛的花卉構成一只清晰的蝴蝶形廓。建筑的詩文寓意雖然貼切生動，但設計挑戰(zhàn)也因此而生。如何回應帶有具象生命形廓要求的前置命題，設計切入的頭緒很多，糾結也很多。作為思考的回溯，我們以“蝴蝶”九問的方式全景復盤世紀館的建筑設計策略，同時探討對建筑中“具象”問題的思考。

問一 蝴蝶如何走向建筑？

面對這樣一個前置性的建筑象形挑戰(zhàn)，我們最初的反應是要么勸說業(yè)主徹底弱化主題的意象強度，要么采用純粹的抽象形態(tài)進行轉譯建構，這樣才有可能將具象的蝴蝶形廓與建筑結合起來。然而，業(yè)主對這些形態(tài)策略均表示難以理解和接受，這讓我們意識到設計破題的關鍵也許并不在于題目給出的具象訴求，而是在于建筑師需要找到一種不同以往的設計視角和心態(tài)。

作為建筑師，我們對先于自身思考而成的具象形態(tài)有著下意識的職業(yè)抵觸和心理忌憚，很難從日常建筑的使用角度來看待它的場所合理性和功能可行性。我們可以向廚師烹飪學習，既然食材和裝盤式樣都已由他人代為選擇，烹飪的功夫就應該用在對過程之法的創(chuàng)造上。庖丁解牛，目中只需有牛而無需全牛。設計建筑，可以用具象之形的生成邏輯作線索，對建筑進行脫胎換骨的多樣重構，即使外觀相仿，而最終的空間氣質也可諸般不同。

所以，從蝴蝶走向建筑的破題之道其實只有一種，就是抽象，用空間解析手法將具象的生命之形與具體的建筑功用協(xié)調(diào)起來。這種可稱作“寫意”的設計手法知易行難，最大的難點是如何在建筑成型之前預先建立起一套控制建筑形態(tài)表達的實體邏輯，用以恰當平衡具形與抽象之間的分寸。這一實體邏輯一旦模糊，“寫意”則會流于隨意的對象取悅和形態(tài)想象，無法突破具象之形所帶來的心理壓力和精神束縛。

1 “蝶戀花”蝴蝶形廓

問二 蝴蝶與人的尺度關系怎樣？

如果一只螞蟻被放大到大象的尺寸，將給人帶來巨大的視覺沖擊和恐懼感。這是因為我們以自身形體作為生存想象和評價的標尺，對熟悉的日常事物的尺度突變都會產(chǎn)生基于生物本底安全意識的不適反應。對于世紀館這樣涉及具象生命之形的建筑而言，要消解3cm自然原型和300m人工造物之間突兀的聯(lián)想感受，通常可以有兩種手段：一種是建立尺度階梯，通過整體或局部的多級“近似”形成一種可供關聯(lián)把握的認知途徑，這種情況在以單元模數(shù)為基礎的諸多中國傳統(tǒng)建筑實踐中可以見到，而在以巴塞羅那的城市環(huán)境為背景，研究高迪建筑的特異風格時也能夠得到類似的認知；另外一種手段是建立陌生感，使這兩種差異尺度的事物都獲得自身的認知參照和評價依據(jù)，自然歸自然，人工歸人工，彼此獨立，然后才因為它們的形態(tài)相似性而被關聯(lián)討論。

這兩種手段如何選擇，取決于建筑物是否與其環(huán)境具有強烈的群體聯(lián)系或形式因果，強則取前，弱則取后。世紀館作為花博會園區(qū)內(nèi)最獨特的核心展館，在環(huán)境中具有與眾不同的節(jié)點定位，需要被個性化表達，故而設計采用了第二種方式，盡量使它成為一只可與其生物原型并置認知的新物種蝴蝶。實踐證明這是一次正確的選擇，使用者會更多地關注它作為建筑的新穎性，而非其與真實蝴蝶的相似度。

