構(gòu)造技藝成就完美建筑

國家大劇院已經(jīng)建成很多年，雖然當初因為各種原因飽受爭議，但隨著時間的推移，卻逐漸成為大家心中的經(jīng)典。作為有幸參與國家大劇院工程的一分子，我有理由為之自豪。

“駐足長安街，人民大會堂西側(cè)，一泓碧水中，臥著半邊巨蛋；微波蕩漾里，側(cè)影淡淡晶瑩，這就是國家大劇院一一中國文化藝術(shù)的最高殿堂，金碧輝煌，令人神往。我有幸在生命中這段時光，參與建造了這座藝術(shù)殿堂。我們?yōu)橹找箠^斗，挫折無數(shù)之后，終于完成了這一歷史重任！此時此刻，我心潮澎湃，思緒萬千。工程中的一幕幕，讓我浮想聯(lián)翩……如果錯過了參與這個重大工程，我定后悔一輩子！”這是我所寫作的《天穹之路》的自序。

成就國家大劇院經(jīng)典的元素很多，但屋面工程是必不可少的。盡管這幾年行業(yè)里設(shè)計制造了不少同類建筑，但很少有能出其右的。一方面與國家大劇院建成后技術(shù)解密不多，多以記錄工程各種過程為主有關(guān)；另一方面，在中國，許多新技術(shù)、新材料、新理論的應(yīng)用都必須在被建筑市場接受，并成為標準規(guī)范之后，才會得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。而新技術(shù)往往造價偏高，這些都導致我國帷幕的整體技術(shù)發(fā)展緩慢，與市場脫節(jié)。況且，企業(yè)的設(shè)計和研究人員為了應(yīng)付繁重的工程設(shè)計任務(wù)，很難投入精力進行技術(shù)創(chuàng)新，導致大多數(shù)帷幕設(shè)計者固守在現(xiàn)成幕墻或屋面系統(tǒng)的框框之下。

筆者作為國家大劇院帷幕工程的設(shè)計者和施工總負責人，將從劇院屋面工程的構(gòu)造工藝等方面與大家分享心得，希望對大家的工作有所借鑒。

屋蓋標新立異

法國團隊方案中的屋面防水系統(tǒng)在各交點突出鋼構(gòu)件支承鈦裝飾板，屋面分別由改性橡膠、木屑水泥板、保溫棉、壓型鋼板等組成。按照這個方案，在壓型鋼板上放置保溫棉，再鋪上木屑水泥板，其上就覆蓋一層3mm厚的改性橡膠（EPDM），作為幾萬平方米屋面的防水層，主結(jié)構(gòu)的交叉節(jié)點向外穿出幾千根直徑約150mm的圓管，在改性橡膠外面做了5000余座，然后安裝圓管外支架，再用螺絲可調(diào)夾持的方式固定導軌座，以此來固定裝飾鈦板。

理想的狀態(tài)下，這似乎是一個可行的方案。但是，超級橢球必須被劃分成無數(shù)塊大小、角度都不一樣的扇狀梯形的壓型鋼板，只有這樣才能讓其能夠連接起來達到底層平順的效果，這是非常難實現(xiàn)的，需要高昂的成本。其次，在柔軟的保溫棉上放20mm厚強度及韌性都比較差的木屑水泥板，工人只要一踩就碎了，怎么施工呢？再其次，方案中只用一層3mm的改性橡膠（EPDM）作為屋面防水層，如同一張大的雨布往大劇院上一蓋了事；3mm的改性橡膠也是一塊塊現(xiàn)場熱壓而成，隨著橢球體從上到下由水平面變成垂直面，下部重力的拉伸會使上部橡膠片受力徐變，由厚變薄，由薄變穿孔。另外，需要在五千多支鋼管穿出橡膠片處再進行二次防水，人為的工藝防水更容易出現(xiàn)問題。防水層下，沒有辦法對漏水處進行疏導，存在嚴重的滲漏隱患，使人無法相信這方法真能成為超級橢球防水屋面的建造方案。

更嚴重的是一些不為人們重視的非工程因素和物料因素的破壞。國家大劇院的屋面為開放式裝飾層，有許多縫隙。小動物、昆蟲和鳥類可以從這里鉆進去，也可以從排氣管道進去，老鼠和鳥類很喜歡啄食改性橡膠，它們的排泄物對改性橡膠也有很強的腐蝕作用，很容易造成國家大劇院屋面滲水。

