展陳雙層球體結構空間實施技術要點分析

倪立瑩（上海市建筑裝飾工程集團有限公司,上海 201100）

以某超大展館為例，在大室內(nèi)空間里搭建球體建筑，保證其內(nèi)外作用的實施。展我內(nèi)含有一個超大球體，球內(nèi)是 360° 環(huán)形銀幕。因此對球幕、球體鋼架、球體隔聲等進行一系列研究。球體是一個直徑約 20 m 的超半球球體，從結構形式上考慮采用鋼結構的形式，利用信息化技術,整個球面 GRG 板塊的生產(chǎn)依靠設計信息轉化為零部件和模塊信息，球體內(nèi)部是內(nèi)徑 17 m 的標準半球體天象廳，相當于一個沉浸式的小影院。

在大型展陳空間里，為了氛圍的烘托，會選擇在已有空間里搭設大型場景，并且該場景承擔不同的作用。項目球體直徑 20 m，頂部標高 12.2 m，球殼內(nèi)部是一個沉浸式光學天象廳，對吸聲及隔聲有較高的要求，同時內(nèi)壁要保證360° 的天象儀的投影順滑。球殼外部主要材料為 GRG 干掛系統(tǒng)，一半球體考慮面層投影光影媒體秀，另半邊為 GRG嵌入光纖燈與面層彩繪模擬北美大陸燈火輝煌。

1 球體結構選擇

由于該球體是一個直徑約 20 m 的超半球球體，并在已有建筑里，從結構形式上考慮采用鋼結構的形式，減輕荷載的同時，可以多利用空間，并能在增加次結構的基礎上保證球體內(nèi)外面層的干掛。如圖 1 所示在選擇鋼結構骨架方案的時候，由于屬于小型球形建筑，結構主要在以下兩種方案中比選:（a）短程線等弧再分球面網(wǎng)殼；（b）肋環(huán)型球面網(wǎng)殼。

圖1 地球模型結構比選

短程線球面網(wǎng)殼是在正二十面體的基礎上建立的。一個完整的正二十面體有 20 個三角形面，30 條棱，12 個頂點，其中每 5 條棱共用 1 個頂點。對于 20 m 直徑的球體，其內(nèi)接正二十面體的邊長會太大，在這樣的情況下球體看起來會不夠圓潤。因而需要通過等弧再分法將各邊在球面上對應的圓弧等分為 4 份，然后連接球面上的各劃分點。不同于原正二十面體是每 5 條棱匯交于一個頂點，劃分后的小三角形形成的網(wǎng)格，是每 6 根桿件匯交于 1 個頂點上。

肋環(huán)型球面網(wǎng)殼主要是由徑肋和環(huán)桿組成。本球體主要設置了 24 道徑肋，徑肋匯交于球頂。環(huán)桿設置 7 道（不含底座桿件），將球體劃分為 8 個環(huán)。網(wǎng)殼的大部分網(wǎng)格呈梯形，每個節(jié)點只匯交 4 根桿件，節(jié)點構造簡單。

兩種網(wǎng)殼形式的優(yōu)缺點經(jīng)過分析，短程線等弧再分球面網(wǎng)殼網(wǎng)格均勻，當蒙皮為透明材料比如玻璃或者充氣膜時，比較美觀。 施工方便，工業(yè)化程度也相對較高。 肋環(huán)型球面網(wǎng)殼結構的幾何形體邏輯清晰，方便定位； 每個節(jié)點只匯交 4 根桿件，構造簡單；桿件可以做成曲率比較精確的圓曲線方便布置走道、管線。通過把徑肋設置成桁架拱，可以方便的為內(nèi)部金屬投影幕提供支撐結構。不足的地方在于短程線等弧再分球面網(wǎng)殼其曲線本質(zhì)上由直線離散組成，細看并不是特別圓潤。沒有明顯的水平層概念，不方便布置走道，管道等附屬構件。 需要給展項內(nèi)部的金屬投影幕另外單獨設置支撐結構。肋環(huán)型球面網(wǎng)殼的缺陷在于球頂匯交桿件較多，節(jié)點構造復雜。徑肋加工時需要控制好曲率，且單根徑肋桿件較大。網(wǎng)格不均勻，當結構桿件外露時，并不是很美觀。

