哈尔滨大剧院科技创新与应用

哈尔滨大剧院位于松花江北岸，与太阳岛隔江相望，是一座集演艺、湿地观光于一体的国际一流观演建筑。该工程由中国建筑师提供整体设计方案，是黑龙江省规模最大、功能最完善的标志性文化设施。

运用大地艺术景观手法对原有自然湿地、水系合理保留利用，使建筑更加贴近自然。建筑形体采用异型曲面设计，外部线条流畅飘逸，内部弧线自然柔和。采取三维声线分析、混响时间计算等多种声学分析方法，对建筑形体、装饰形式、材料选取进行优化，实现专业剧院的音质效果。采用自由曲面箱型弯扭网壳等多种钢结构形式组合满足建筑流线外形的需要。屋面幕墙设有人行步道，采用了倒插叠瓦式构造，分散排水避免形成雨幕，且自下而上不会形成阴影。在公共大厅、大小剧场、排练厅等多处引入自然光，节能美观。

施工中利用BIM技术与三维快速测量装置相结合，解决了自由曲面网架结构的拼装与吊装难题，经鉴定该技术达到国际先进水平。独创的8耳板转接件解决了复杂四棱锥玻璃顶的安装。采用逆施工法，解决了曲面金属幕墙的安装。公共区域任意曲面GRC复合木装饰采取工厂模块化加工与现场制作相结合，填补了国内该方面技术的空白。将测量机器人、三维激光扫描与BIM技术结合，实现了复杂全曲面造型施工的精确定位及控制。采用了市政管线廊桥合一、地埋式一体化生活污水处理循环系统等54项绿色施工技术及措施，实现了湿地保护与节能减排的目标。

哈尔滨大剧院获ArchDaily年度最佳文化建筑奖，中国建设工程施工技术创新成果奖，中国钢结构金奖，全国绿色施工及节能减排竞赛优胜工程金奖，黑龙江省建设工程质量“龙江杯”，发明专利1项，实用新型专利7项，国家级工法1项，冶金行业部级工法1项，各类奖项共30项。

一、设计创新举例

（一）建筑与自然融合的大地景观设计理念

哈尔滨大剧院坐落在松花江北岸江畔，以环绕周围的湿地自然风光与北国冰封的特征为设计灵感，运用大地艺术景观手法对岛内原有自然湿地、水系合理保留利用，使建筑设计更贴近自然，达到天人合一的自然美景，展现了哈尔滨独特的冰雪文化内涵和“冰城”性格。

夏天像环绕江边湿地飘动的绸带，倒影在宁静的水面与天空流动的浮云交织着；冬天又如破冰而出的雪山，围着厚厚的围巾，静静地守候着冰封延绵的母亲河。建筑如行云流水般顺畅自然，与松花江浑然一体，面向密集的高楼大厦和喧嚣的城市，守候着自己的一份宁静。独特的建筑风格和先进的使用功能，精雕细琢出这传承现代文明的艺术殿堂，灵动的建筑造型和独特的建筑空间，呼应了这融合于自然的设计理念。

（二）异型全曲面空间设计

哈尔滨大剧院内外空间无任何直角元素，外侧采用异型曲面设计，使整座建筑如行云流水般流畅。

大剧院室内设计是外部冰雪概念的一个延续，冰雪的洁白纯净又加上木头的温暖热情，一冷一暖两种自然色彩和肌理的结合共同构成了大剧院室内设计的概念。设计概念中融入了自然冰雪的颜色与形态，让整个空间显得自然纯净，融化中的冰雪，看似静态又富有流动感，融水不断划过冰洞顶层雕琢出了最自然的弧线形态，体现出了哈尔滨地域风情。

舞台像一个横置的“碗”，“碗口”朝向观众，“碗底”为面向观众席的舞台后部。绝大多数剧院舞台，后部多是开放式，用于观众出场和谢幕，而大剧院剧场舞台不同之处是，左、后、右三面封闭，像是把表演者置入横置的“碗”中。由于“碗口”比“碗底”大，造成视觉上豁然开朗，而观众席呈一定坡度，引入自然光和水晶楼座设计，这给角落的观众增加了视觉上的舒适感，在感观上与舞台拉近了距离。剧场顶部与底部的整体设计像一个贝壳，中部舞台和观众席的顶棚宽敞，观众席边的入口处是矮线条，只比人高出一米左右，虽然行走起来略显压抑，却使入座的观众感觉像是被封闭空间的剧场环抱起来。观众席由曲线式的木质隔板对称弯曲分割成6个部分，这样的区域式设计，让区与区之间的观众互不干扰，一定程度上实现了私密性。