另外，他們還細心設(shè)計了鋼結(jié)構(gòu)支承玻璃幕墻，球連接承托在主結(jié)構(gòu)60mm厚的鋼耳上，鋼管通過特殊的鋁型材支承玻璃單元。但每塊玻璃面積很大、很重，螺釘沒法阻止強大的扭力引起施轉(zhuǎn)，我們沒有做徹底評估就斷然深入進行設(shè)計工作和做實體模型，為此我們“迷路”了八個月。

屋面建設(shè)不能漏是最基本的要求，用機械的手段是可以解決構(gòu)造設(shè)計問題的，剛性防水的最大特點就是變原來的工藝性防水為構(gòu)造性防水，并在相對密閉的構(gòu)造表面實現(xiàn)鈦金屬板的無創(chuàng)外掛。剛性防水方案得先從防水材料的選擇入手，采用增厚鋁鎂錳合金板防水層加外掛裝飾系統(tǒng)，是解決國家大劇院屋面工程防漏的最佳選擇。

構(gòu)造技術(shù)先進

國家大劇院的橢球大穹體屋頂是目前我國跨度最大的完整殼體鋼結(jié)構(gòu)建筑，東西長軸為212.20m，南北短軸為143.64m，建筑地面高度為46.285m，地下最深處為-32.50m，周長約600m，可容納整個工人體育場。主體鋼結(jié)構(gòu)由148榀放射形布置的弧形鋼架組成，主體鋼結(jié)構(gòu)重達6750t，加上屋面重量3280t。這個總重超過10000t的龐然大物中間沒有一根柱子支撐，完全靠自身結(jié)構(gòu)體系來保證強度、剛度和穩(wěn)定性。

但法國團隊方案在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)時沒有考慮屋面系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，必須重新設(shè)計二次結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，即檁條系統(tǒng)。在設(shè)計二次結(jié)構(gòu)時，為了使主鋼架受力合理，不產(chǎn)生節(jié)間荷載，必須沿主鋼架和冠狀方向布置二次檁條網(wǎng)；為了能擬合光滑的曲面屋面，每條次檁必須彎成雙向弧形，且每條次檁的長度和弧度各不相同。這就意味著，支承二次檁條的牛腿既要有足夠的強度，還要能夠隨屋面的曲率變化調(diào)整角度，自由伸縮。除此之外，還要使每單元內(nèi)次檁必須既能剛接固定，又能滑動連接，使屋面各處可免受移位的限制，避免應(yīng)力產(chǎn)生導致屋面防水層被破壞。

施工完畢的鋼結(jié)構(gòu)不能焊接，我們必須想辦法夾持二次結(jié)構(gòu)，這是中國建筑設(shè)計與外圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計分離的通病，這種狀況每年使國家損失數(shù)以十億計的人民幣，也損失許多勞動力和工期，損害了環(huán)境……

模型直觀、真實、可靠

應(yīng)業(yè)主要求，我們選擇大劇院第六、七、八層鈦板與玻璃交界處為對象制作了一個實體模型，為了方便觀察，我們使它離地1.2m，側(cè)看像一個大A字，一側(cè)按法國設(shè)計師的設(shè)計圖紙如實制作；一側(cè)按我們設(shè)計的方案制作，鋼結(jié)構(gòu)按大劇院鋼結(jié)構(gòu)原型的最外層1：1如實制作，其中包括鋼橫梁的鑄鋼接頭、螺絲連接，也包括6mm超厚鋼板、牛腿等。施工過程也模擬國家大劇院制定的施工方案的模式，以便取得施工經(jīng)驗，總結(jié)設(shè)計零部件制作、安裝程序辦法的教訓，改進措施，為將來正式施工打下基礎(chǔ)。通過結(jié)構(gòu)和節(jié)點對比、力學模型模擬、淋水實驗等，最終選擇了我們設(shè)計的方案，從此，我們開始了更為艱巨的任務(wù)。

模型是真實的縮影，能以最直觀的方式呈現(xiàn)最真實的效果，特別是在建筑設(shè)計、工程實施前期，建筑模型提供了一個可事前直觀評估建筑設(shè)計產(chǎn)品的機會。實體模型通常選擇建筑最具代表性的部分，以真實材料按1：1制作，用以測試各種數(shù)據(jù)及考量設(shè)計加工和施工安裝工藝。