2 接近完工的世紀館3 “蝴蝶”的真實尺度

問三 蝴蝶形廓的控制邏輯在哪里？

作為一座功能型的覆土景觀建筑，世紀館首先提供的是大尺度的多功能展廳，需要在覆土條件下建立足夠高敞的室內(nèi)外空間，用以容納特色花卉的實物與虛擬展示功能，其背覆的蝴蝶形花草圖案可視為基于屋面功能性構造的美觀修飾。其次，作為40m寬入園中軸通道的第一個重要空間節(jié)點，世紀館需要展示出跨路連通的開闊氣勢和花丘起伏綿延的舒緩姿態(tài)。為此，設計建立了一種強調(diào)“大觀”的抽象視覺系統(tǒng)，通過凸顯大尺度結構構件的“奇景”和簡化空間實體的尺度細節(jié)來塑造建筑氣質。豎直方向上頂天立地的通高搖擺柱陣列傳遞了人工造物的偉力和技術風骨，而水平方向上數(shù)百米起伏連貫的曲線輪廓和幾處看似隨意的屋面開口則是向自然造物表達致敬，體現(xiàn)建筑對具象主題的“抽象”物化?；诹W體系，世紀館有著清晰、堅實的形態(tài)控制邏輯，它作為建筑與真實蝴蝶的關聯(lián)體，對應出一種讓人莞爾一笑的萌差聯(lián)想和相識默契。

4 一層平面圖5 功能體塊替換系統(tǒng)

問四 蝴蝶殼體結構的選擇依據(jù)為何？

既然確定以結構體系為基礎呈現(xiàn)世紀館的主題形態(tài)，設計上就需要尋求一種盡可能“天然”的結構形式，以適應場館整體坡面覆土的“天然”受力狀態(tài)，薄殼結構的柔和曲度及其天生的抗壓屬性是最佳的選擇。殼體的優(yōu)勢首先在于它對曲面的適應性，可以使屋蓋大部分區(qū)域以整體板面的形式呈現(xiàn)，避免了錯綜復雜的曲線梁體；其次，殼體能夠充分發(fā)揮混凝土的抗壓潛力，用最小的結構尺寸獲得最大的承載力與跨度。受壓狀態(tài)的混凝土有助于改善開裂屬性，可以有效提升大面積覆土屋面的抗?jié)B性。

世紀館有著國內(nèi)首創(chuàng)的預應力自平衡超大跨度自由邊界混凝土薄殼結構，也是目前國內(nèi)跨度最大的自由曲面混凝土殼體，平均厚度250mm。殼體邊緣由隱藏于屋面覆土層內(nèi)的上翻梁限定，可以使面向公眾視線的殼體下表面呈現(xiàn)出連續(xù)平滑的曲面。這種“有選擇性地呈現(xiàn)結構”去除了所有與“大觀”感受無關的細碎信息，只保留單一的大尺度空間效果，提煉主題意境的同時也使結構控制的形態(tài)邏輯得以更清晰地展現(xiàn)。

6 永久的殼體與可替換的展廳7 世紀館主軸上的連橋

問五 蝴蝶翼上開孔與翼下設柱的規(guī)則是什么？

從參觀者的仰觀視角出發(fā)，世紀館保持曲面殼體整體表現(xiàn)力的關鍵是如何規(guī)避展示空間所需設備和管線形成的負面視覺制約。在地埋式綜合管溝解決了大部分管線穿越問題后，我們在蝴蝶兩翼中心布置了四個不對稱的屋面開口。開口的設置在化解超尺度覆蓋面積、為翼下庭院引入自然采光的同時，也在規(guī)范層面上使兩翼之下的公共空間被定義為室外安全區(qū)，并由此從根源上免除了屋面下設置消防噴淋系統(tǒng)帶來的不良觀感?！安粚ΨQ”的格局，超越了對蝴蝶自然形態(tài)的簡單模擬，使四個開放庭院呈現(xiàn)不同的主題特征，既豐富了水平空間的視覺層次感，又減少了設備造價。

對于上部覆土、下部完全開敞的世紀館來說，支持屋面的搖擺柱陣列構成了唯一的“立面”。依據(jù)結構計算設置的88根搖擺柱高6～12m不等，保持著1:28左右的高徑比，貌似隨意的選位營造出一片“樹林”的意象。作為一層寬宥松弛的空間界面，搖擺柱陣列用一道虛擬的屏障限定了參觀管理的內(nèi)外部場域，穿越高高的“樹林”抵達林中陽光燦爛的庭院即是參觀世紀館的正確打開方式。

8 世紀館的結構體系9 連續(xù)拱殼生成與優(yōu)化

問六 蝴蝶形廓如何進行數(shù)字化找形？

世紀館的美感來自于薄殼屋頂起伏延展的柔和流暢，而打造連續(xù)拱殼的技術難點則在于對拱殼輪廓趨勢的推導研磨。如何控制薄殼橫斷面的矢跨比，使展館屋蓋各處都能滿足造型流暢性、凈高舒適性、排水合理性、結構安全性等組合因素的要求，是設計過程中最考驗建筑技巧和專業(yè)協(xié)同的一步。