由于該球體最終需在外側包一層 GRG 板，內(nèi)側會安裝一個球形金屬投影幕，結構結構最終不會顯露在外。內(nèi)外兩層殼之間要布置風管、消防管道、電氣管線，也需要設置簡單的馬道、爬梯等供檢修人員通行。外層的GRG板上有彩繪，也有一部分我域?qū)⒆鳛橥队拔矣?，需要成為一個相對精確的球形。考慮到這些使用功能上的特點，最終決定采用肋環(huán)型球面網(wǎng)殼。

2 球體結構布置及實施

如圖 2 所示，結構外層沿圓周均勻布置 24道徑肋。為減少頂點處匯交桿件的數(shù)量，在靠近頂部的我域徑肋減少到12 道。徑肋減少的地方設置了環(huán)向桁架進行過渡。因放置操作臺，內(nèi)層網(wǎng)殼需要開洞。

圖2 地球模型外層網(wǎng)殼俯視圖

結構內(nèi)層的上部并不是一個完整的球面網(wǎng)殼，上面開了一個直徑約 10 m 的洞口。這一方面是因為頂部已不需要布置各種設備管道，另一方面是減少內(nèi)部構件后，設置在頂部的音箱，其聲音可以暢通無阻的到達地球內(nèi)部的星空演示廳。圖 3 為地球模型網(wǎng)殼剖面圖。

圖3 地球模型網(wǎng)殼剖面圖

整體地球鋼結構的施工采用登高作業(yè)，協(xié)同蜘蛛車、曲臂車以及多輛剪刀車登高替代常規(guī)的滿堂腳手架，主要原因考慮搭設腳手架形式的施工無法滿足弧形結構的施工。

采用水準儀常規(guī)高差測量來對基礎面的高程進行控制，直接測得預埋件面的標高；對離水準基準點較遠的測設，為了減少水準儀的傳遞誤差和多次讀數(shù)的偶然誤差，采用全站儀三角高程測得預埋件的標高。預埋件的標高允許偏差為3.0 mm。底座部分的安裝采用 H 鋼環(huán)向底座后進行第一道徑向主桁架現(xiàn)場拼接工作。

現(xiàn)場拼接施工時，采用馬凳進行定位調(diào)整，確保拼接的平整度。拼裝成一個徑向整體后，整體吊裝。第一跨利用地球頂部的原有的屋架上掛了一根鋼絲繩，鋼絲繩端部設置滑輪，用卷揚機進行吊裝，滑輪大概在距離 19 m 的位置。由于徑向主桁架拼裝完畢后作為最重構件僅有 700 kg。卷揚機通過地錨固定在地面上。第一段徑向徑向主桁架安裝即將完畢時候，設置四道鍍鋅 8 mm 纜風鋼索，纜風繩與地球基礎固定，在垂直度和整體精度調(diào)整完畢后張緊固定。接下來進行第二道徑向主桁架的安裝，第二道主桁架垂直于第一道主桁架，安裝方法同前。

待第二道徑向梁安裝完畢后，框架已經(jīng)成為一個穩(wěn)定的整體，此時可以不設置纜風鋼索。繼續(xù)上步操作安裝其他徑向主鋼架。徑向主鋼架安裝完畢后，進行頂部第一道環(huán)向鋼架的安裝。頂部環(huán)向連桿安裝完畢后，徑向次桁架需要固定在該環(huán)向連桿上，徑向次桁架安裝方式同主桁架。而后進行其他環(huán)向連桿的連接。最后進行斜撐及其他相關附件的安裝。如圖 4 所示。

圖4 現(xiàn)場拼接施工過程

3 球體外殼 GRG 安裝

利用信息化技術,整個球面 GRG 板塊的生產(chǎn)依靠設計信息轉化為零部件和模塊信息,將零部件和模塊信息轉化為加工制造信息,將加工制造信息轉化為機器工作指令，安裝排布一次到位?？紤]到夜半球又有彩繪，則考慮了將表面GRG 進行排版編號，再進行 GRG 開模工作。