設(shè)計的屋面采用軟防水方案，選用改性橡膠（EPDM）作防水層，設(shè)計改進后的屋面采用剛性防水方案，用加強鋁鎂錳合金板防水。根據(jù)兩種方案制作的模型經(jīng)淋水試驗均不漏水。但改性橡膠耐用性差，易受各種因素影響損壞；鋁鎂錳合金耐用時間長，且造價相對低。因此，業(yè)主委員會選用了剛性防水屋面。在模型的基礎(chǔ)上，在清華大學建筑玻璃與金屬結(jié)構(gòu)研究所的技術(shù)支持下，我們又對剛性防水方案的屋面系統(tǒng)的細節(jié)作了進一步強度試驗、耐候試驗，經(jīng)過推敲研究后，使方案更加完善。

模型完成并確定方案后，國家大劇院業(yè)主委員會做出了如下評價：“由法國ADPI公司負責設(shè)計的國家大劇院屋面工程方案存在不少技術(shù)問題（特別是軟防水屋面系統(tǒng)不能滿足屋面防漏要求），使工程難以付諸實施。（某公司技術(shù)人員）經(jīng)過一年多不斷努力，反復修改，終于設(shè)計出能確保防漏、減輕荷載、降低成本、便于施工的硬防水屋面系統(tǒng)方案，現(xiàn)場實體模型以及各種實驗充分證明了該設(shè)計方案的科學性、先進性和可行性，解決了屋面工程中各個環(huán)節(jié)的技術(shù)難題。修改方案得到了業(yè)主、APDI公司及總承包聯(lián)合體的充分肯定……”

關(guān)于透明玻璃幕

法國團隊設(shè)計的玻璃幕墻方案過于理想化、幕墻化。玻璃穹頂是用1126片大小不同、傾角各異的平板超白玻璃擬合成的橢球曲面，底部為不鋼化的中空夾膠超白玻璃，每片面積近10m²，最大單件重約800kg。原設(shè)計中玻璃的支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，且受力不合理；玻璃尺寸角度不一，難以與鋁合金框吻合；外側(cè)玻璃用膠與框粘合極不安全；采用膠條密封難以保證不漏水等眾多問題，具體如下：

（1）由于角度千變?nèi)f化，預制支承框技術(shù)要求過于苛刻，難以滿足公差要求。

（2）根據(jù)模型實踐的結(jié)果，最終可能因玻璃縫影響美觀，也造成安裝困難。

（3）鋁框截面復雜、形狀不同，在交接位置難以拼接合框，嚴重影響加工周期。玻璃合框不牢靠，降低了防水性能和安全度。

（4）振動、靜荷載以及材料的變形等因素均可使支承邊移位，玻璃容易失去支承，造成危害。

（5）荷載傳遞路線過于復雜，對支承梁產(chǎn)生附加扭矩。

（6）防水性能無法保證。第一道（濕）密封在玻璃外片與軌道之間，直接影響屋面防水性能；柔性連接的軌道忽略了大部分玻璃作為采光頂?shù)墓δ?，在承載往復荷載時將引起較大的振動和轉(zhuǎn)動位移，嚴重損傷濕式密封的粘接，造成密封被破壞，導致防水失效；相鄰玻璃不在同一平面內(nèi)，第三道密封只能采用中間開缺口的辦法調(diào)節(jié)角度，但中間開缺口影響膠條的受力性能，特別是溫度和變形難以承擔。

（7）等壓倉設(shè)計不成立。第二、三道干式密封間采用等壓設(shè)計。在玻璃的十字交接處，經(jīng)向、緯向鋁合金框架、鋁合金壓板、蓋板不可能連續(xù)。而僅僅通過密封條的熱熔連續(xù)，不可能形成密封等壓倉。

根據(jù)我們多年的經(jīng)驗，要將這些問題一一解決，是一個艱難的過程。玻璃部分必須重新設(shè)計，首當其沖的是玻璃的鋼化問題。法方堅持采用不鋼化玻璃，理由是鋼化玻璃存在光畸變，影響外觀效果。他們認為，大劇院建成后四周有水池，即使玻璃破碎掉下也無大礙。但玻璃不鋼化違反我國相關(guān)規(guī)范中的強制性條文，何況是在如此重大的工程中。而且，在施工過程中，未經(jīng)鋼化的超大面積玻璃極易破碎，可能造成傷人慘案，這是絕對不允許的。果然，在模型的加工制作和安裝過程中，盡管工人們小心翼翼地抬，破損率仍遠遠超過正常范圍。因此，我們堅持“在中國建造的工程就要遵照中國的規(guī)范，玻璃必須鋼化”的主張得到了業(yè)主和監(jiān)理的支持。