實際的數(shù)字找形以滿足空間凈高需求為初始依據(jù)，先由建筑師生成殼體原型，結構工程師隨后以其為基礎進行系統(tǒng)性定量力學分析，通過“逆吊法”與“薄膜法”共同配合進行結構找形驗算，再將結果反饋給建筑師進行局部修正。在修正過程中，自由曲面的連續(xù)性變化會導致修正結果產(chǎn)生不定向偏差，而蝴蝶形廓的自由邊界、不對稱開口又使計算與驗證的迭代難度增加，需要進行反復的變量設定才能最終得到滿足各項需求指標的結果。這一數(shù)字程序輔助找形的過程實際上更像是逐層遞進的“手工打磨”。殼體原型在各專業(yè)人員不斷地參數(shù)修正下逐漸演變?yōu)楦黜椌玫摹岸ㄐ汀保瓿珊蟮臄?shù)字“定型”還可以根據(jù)需要被分解成結構受力、板底輪廓、排水找坡等多個不同的合理曲面形廓。

問七 蝴蝶的屋面施工難么？

清水混凝土自由曲面的施工是相對高精度、高成本、長周期的工作，也是世紀館工程成功與否的關鍵。但項目建造面臨的現(xiàn)實情況是不到9個月的工期、崇明地區(qū)不完善的施工技術條件以及嚴格受限的建造成本，這就迫使世紀館屋面施工采用了一條更為簡單但卻比較笨拙的“捷徑”。

在前端的支模工序中，施工現(xiàn)場采用了“針尖法”定義整個曲面的坐標。0.8m×0.8m的坐標網(wǎng)上密布腳手鋼管逐點模擬高程，總共3萬多個坐標點形成的“針尖陣”漸變放樣出蝴蝶兩翼殼體的曲面形態(tài)。在此基礎上，雙層模板也使用針對自由曲面的適應性排布，內(nèi)層125mm×1 500mm的窄條模板錯縫搭接，使人在近距離仰望時既能感受到曲面的整體連續(xù)性，又能察覺出混凝土表面的質感紋理；外層900mm×1 800mm的寬面模板用來增加模板體系的支撐強度，最大程度地限制灌漿澆筑時的凹陷形變。

在后端的澆筑工序中，世紀館2 萬m2的巨大屋面被劃分成7個區(qū)域，分段分步地施加了40 000kN的超大預應力，用以約束殼體的自由端。施工從蝴蝶兩翼向中間推進，先施加60%的預應力，穩(wěn)定之后拆除底部支撐與模板，再敷設60%的覆土，利用覆土的自重使結構變形趨于穩(wěn)定，之后重復前述步驟使預應力達到80%，最后再達到100%。如此緩步增加的預應力使殼體經(jīng)歷了逐漸“變強”的過程，以四個月的“適應期”為代價，巨大的蝴蝶形殼體得以安全地呈現(xiàn)出來。

10 曲面空間與搖擺柱陣

11 搖擺柱墻身節(jié)點

問八 蝴蝶是彩色還是綠色？

世紀館作為花博會園區(qū)內(nèi)的核心展示建筑，除了形態(tài)上回應“蝶戀花”的主題意象外，還必須在建筑技術層面響應“生態(tài)辦博、節(jié)儉辦博、科技辦博”的客觀要求。雖然蝴蝶的外觀絢麗多彩，但它的建筑本體必需“健康綠色”。好在作為一座覆土建筑，世紀館有著綠色建筑節(jié)能耐候的天然底色，我們也因勢利導，著重凸顯它的氣候適應屬性和功能可變特點，實施了“以被動引導主動”的綠色技術應用策略。

在覆土建筑的基礎上，世紀館利用巨大的覆蓋陰影，通過對水平通道、頂部植被、光導采光等綠色技術的適宜性整合，重點突出了自然采光、自然通風、覆土保溫對季節(jié)性建筑節(jié)能的價值。同時，建筑以未來為導向，結合42天會期過后改造利用的要求，將屋面殼體和搖擺柱做成基礎性永久結構，而將展廳等可變功能用房設計成易于拆除替換的抽屜式部件，為建筑日后的可持續(xù)更新和全壽命綜合節(jié)材做好了準備。

