[分享]中国台湾首座真正的前卫建筑——台中大都会歌剧院

伊东丰雄的探索

2005年12月，台中大都会歌剧院公布竞赛结果，伊东丰雄凭借“壶中居“的概念设计，得到六位评委的一致认可获得头奖。

“如果将整个世界比喻一条河流，那么一般的建筑就如同插在河流里的木椿一样，木椿的内部与河流完全不具关联性。而我想做的建筑，则是河流里的漩涡般的场所，他既拥有自己的空间，同时也完全融合在河流的流动之中”——伊东丰雄

这个半开放建筑的内部空间被称为“美声涵洞”（Sound Cave），也就是一个灵活的声学空间，建筑内部充满了水平和竖直的管状空间。主要功能包括三个剧场：2014席的大剧场、800席的中剧场、200席的小剧场（黑盒剧场）。剧场与各区域纵横相连，形成一个连续的网络。观众在建筑中漫步，就好像行走在洞穴之中。

结构性能

当结构工程师看到这个项目时，内心应该是抗拒的。没有柱、没有梁、整个空间没有90度的直角。有的只是蜿蜒穿行的3维曲面墙体。结构设计由台湾永峻工程顾问股份有限公司和ARUP合作完成。主要体系介绍如下：

整个结构地下二层，地上六层。上部主体结构由曲墙、镶嵌式楼板、镶嵌式墙面、实心外墙及服务核心筒所组成。除了镶嵌式楼板为钢与混凝土组合结构外，其他所有主体结构均为钢筋混凝土结构。

基础为大底板，地下室为正常的钢筋混凝土墙、柱、梁、板体系。而各剧场的幕塔和舞台则为独立的钢结构系统，插入主结构的洞口中，并与主体结构之间进行适当的连接。剧场观众席作为、阳台、实验剧场的盒中盒结构也属于钢结构。

曲墙

40cm厚实心混凝土曲面墙体，是起到传递竖向力与抗侧的主要主体结构。

曲墙的受力特性比较复杂。在竖向荷载作用下，上左图在转折的地方需要抵抗局部弯矩；上中图为面内的薄膜应力；上右图为梁的受力特征。

镶嵌式楼板

上部结构的楼板主要是支撑于曲墙之间，为厚度175~275mm的压型钢板组合楼板。楼板的厚度是同时考虑隔音效果与防火要求后的结果。楼板体系与曲墙之间均为铰接，这样可以避免曲墙受到平面外的弯矩。

镶嵌内墙

镶嵌内墙的作用类似于巨型的加劲板。镶嵌内墙可以使得竖向力直接藉由墙体平面内传递，从而降低了曲墙的局部弯矩。

实心外墙

实心外墙的作用与镶嵌内墙的作用类似，也是起到加劲板的作用。

服务核心筒

服务核心筒由于是上下通长的，其竖向传力路径比曲墙更直接。所以，曲墙在不同的标高与其相连，直接将竖向力传递到基础。服务核心筒也能提供一定的抗侧能力，但与大量的曲墙相比，其抗侧刚度并不大。

幕塔结构

幕塔顶部的钢桁架支撑幕塔屋面与舞台设备，由8根钢柱支撑，钢柱则支承于4根SRC柱。幕塔在各楼层与曲墙连接，以提供侧向约束。

桁架仅在外缘有斜杆，其余部位腹杆均为竖直杆，以保证舞台铺设的弹性。

对于歌剧院的抗侧力体系，曲墙在楼层间的竖直段是有足够刚度抗侧的，而楼板又是一个刚度极大的面，可以协调不在同一位置的墙体之间的剪力。

那么是不是可以推论，只要竖向传力没有问题，只要楼板的刚度足够大，抗侧用的剪力墙是不是上下对齐其实没关系？比如下图。欢迎大家留言讨论。

史上最难盖的房子

2005年，当伊东打败扎哈赢得竞赛时，所有人都没有想到，这个项目的建造会是如此艰难。

曲墙能施工出来吗？

这样的建筑是否能造出来？谁也不知道，包括伊东也是没有底气的。

所有的墙体都是三维曲面，最关键的问题就是曲（面）墙的施工。伊东为了证明曲墙的可实施性，委托日本竹中公务店试做了一片曲墙，确认是可行的。具体方案在后面介绍。

▲ 试浇筑现场

所以中国台湾的施工单位还是一片观望，直到与伊东合作过“高雄世运主场馆”的互助营造也成功试做了一片曲墙，施工单位才觉得是有可能造出来的。但是互助营造在斥资千万（台币）确认可行后，决定不参与投标，估计互助营造打了个样后觉得这是个肯定要亏的项目啊。于是在经历了五次流标后，由台中当地的丽明营造接受了这个艰巨的项目。

最后，丽明营造做了大量的试验，制作完成后经相关单位确认施工工法、精度、结构强度，并经过伊东丰雄确认后，才开始正式建造。这时，已经是2009年，伊东中标的四年以后了。