的確，一般的鋼化玻璃存在光畸變的問題，我們也有必要解決這個實際問題，使國家大劇院外墻玻璃避免出現(xiàn)各種因光畸變引起的折射、光斑、微裂紋等。我們與協(xié)作加工單位認真交待工程的重要性及問題所在，隨后技術(shù)人員改進鋼化玻璃的工藝和設(shè)備，生產(chǎn)出“純平無斑”的鋼化玻璃。法國人驚訝了，這在世界上是絕無僅有的??！當大家戴上偏光鏡仔細察看完成鋼化的玻璃后，終于信服并同意改用鋼化玻璃。

我們在原方案的基礎(chǔ)上進行很多次的改進優(yōu)化，提出了一套又一套方案，新方案解決了原設(shè)計中存在的受力不合理、防水難以保證的問題，但工藝仍然較復雜，制作工序也比較煩瑣。多次做模型，多次推翻自己的方案后，在各個過程方案的基礎(chǔ)上，精心研究，詳細討論，最終采用的玻璃幕墻方案頗具特色。

多功能萬向玻璃幕墻支撐結(jié)構(gòu)是1054個方向可調(diào)的球頭連接轉(zhuǎn)盤，與鋼結(jié)構(gòu)上挑出的1054條牛腿相連，這樣玻璃通過鉸接形式支承在鋁合金梁上，光滑擬合了橢球曲面。在節(jié)點的選材上，綜合考慮安全和美觀的要求，主受力件球頭螺栓采用高強合金鋼40Cr，型號為316的不銹鋼連接轉(zhuǎn)盤按12。不同十字交叉角度分成12類（每類變化1°）。鋁合金梁采用6061T6，表面進行氟碳噴涂處理，具體構(gòu)造策略如下：

（1）玻璃框：可調(diào)動的“雙保險”體。不論現(xiàn)場的安裝、零件的加工以及角度變化均采用同一種零部件、同一種安裝方式，同時不受角度變化的影響，節(jié)省了工藝成本，降低了施工難度。

（2）防水：硅酮膠三重防水。

（3）玻璃連接：多向、變角度可調(diào)節(jié)器。支承牛腿將玻璃荷載直接傳到主結(jié)構(gòu)上，構(gòu)件之間設(shè)計了彈性伸縮，用以調(diào)整腹板與球頭之間的距離，且能適應(yīng)屋面變形。優(yōu)點是安裝靈活、施工方便，且定位準確。

（4）十字連接件與力的傳遞：通過一對上下轉(zhuǎn)盤上的兩個支臂來調(diào)整三維夾角，解決了主鋼架牛腿與玻璃外表面間夾角不斷變化的問題。十字連接件通過球頭把力傳遞給牛腿，直接作用在主梁上，受力合理，安全可靠。

（5）正確安裝好各支承梁，調(diào)整尺寸、角度：放上玻璃，用壓塊壓住中空玻璃，中間用螺栓與鋁合金腹板緊密連接。采用可調(diào)墊塊以滿足兩塊玻璃之間的水平夾角要求，從而滿足大劇院整體玻璃曲面的外觀。玻璃框在各邊調(diào)好固定后，不會產(chǎn)生位移，比傳統(tǒng)的單一粘接方法牢固、安全可靠。玻璃的各邊可以平放在鋁合金承重平面上（微調(diào)塊），均勻受力。

（6）等壓倉：在壓緊塊與清洗支座間做一小通道。利用清洗軌道向外開一單向小孔，達到等壓目的。每條玻璃邊布置壓簧、拉簧各一件，確保倉內(nèi)與室外實時等壓。

屋面中央是兩條漸開曲線包圍的6700m²的玻璃穹頂，由1126塊不規(guī)則四邊形超白中空夾層玻璃擬合而成，配置為8mm+1.52PVB膠片+8mm+15mmA+12mm。為保持超白玻璃晶瑩剔透不變色，且不易自爆，玻璃采用半鋼化處理，并在外側(cè)12mm玻璃的表面噴涂了納米材料，便于清洗。

保持了建筑師保羅·安德魯設(shè)計的國家大劇院外觀，并吸取了其設(shè)計精華，再根據(jù)北京的氣候特征，我們提供了最先進的技術(shù)，確保了整個建筑體系的結(jié)構(gòu)安全及防水可靠，在滿足裝飾、保溫、隔熱、消防、避雷、通風、隔聲和吸音等苛刻條件的同時，降低了原預算33%的造價。