世紀館這只彩色的蝴蝶其實有著一副“綠色”的身心骨架。項目設計完成后不久，就獲得了中國綠色建筑三星標識和美國WELL建筑標準的預評金獎。

12 光導管采光照度對比與全開敞通風的風速計算

問九 蝴蝶好看么？

對于通常的建筑而言，建成環(huán)境的優(yōu)劣與否，是以人的身體對其空間、材料細部的使用感知作為評價基礎的，是否好看并不具有普遍的參照標準，屬于相對次要的評價內(nèi)容，通常會被專業(yè)評價弱化或選擇性忽視。而對于涉及具象生命形廓的建筑情況則完全不同，它因一個前置的形式命題而生，參照物清晰明確，因而也就不得不回答一個宿命式的評價問題：它好看嗎？

世紀館這只蝴蝶好不好看，現(xiàn)場的答案是肯定的。它因為凸顯結構的形態(tài)控制邏輯和難以看到全貌的空間特點，成功地對“建筑是否好看”進行了判據(jù)上的分離和引導，從而比較輕松地實現(xiàn)了目標。其中，對真實蝴蝶形態(tài)模擬的聯(lián)想評判集中于建筑屋面種植花草是否美麗如蝶，而對建筑本身使用空間的評判則完全由屋頂下方植物展區(qū)的觀展環(huán)境所左右。也就是說，蝴蝶是否好看，包含了建筑感受是否得體和屋面場景是否美觀這兩個幾乎完全分離的體驗部分，每個部分既相對局部又相對簡單可控。把握住這個特點，世紀館最終達成了“好看”的目標。

13 螺旋向上的旋轉樓梯14 連橋的懸掛結構

寫在九問之后

以上九個關于“蝴蝶”的提問，是我們對世紀館設計策略的梳理。九問之后，思路變得更加清晰。如何應對涉及具象生命形廓的建筑，其實并沒有可靠的建筑學經(jīng)驗可以完整參照。世紀館的設計過程，讓我們通過實際操作體會到了形態(tài)前置命題項目與常規(guī)意義的建筑項目之間的設計邏輯差異。這是一次相對陌生且略顯燒腦的建筑實踐，如同試圖從內(nèi)部探究清楚克諾索斯迷宮的邊界并最終抵達出口。值得慶幸的是，通過對結構、尺度的解析與凸顯，我們找到了走出迷宮的線索，而最終得到的成果則突破了具象之形在建筑師思維中預設的“心魔鬼影”，把握和應對了建筑設計的本體問題。至于好看與否，那并不是成熟的高素質建筑師需要特別擔心的事情。

15-20 世紀館的“生長”過程

圖片來源

1,3,6,7,10 劉文毅攝影

12-14,20 劉文毅攝影

2 王華攝影

4 高心怡攝影

5,8,9,11 朱力元攝影

15,16,18 高燕楠攝影

17,19 姚璇攝影

項目信息

業(yè)主：光明生態(tài)島投資發(fā)展有限公司

建設地點：上海市崇明區(qū)東平鎮(zhèn)新建花博園區(qū)

建筑設計：華建集團華東建筑設計研究總院

主創(chuàng)建筑師：楊明、朱力元

設計團隊：楊明、朱力元、高心怡、呂睿琦、陳凱翔（建筑）；黃永強、閆澤升、張洛、楊成棟、羅遙（結構）；沈育祥、蔡春輝（機電）；張峰華、王瓊（給排水）；楊志剛、袁浩波（暖通）；黃曉波、韋國齡、多亞帥、陳嘉豪、孫森、余杰（電氣）；繆海琳、楊春暉、王之馨、丁而學、徐潔、吳天杰（照明）；楊明、朱力元、高心怡、宿辰、孫一桐、魏江、洪啟博、江南生（室內(nèi)）

施工單位：上海建工集團股份有限公司、

上海建工二建集團有限公司

BIM設計：上海建筑設計研究院數(shù)字中心

綠色咨詢：上海市建筑科學研究院有限公司

展陳設計：SMG上海幻維數(shù)碼創(chuàng)意科技股份有限公司（東館）/上海辰山植物園（西館）

景觀設計/室內(nèi)深化：華建集團上?，F(xiàn)代建筑裝飾環(huán)境設計研究院有限公司

占地面積：19 484m2

建筑面積：12 348m2

設計時間：2018.10——2020.01

建成時間：2021.05

攝影：劉文毅、王華、朱力元、高心怡