（三）多功能的幕墙设计

哈尔滨大剧院幕墙采用金属复合幕墙、四棱锥玻璃采光顶幕墙、清水混凝土板幕墙等9大幕墙体系来保证结构外形效果。

剧院屋面采用了国际独创的立体纹理异形曲面结构金属幕墙，形成皮肤状呼气式建筑表皮，展开面积达5万m2。屋面为二次曲面，外装饰层铝板的分格采用了四边形板拟合，在Rhinoceros模型中提取要分格的曲面导入数字化建模系统，提取曲面的UV线，将UV线在曲面内分别进行两个方向的偏移，通过平衡确定了1000mm的分格优化尺寸，形成了总量3万余块铝装饰板块。

通常，建筑幕墙板块会将上面的板覆盖下面的金属板，但在哈尔滨大剧院这个项目中是倒插叠瓦，将下面的金属板覆盖在上面的金属板之上，连接处形成一条开缝，通过这种方式，无需用精确至毫米的施工工艺来完成高难度的曲面拼接，开缝接头也能有效防止雨雪的侵蚀，上一层的金属板也不会将阴影投射至其底下的金属板，纵向连接的可见接头缝有利于屋面分散排水，避免形成雨幕。同时设计了集观光、清洗、消防、排水于一体的人行步道，实用美观。

此外，四棱锥的玻璃幕墙犹如冬季的冰凌，鲜明的棱角彰显了北方的大气浑厚，非常契合哈尔滨的人文历史特色和地域特色。步入哈尔滨大剧院的公共大堂，光从由四棱锥玻璃体组成的曲面采光顶洒落，整个大厅似水晶一样晶莹剔透，让人仿佛进入梦幻空间。

采光顶龙骨连接节点三维示意图

（四）复杂形体结构体系设计

哈尔滨大剧院屋顶采用多种形式钢结构设计，配以复杂的边界条件和连接节点，构成了精致的外形结构，同时对结构体系进行稳定性评估和罕遇地震分析，保证了结构的安全可靠。

多种钢结构形式的融合，设计出了自由曲面高精度玻璃顶箱型弯扭网壳结构、复杂异型双（多）层焊接球节点网架结构、扇形变曲面屋面折弯梁结构等，保证了建筑设计流线美观。

哈尔滨大剧院钢结构屋盖跨度大，且体型复杂，设计时考虑了三类结构稳定的计算：钢屋盖结构线性屈曲分析；钢屋盖结构考虑大变形的几何非线性的稳定分析；钢屋盖结构考虑材料和几何双重非线性的稳定分析。此外鉴于结构的复杂性，针对大、小剧场结构进行了罕遇地震作用下的动力弹塑性分析。采用大型通用有限元分析软件ABAQUS，考虑几何非线性与材料非线性，楼板按弹性进行分析，保证了结构的安全性。

（五）剧院建筑设备节能设计

哈尔滨大剧院采用多种建筑节能措施，大剧场、会议室、排练厅等多处地方创造性地将室外的自然光引入室内，小剧场的后台也设计为透明的隔音玻璃，使得室外的自然环境成为了舞台的延伸和背景，为小剧场的舞台创作提供了新的可能性，这些措施不仅独特新颖，而且节能美观。

24小时运行或全年需要制冷的房间如消防控制室、安防控制室、硅控室、功率放大室采用多联机系统，以减少主机开启时间。同时设置新风换气机在可以利用新风制冷以及多联机不能使用时使用，可以实现免费制冷。

剧院位于中国北方城市哈尔滨市，该城市是东北寒冷城市，需要在屋面天沟内填加融雪系统对天沟进行融雪化冰。对本项目考验最为严峻的季节是在初春、初冬季节时早晚温度变化较大的情况下，天沟及落水管会出现结冰现象，进而造成屋面漏水、冰块坠落，以及雨水管内因结冰而冻裂等引发安全事故。所以将发热电缆沿着天沟、落水口等易于积水、结冰的部位敷设，使屋面排水沟始终保持畅通不结冰，并尽量节省电能，达到经济实用的最佳效果。

