浅谈苏州湾文化中心项目的“飘带”设计

钱青

摘 要 苏州湾文化中心项目始于2013年中，通过激烈的方案竞争，最终由法国著名建筑师、普利兹克建筑奖得主包赞巴克先生胜出。这座建筑由两条在空中交织的金属“飘带”统领，把位于中轴线两侧、相隔100米的大剧院与博览中心连成一体。它西滨太湖，东接太湖新城中央商务区，坐落于新城的东西中轴线的西端点，总占地面积约9公顷。文化中心北端的大剧院主要包括1600座的大剧院、600座的多功能厅、7个厅和1个IMAX厅电影院；南端的博览中心主要包括一个24000平方米的博物馆、一个18000平方米的展览中心、一个14000平方米的会议中心；建筑地下共二层，可提供750个停车位和14000平方米的配套商业体。

关键词 钢结构；大跨度；空间桁架；BIM模型

引言

“…一眼望去，整座建筑最具标志性的便是它的两条金属带饰。它们如同在风中或水中交织起伏的丝绸飘带；它们是大剧院的屋顶，同时又是博览中心的侧壁，就这样把原本位于中轴线两侧、相隔100米的大剧院与博览中心连成一体 …… 带饰起伏的曲面一气呵成，足以让习惯于简单规则线条的观者入迷——这是通过三维桁架体体系实现的结构造型，看起来却自然而然不带人工斧凿的痕迹，所唤起的敬意或使人认同起高迪的话：直线属于人类，曲线属于上帝。让人吃惊的是，这看似柔弱的、没有立足平面的带饰，在大剧院与博览中心屋顶之间，恰恰还充当着桥梁和观景台。上面设有步行道——人们可以由大厅内电梯直达，或从外部坡道攀登，行走于飘带之上，一览三万六千顷太湖的壮丽或是城市中轴线两边的新城风光，自有一番陶醉的情境…” 这是媒体对文化中心的动人描述，揭示了方案的特点与设计者的良苦用心，看起来诗情画意，但实施起来却是让所有的参与者煞费苦心。

北侧大剧院部分为钢筋混凝土现浇的大剧场和多功能厅，其余为钢结构；南侧的博物馆和会议中心为钢筋混凝土现浇结构，规划展示馆为钢结构；东西两侧的飘带为空间钢桁架。项目于2016年9月正式动工，预计2019年底完成并投入使用，截至2018年初，土建及钢结构基本完成施工，其中难度最大的空间弯扭管桁架钢结构飘带也顺利实现合拢。

在设计伊始，这两段跨度将近200米的“飘带”结构设计给建筑师带来了很大的挑战，他们聘请了国际知名的ARUP工程顾问公司，希望能以一种轻薄的结构方式来实现“飘带”的建筑要求，且其在两栋建筑之间需要连续，没有伸缩缝，并且在上飘带的中间有一段人行天桥将南北建筑联系起来。对于建筑师的要求ARUP公司的解决方案是：根据“飘带”的造型和流线采用三维桁架体系来实现建筑外形，结构设计采用Q345和Q390钢材，结构体系主要包括采用开口截面构成的三角桁架和圆钢管钢支撑构件，这种结构体系主要的优点是构件制作和构件连接节点设计较为容易[1]。

对于“飘带”的连贯性，如果在“飘带”与两栋建筑之间采用伸缩缝断开，结构设计就会变得相对简单，但是这样违背了建筑设计的意图，由于“飘带”的跨度很大，“飘带”的连贯性设计会给结构带来很多挑战，特别是地震和温度作用下构件的应力会无法释放，在初步分析时，ARUP公司已经做了一些计算分析，结果表明温度和地震对结构的影响是可以接受的。ARUP公司的初步分析主要考虑风荷载、雪荷载、温度作用和荷载的不均匀分布对结构的影响，确认他们的结构体系能够满足各种不利工况下的设计要求，在接下来的设计阶段中，结构体系还可以通过结构找形及与建筑的配合进行优化，以获得更加理想和光滑的流水线外形来满足建筑的美感要求。

在方案的深化阶段，中间大跨度的“飘带”需要和两侧依附于建筑上的“飘带”整体考虑，因此，整个“飘带”依据其与南北建筑结构之间的相互关系分为三个部分：悬挑钢架、幕墙构件和中部大跨度空间桁架。对于飘带，结构采用了由一榀设置于接近飘带平面中心位置的在空间进行扭曲的平面桁架（類似脊梁骨的脊桁架）和多组三角形平面桁架及在三个平面内的十字形支撑组成的一个空间桁架结构，同时根据建筑布置设置了一些支柱以及钢框筒来提供抗侧及竖向稳定。由平面桁架组成的该空间桁架在平面和空间上不断改变宽度和角度，最终与两栋建筑物合为一体成为建筑物的外幕墙，整个飘带结构犹如一个在空中飘浮的丝带最终落在了建筑物上，使两组相对独立的建筑物成了一个有机体。飘带结构分为上下两个飘带，其中高位飘带上设置有人行步道。

