高雄扇形建筑设计

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“的观点设计，得到六位评委果同等认可得到头奖。

高雄扇形建筑设计常见问题

“如果将全体天下比喻一条河流，那么一样平常的建筑就犹如插在河流里的木椿一样，木椿的内部与河流完备不具关联性。
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，同时也完备领悟在河流的流动之中”——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），也便是一个灵巧的声学空间，建筑内部充满了水平和竖直的管状空间。
紧张功能包括三个戏院：2014席的大戏院、800席的中戏院、200席的小戏院（黑盒戏院）。
戏院与各区域纵横相连，形成一个连续的网络。
不雅观众在建筑中溜达，就彷佛行走在洞穴之中。

构造性能

当构造工程师看到这个项目时，内心该当是抗拒的。
没有柱、没有梁、全体空间没有90度的直角。
有的只是蜿蜒穿行的3维曲面墙体。
构造设计由台湾永峻工程顾问株式会社和ARUP互助完成。
紧张体系先容如下：

全体构造地下二层，地上六层。
上部主体构造由曲墙、镶嵌式楼板、镶嵌式墙面、实心外墙及做事核心筒所组成。
除了镶嵌式楼板为钢与混凝土组合构造外，其他所有主体构造均为钢筋混凝土构造。

根本为大底板，地下室为正常的钢筋混凝土墙、柱、梁、板体系。
而各戏院的幕塔和舞台则为独立的钢构造系统，插入主构造的洞口中，并与主体构造之间进行适当的连接。
戏院不雅观众席作为、阳台、实验戏院的盒中盒构造也属于钢构造。

曲墙

40cm厚实心混凝土曲面墙体，是起到通报竖向力与抗侧的紧张主体构造。

曲墙的受力特性比较繁芜。
在竖向荷载浸染下，上左图在迁移转变的地方须要抵抗局部弯矩；上中图为面内的薄膜应力；上右图为梁的受力特色。

镶嵌式楼板

上部构造的楼板紧张是支撑于曲墙之间，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哀求后的结果。
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

镶嵌内墙的浸染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通报，从而降落了曲墙的局部弯矩。

实心外墙

实心外墙的浸染与镶嵌内墙的浸染类似，也是起到加劲板的浸染。

做事核心筒

做事核心筒由于是高下通长的，其竖向传力路径比曲墙更直接。
以是，曲墙在不同的标高与其相连，直接将竖向力通报到根本。
做事核心筒也能供应一定的抗侧能力，但与大量的曲墙比较，其抗侧刚度并不大。

幕塔构造

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，以供应侧向约束。

桁架仅在外缘有斜杆，别的部位腹杆均为竖直杆，以担保舞台铺设的弹性。

对付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，可以折衷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高下对齐实在没紧要？比如下图。
欢迎大家留言谈论。

史上最难盖的屋子

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困难。

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履行性，委托日本竹中公务店试做了一片曲墙，确认是可行的。
详细方案在后面先容。

▲ 试浇筑现场

以是中国台湾的施工单位还是一片不雅观望，直到与伊东互助过“高雄世运主场馆”的互助营造也成功试做了一片曲墙，施工单位才以为是有可能造出来的。
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以为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管了这个艰巨的项目。

末了，丽明营造做了大量的试验，制作完成后经干系单位确认施工工法、精度、构造强度，并经由伊东丰雄确认后，才开始正式建造。
这时，已经是2009年，伊东中标的四年往后了。

▲ 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？但是由于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，无法重复利用，在工程韶光和预算考量下并不可行。
净水混凝土做法？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。

▲ 墙体布局示意图

终极采取的是“混凝土灌浆墙的钢筋构造体及其施工方法”，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，再探求材料与方法阻挡混凝土浆液外流（外覆金属防漏网），这样等混凝土凝固后可以形成构造体。

▲ 实际墙体布局

全体工序布局如下（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）利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贯是有微调的，比如根据声学进行微调。
一旦曲面有调度，就会引起构造性能、幕墙、楼板等一系列变革。
以是，必须将模型参数化，以便应对设计调度带来的重复事情。

全体形态被分为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。
这是最根本的参数。

四个多边形可以通过大略的几何拉伸，形成一个根本的网格。
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，终极的几何形状是几次平滑打算迭代下的结果。
如下图所示。

平滑后的表面向两侧各偏移200mm，即得到构造的表面。
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革的平面桁架。
因此，须要将曲面用平面格线进行剖分。

如何定义平面格线？平面格线的掌握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，停滞推进。
随后开始确定扇形的格线。

扇形格线是利用末了两根平行格线的交点为个中心点，以外边线弧长小于即是200mm为原则，进行划分。
终极，将末了的平行格线偏移100mm，截掉扇形格线的过度密集部分。
可以得到终极的钢筋桁架形状。