首先要將 GRG 板排版編號，每塊板上的預埋掛架都要清楚的標注，我分媒體秀以及光纖點位部分。根據(jù) GRG 的排版，將光纖燈的圖案和點位進行深化，呈現(xiàn)北美大陸燈火輝煌的畫面，再確認圖面之后針對每一塊 GRG 重新進行編號，GRG 通過計算機加工編程模擬加工，為了保證精確度，通過場外制作，在 GRG 工廠進行開模，鋼針的分布需要根據(jù)每一塊光纖燈的分布進行布置預埋件固定，并進行預拼裝，場外對于晨昏線和光纖燈的配合進行初步的彩繪，進入場內(nèi)拼裝完成后需進行 GRG 的修補，一來防止漏光，二來使畫面完整。

起初對 GRG 測試的時候是采用人工定位打孔，孔打出來的效果不是很理想，人工開的孔存在爆邊和孔偏位。光纖燈安裝后 GRG 表面是很難修補的。經(jīng)過不斷的測試，最終確定采用光纖孔先在 GRG 預埋鋼針，這種方案即解決了 GRG 打孔爆邊和孔偏位的問題，又能很好的保證 GRG 本身的強度，同時又能保證 GRG 運輸和搬運的安全。這樣既能保證光纖燈位置的準確性又能很好的保證光纖燈安裝的效果。

4 球體內(nèi)部隔音及吸音控制

由于球體內(nèi)部是內(nèi)徑 17 m 的標準半球體天象廳，相當于一個沉浸式的小影院，考慮到內(nèi)部空間需具備一定的吸音隔音功能，共設計安裝七層隔音結構（圖 5），各層材料之間錯縫安裝；吸聲構造安裝在外殼的內(nèi)結構層表面，選用A級防火環(huán)保吸聲板作為吸聲材料，構造中低頻和中高頻吸聲板按比例布置以保證低頻吸聲性能。由于雙層球體中間部分除了檢修馬道，更有“房中房”的機電設備和消防設備，運作的同時會產(chǎn)生一定的噪音和震動，從而影響內(nèi)部的觀影，整體隔音吸聲結構設置可以有效隔離機電設備運作產(chǎn)生的振動噪音以及球體外部的電聲噪音。

圖5 球體隔墻節(jié)點圖

由于天象廳裝備了國際上最新、最先進的光學天象儀，為了投射出無與倫比的璀璨星空，天象廳球幕采用僅 1 mm的金屬銀幕，以經(jīng)線、緯線方向上無疊壓安裝的方式，采用邊緣加工技術，保證球幕的拼接縫的直線性與協(xié)調(diào)性，幕板邊緣與豎梁和橫梁的中線重合，接縫不超過 0.5 mm。銀幕幕板拼接形式采用沉頭鉚釘固定和無縫整體外觀方式，幕板邊緣疊合處內(nèi)嵌有黑色無反光材料，黑色材料達到零度入射，安裝前后的入射率不超過 0.01，影片放映過程中絕無肉眼可見的縫隙，真正做到了微細接縫。

天象廳球幕具有有良好的反射率、吸音效果和可清潔性，能夠配合投影系統(tǒng)和音響系統(tǒng)完美地體現(xiàn)影院的聲學和視覺效果。整個銀幕板面1.6 毫米直徑孔，分布在 3.2 mm的中心上，開孔率為 23%，透聲性能良好。放映面將適用于觀看明亮的放映景象，具有高分辨率、真實色彩和高對比度。幕板表面保持著規(guī)定的反射率，在放映時，任何角度入射的放映圖像和光線，都不會反射刺眼和光譜特性的光，完美體現(xiàn)影院的聲學和視覺效果。

5 結 語

通過對該球體的實施，在對球體結構形式的選擇上進行了優(yōu)化分析，在結構安裝過程中，通過場外加工，通過半球體裝配式鋼骨架和外球殼預制編號 GRG 組成拼裝，登高實施，完成了結構部分的制作安裝、打造了一個球殼內(nèi)部是一個沉浸式光學天象廳，球殼外部是一個“地球變遷”的光影媒體秀。達到良好造型設計效果的同時也構成了良好的吸聲效果，整體完美的實現(xiàn)了超大型半球體內(nèi)外多媒體展項布展的結合。