在所有的屋面雨水排水沟、雨水斗、室外处敷设的雨水管均设电热融雪系统，避免这些关键部位出现结冰。保证排水路径的畅通，避免雨水管和雨水斗的冻胀破坏。

二、施工创新举例

（一）多种类异型扭曲钢结构施工技术研究及应用

多种类异型扭曲钢结构施工技术，以分区模块化施工为核心、空间定位详图技术为支撑、高效拼装为中枢、高精度测控为关键，通过对施工过程进行科学分析与判断，巧妙划分基本拼装和吊装单元，使得整体上差异巨大的空间结构，在经过单元划分后，各个单体差异变得足够小，达到了易于形成加工和安装的模块化施工的效果；利用软件辅助确定构件控制点的三维坐标，在计算机工况模拟和高精度测量技术的配合下，保证了拼装和吊装的精度，实施模块化的拼装和吊装工艺，并根据现场条件确定合理的作业流水和大型机械，应用该成果创新技术，完成了自由曲面高精度玻璃顶箱型弯扭网壳、复杂异型多层焊接球节点网架结构、扇形变曲面屋面折弯梁以及相关的多种功能性连接支撑件的施工，克服了复杂异型结构中的施工繁琐、措施成本投入大的困难。

玻璃顶网壳工程总量约700t，结构由350个鼓节点和约500根箱型梁组成，从标高6m爬升到标高54m，中间出现两次曲面波峰和波谷，本项目中自由曲面高精度玻璃顶箱型扭曲网壳的曲面和弯扭，依靠箱型梁与269个鼓节点弯扭连贯连接实现的。本技术主要的技术重点难点在于网壳单元的划分、标准化拼装和模块化吊装。

自由曲面玻璃顶网壳图

（二）自由曲面空间定位控制技术

哈尔滨大剧院结构复杂，造型独特，空间定位控制是施工中的一大难点。工程将三维激光扫描技术、测量机器人和BIM技术相结合，采用三维模型和二维电子图纸进行数字化定位放样，改变传统放样模式；利用数字化测量仪器和应用软件进行实体测量和数据图形化处理，改变传统的质量检查方法，使质量检验数字化，真正实现了数字化测量与数字化管理。

测量机器人是一种全自动高精度、具有世界领先水平的一种全站仪。它有世界上最好的数据采集器和放样软件，无需目镜，直接运用手簿（小笔记本）操作，能将CAD平面坐标图、三维坐标图、Revit模型（BIM模型）导入手簿中，进而通过仪器进行放样。放样的同时，可以记录现场的放样点，将数据返回原来的BIM模型，将施工现场的实际数据和设计数据做比对，进行误差分析，大大提高放样精度及工作效率。

1．机器人放样流程

2．机器人测量流程

本工程使用的是天宝RTS873测量机器人，测角精度为3″，测距精度为±2mm+2ppm。将哈尔滨大剧院的BIM模型输入到TFL后，所有的结构点、放样点都能很好地体现，一目了然。此外，可将每天测量放线的记录在TFL中制作成生动的报告，达到精准测量。

（三）绿色施工

哈尔滨大剧院的建造始终以保护湿地生态环境为宗旨，从设计到施工，认真贯彻绿色施工节能减排的理念，改变和创新现有的施工方式和管理方式，将绿色施工渗透到施工中的各个环节。采用的隔振、消声控制技术，完美地隔绝了噪声的传播，对湿地周围生物的生存环境丝毫没有影响。此外，大剧院所设置的外部管道，全部隐藏于廊桥下，对湿地的面貌丝毫没有破坏。

污水处理工艺流程图

哈尔滨大剧院生活污水采用地埋式一体化生活污水处理循环系统，污水处理工艺流程图如上图所示，本项目采用的工艺先进成熟，处理效率高，操作管理简单、方便、灵活，并尽可能地节省占地面积和能耗，降低运行费用。

采用具有抑制谐波功能的电容补偿装置，避免对电网的污染，充分利用冷却塔风机启停技术、能量调节自控装置、新风系统、大温差运行系统、变频调速装置、热交换装置等减少设备运行能耗，冷水机组冷却水经冷却塔循环使用，循环率＞98%，并采用各类高效率、低噪型设备并作减震、隔声处理，减少噪声污染，所有卫生器具均采用节水型器具，各总供水干管上均设置水表，以便有效管理及监察用水，避免浪费。

地下生活水箱出口设置紫外线消毒器通过这些成果的实施不仅节约了大量资源，还降低了污染排放，增强了绿色施工的效果，减少了施工废弃物的产生，为施工过程的节能环保做出了显著贡献。

哈尔滨大剧院广泛推行绿色建筑技术28项和绿色施工技术26项，总计54项。