▲ 被放在歌剧院广场边上的曲墙模型

是难度最最大的对称内涵洞的左侧墙体

施工方案

搭设钢模浇筑混凝土？但是因为每个曲墙的面积和形状都不同，这意味着每一块钢模用过就得丢弃，无法重复使用，在工程时间和预算考量下并不可行。清水混凝土做法？由于墙体是自由曲面，模板如何塑形同样是个非常困难的事情。

▲ 墙体构造示意图

最终采用的是“混凝土灌浆墙的钢筋结构体及其施工方法”，这是工法的专利名称。大概的思路是用骨架（钢筋桁架）来塑形，再寻找材料与方法阻止混凝土浆液外流（外覆金属防漏网），这样等混凝土凝固后可以形成结构体。

▲ 实际墙体构造

整个工序构造如下（请结合上图看）：1）按照曲墙的曲率制作钢筋桁架；2）将钢筋桁架以20cm间距组成曲墙的骨架；3）绑扎曲墙的双向受力钢筋；4）在两侧铺设一层防漏网与一层支撑网；5）在外侧用固定筋压贴支撑网；6）使用可拆卸的压板压住固定筋，以使得支撑网稳固；7）浇筑混凝土；8）待混凝土凝固后，拆下支撑网。

下图是试做时的工序示意图。实际施工时，因工程量巨大，桁架的放样并非人工，是机器自动放样。

施工与设计的对接

曲面的定义

由于设计过程中曲面一直是有微调的，比如根据声学进行微调。一旦曲面有调整，就会引起结构性能、幕墙、楼板等一系列变化。所以，必须将模型参数化，以便应对设计调整带来的重复工作。

整个形态被分为58个曲墙单元，每个曲墙单元都可以由4个多边形进行定义。一共有74个多边形，共423个节点。这是最基础的参数。

四个多边形可以通过简单的几何拉伸，形成一个基础的网格。将这些网格堆叠就可以得到歌剧院原始的网格。通过二分法将曲面平滑，最终的几何形状是几次平滑计算迭代下的结果。如下图所示。

平滑后的表面向两侧各偏移200mm，即得到结构的表面。或者向两侧各偏移115mm，得到塑形钢筋的表面。

塑形钢筋的定义

塑形的钢筋骨架由钢筋桁架与另一个方向的联系钢筋组成。为了简化施工，需确保每一榀钢筋桁架仅是一个二维变化的平面桁架。因此，需要将曲面用平面格线进行剖分。

如何定义平面格线？平面格线的控制参数为曲面的内部边界、外部边界和未经平滑的原始网格。下图中蓝色线即为未经平滑的原始网格。

首先是平行的格线定义。平行的格线从原始网格的中部开始，以200mm的间距向角部推进。原始网格在角部可以确定角平分线，当格线与角平分线交点进入曲面内部时，停止推进。随后开始确定扇形的格线。

扇形格线是利用最后两根平行格线的交点为其中心点，以外边线弧长小于等于200mm为原则，进行划分。最终，将最后的平行格线偏移100mm，截掉扇形格线的过度密集部分。可以得到最终的钢筋桁架形状。

如此，通过参数化的设计，调整曲面后，可以很快地得到塑形钢筋的形状。

造价与工期

由于很多钢筋只是塑形作用，并非结构受力钢筋，且曲墙的受力效率不高，所以整个结构的用钢量非常高。建筑面积5.67万m2，用钢量约2万吨，单位面积用钢量约353kg/m2。经济性比较差。总造价为43.6亿台币（约10亿人民币）。

复杂的施工，也给工期带来了相当大的影响。工期一延再延，最终，直到2016年才竣工。这已经是伊东中标后第11年。

其他设计

除了结构歌剧院还有很多有意思的设计，下面简单介绍一下。

呼吸孔

歌剧院的实心外墙上有很多呼吸孔，象征着自然界透过呼吸孔与歌剧院内部相互联系。白天，外部自然光透过呼吸孔照进歌剧院内部；夜间，呼吸孔也会发出明暗不一的光线（有的是内置灯光，有的是透射场馆内部灯光），营造变化的立面。

防火水幕系统

曲墙一点一点连成一条条线的是防火水幕系统，每一个点都是一个喷淋头，当侦测到火灾时，就会降下细密的水幕，能够阻隔烟、热，防止火灾蔓延，并净化火灾所扬起的悬浮微粒。感觉这个相当好，要是换成挡烟陲壁或防火卷帘，那整个建筑的的效果就大打折扣了。

辐射冷却地板

歌剧院一楼地面上有很多圆形的送风口（不要以为这是地漏），地板以下铺设了冰水管线，可以大幅降低室内温度。

由地板向上送风，循环排气口则设置在空间上部，使舒适的冷气保留在地面以上2m范围内，降低人体的感受温度。