1 高位“飘带”

高位“飘带”南端支承在南部展示中心内部钢框架核心筒上，北部与歌剧院东南楼梯筒结构相连，中间设置有两组“V”形叉柱来支撑整个空间扭曲钢结构体系。在歌剧院过渡位置处，根据建筑布置的要求，还设置了局部钢结构小平台与“飘带”的步道相连。在两组叉形柱之间“飘带”跨度达到80米左右，叉形柱与南部展示中心钢框架支点距离为60米，叉形柱到歌剧院支撑位置跨度为40米。“飘带”宽度由14米到30米不等变换，飘带最高标处高约为47.00m。飘带三角形桁架中心线高度约5m，按此计算，跨中高跨比为1/16，在常规网架高跨比范围内。

“飘带”竖向重力荷载除主要承受幕墙荷载外，在“飘带”顶部还需承受雪荷载以及“飘带”顶面设置的3m宽度人行步道及行人荷载。“飘带”结构的主要抗侧力构件由中部两个叉形柱及设置在两侧的建筑物内的结构支撑钢框筒体系构成。“飘带”的竖向荷载和水平荷载均由三个平面内的平面桁架和主桁架“脊桁架”承担并传递到叉柱及两边塔楼抗侧力支撑体系最后传递到基础。

高位“飘带”主要由中部主桁架、三角形次桁架、面内支撑体系和跨中两个叉形柱构成。

1.1 中部主桁架

高位“飘带”中间主桁架高度约为5米，支撑中部主桁架叉形柱高度分别为23.2m和28.3米，两叉柱之间结构整体跨高比16。主桁架在”飘带”结构的中部为竖向布置，由于造型的扭曲的结构，使其由中间的竖向布置慢慢向两端水平方向进行过渡，最终形成水平向布置的桁架；主桁架两侧的三角形次桁架的结构功能为传递局部荷载。主桁架在叉形柱之间主要承受竖向荷载，在端部桁架扭曲为水平方向后主要承受水平荷载[2]。

1.2 三角形次桁架

“飘带”面荷载需要通过垂直于主桁架的三角形次桁架传递到中间主桁架。

中部主桁架 三角形次桁架 主、次桁架的关系

1.3 支撑体系

为传递荷载和提供结构稳定性，在飘带顶部和底部设置有水平支撑体系（三个平面内），从而又形成了三个平面桁架。

1.4 叉形柱

“飘带”结构跨中共设置两个叉形柱，叉形柱起承受结构竖向荷载和提供结构抗侧刚度作用。

2 低位“飘带”

低位“飘带”连接博物中心（南端）和大剧院（北端）。博物馆一侧有一个核心筒与飘带相连，歌剧院一侧有一个竹状柱和三个楼梯筒与飘带连接。在博物馆和歌剧院中间位置设置一个v形柱，该v形柱支撑在飘带主桁架的下弦杆上。在飘带的最北侧（竹状柱以北）设置有独立斜撑，以减小飘带北侧的悬挑长度。低位“飘带”结构体系与高位“飘带”基本一致，主要由中部主桁架、三角形次桁架和面内支撑杆件组成[3]。

3 结束语

2018年初，农历2017年尾，随着400吨的履带吊将最后一榀弯扭管桁架单元稳稳安装完毕。这标志着，国内长度最长、跨度最大的空间弯扭管桁架鋼结构飘带顺利实现合拢。为了“编织”好这特殊的钢铁“丝带”，中建三局苏州湾文化中心项目部抽调技术骨干9名，特邀5名钢结构专家、2名设计院主创设计师，利用计算机施工全过程模拟分析、BIM三维深化放样、无人机实时监控等进行技术攻关及反复论证研究。专家组决定最终采用了贝雷架受力支撑、结构地面分段拼装、履带吊分段吊装、中心区域整体液压提升的施工方案。如今，两条钢结构“飘带”成功合龙，不仅意味着项目将进入大规模机电、幕墙安装环节，离竣工的日子更近一步，更标志着我国在大跨度空间弯扭管桁架结构施工领域实现了新的突破。

参考文献

[1] 搜狐新闻“见证一个地标的诞生——苏州湾文化中心”[EB/OL].http：//www.sohu.com/a/114725473_349631，2016-09-20.

[2] 3000吨钢铁“织”成国内第一长 苏州湾文化中心空间弯扭管桁架飘带成功合拢[EB/OL].http：//baijiahao.baidu.com/s？id=1591554218308360879&wfr=spider&for=pc，2018-02-05.

[3] 苏州再添文化新地标！苏州湾文化中心项目主体结构封顶[EB/OL].http：//wj.suzfang.com/zyzn/324541.html，2018-02-09.