以上海天文馆为例浅析天文馆建筑特点与结构设计

张权赫

摘 要：天文馆是激发人类对宇宙奥秘探索的重要钥匙，而每个地区的天文馆都有其不同之处。为向大众普及天文相关知识，突显我国天文学特色，全新规划打造的上海天文馆的场馆建设工作已完成。 因此我们在浅析天文馆的建筑特点与结构设计的同时，对于上海天文馆的建筑背景，独到的理念和特殊結构，以及对复杂部分的抗震设计进行了分析。

关键词：天文馆;跨度壳体结构;建筑展示;抗震技术

中图分类号：TU352.11 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）06-0251-02

1天文馆的研究意义及现状

1.1 天文馆研究意义

长久以来，中国只有一个北京天文馆，这远远无法满足中国人对了解宇宙奥秘的需求。天文馆的建造意义在于它可以拟现地球以外的空间和人类对太空的探索历程，激发出每一个人对宇宙的好奇和对天文的喜爱。为完善我国对天文学相关知识的展示及科普功能，经过两年多的努力，以“塑造全面的宇宙观”为愿景，以“激发人们好奇心”为使命，为使我们更加了解宇宙的形态为目的而打造的上海天文馆目前已完成建设工作[1]。天文馆是一类特别的科普展示场所，它将再现深邃的星空，展现神秘的宇宙世界，带领我们走进一片星辰中。因此为建设体验感、功能性俱佳的展馆，有必要对天文馆的设计和构造进行分析与研究。

1.2 国内外天文馆建设现状

我国有许多天文科普场所，如天津科技馆、上海科技馆等设置了天文体验专区。北京天文馆是我国第一座亦是目前唯一的大型天文专题展览场所，由此可见上海天文馆的建设可以进一步完善我国天文科普领域的工作。为了获得更好的太空模拟效果，打造出还原度更高的天体影像，天文馆通常将屋顶结构作为大型展示区域。在场馆建筑设计方面，上海科技馆使用了半圆环形平面及椭圆玻璃球体中庭等特殊构造[2]。而国外也有许多天文馆，如伽利略天文馆的场馆造型是将等边三角形作为设计单元，通过局部与整体的关系体现再生设计的理念;海登天文馆中使用了直径为21米的大球作为结构主体。

因使用功能不同，大型场馆在建筑与结构设计方面上也有着显著的差异。本文将浅谈现有天文馆的特点，并对在2021年将要开放的上海天文馆进行着重分析。

2天文馆建造特点

2.1 天文馆特殊构造

天文馆是可以让人们能够接触到星海的最近之地。虽然在每个国家，每个地区的天文馆都有所不同，但他们却也有着相同的地方。上海天文馆的球幕影院，海登天文馆的直径21米的大球，天津科技馆的穹顶显示屏以及上海科技馆的椭圆玻璃球体中庭。几乎每个天文馆都有一个“大球”，用来拟作一片天空或一幕影像，使我们可以在陆地上便能感受到浩渺的星河。

2.2 大跨度结构

在每个天文馆中几乎都能看到一片大跨度屋顶，大跨度屋顶由于使用材料与构造形式的不同可以被分为由杆件连接而成的网架结构，由网架体系结合壳体造型而形成的空间网壳结构，实现曲面效果的轻型膜结构等[3]。使用大跨度结构不仅可使建筑物造型更加美观，也可通过节省施工材料等方式使工程建设更加经济合理。

许多大跨度建筑都选用了壳体结构，如荣获鲁班奖的国家大剧院，便使用呈椭圆状的钢结构壳体。因为壳体结构可做成大部分形状因此广泛应用于各类工程中，如大跨度建筑物屋顶、中小跨度屋面板、特殊建筑。而且这类结构能够实现大跨度的覆盖空间却不需要设置支架，所以它能够大幅度的减少材料的使用。壳体结构也有许多种类，例如网架结构：它可以实现空间工作，简化传力途径。建设于08年北京奥运会的国家体育馆采用了双向张弦空间网壳结构[4]。

3上海天文馆结构设计

3.1 工程概况

上海天文馆位于浦东新区，用地占5.86公顷，建筑高达23.95米，总建筑面积约3.8万平方米。建筑总层数为四层，其中地上三层，地下一层。上海天文馆项目除主题场馆外，另设置了天文台等三个附属建筑以完善园区功能[5]。为更好的再现宇宙实景，上海天文馆利用钢结构球体网壳打造了一个巨型球幕影院，其中球体的曲壳区域部分最大距离达11.8米，墙厚500毫米[6]。上海天文馆作为中国第二个天文馆，在完工后即将成为目前世界建筑面积最大的天文展示场所。

3.2 技术创新

上海天文馆的双曲面壳体混凝土结构，顶部通过六个牛腿来支撑一个直径为29米的球体来造成一个悬浮球体的效果。上海天文馆有三个方案来对曲壳结构进行施工：其一是使用定制异性钢模板，其二是使用弯曲塑料模板，其三是使用拼接木模板。因其壳体结构内的构件设计要求如内梁，跨度，排架净高等均超过一定数额因此成为了施工难度较大的工程。从而上海天文馆在三个施工方案中选取了虽周期较长但操作简单便于修改的拼接木模板方案，同时在施工过程中使用BIM技术来减少误差[6，7]。

3.2.1 结构设计

上海天文馆的球型剧场是由球体和底座两部分组成。其中球体的选型采用了钢结构的单层网壳设计，而承托壳体的底座部分则选用了混凝土材料进行施工。剧场里面的观众坐席选择了钢梁作为主要承重构件。为不影响剧场模拟太空的展示效果以及观众的浸入体验感，上海天文馆壳体结构的加劲肋设置在结构的外表面，同时还可达到降低混凝土结构的重量及厚度的目的。

根据设计规范要求，球体与网架之间的支架由于重量，结构的原因，挠跨比需小于1/400。通过比较刚性连接与铰性连接的挠跨比模拟数值可知，为满足设计需求，球体与混凝土壳体之间的支座应选用刚性连接的方式。通过计算软件，将1.5倍的设计值模拟为实际荷载工况，得出各节点的连接处仍保持弹性的状态。所以，连接悬浮球体与下部壳体之间的节点构造是可靠的[5]。

3.2.2 抗震技术

根据抗震技术规范要求以及上海天文馆工程所采取的特殊构造，在抗震技术方面需要达到以下两点性能目标：一是满足罕遇地震下的构件弹性状态。根据相关模拟数据可知，在大震情况下，对结构筒体及桁架进行弹塑性分析。其中悬挑区的钢桁架结构满足要求呈弹性状态，而混凝土与钢结构连接的区域仅有局部应力损伤。对该损伤区域内的钢筋进行改造设计，加密布置后的结构筒体在罕遇地震作用下可以呈弹性状态。二是达到中震弹性，罕遇地震不屈服的要求。主要构件如桁架、网壳、步道等应实现上述抗震目标。上海天文馆建筑抗震设计的整体计算使用MADS和SAP2000软件。为确保楼板的抗震性能，需要对其模拟中震作用下的应力分析。为保证结构的正常使用，需要对于球幕影院，大悬挑及穹顶及等重要构件分别进行模拟讨论[8]。

4上海天文馆建筑特点

4.1 建筑设计背景

上海市天文馆项目的负责团队于2012年完成了对展馆的策划、场地考察及項目研究工作。经过2年的时间，天文馆项目的建筑设计最终确定，该方案充分体现了三体系统，即地球，太阳与月亮的基本运动规律。建筑的外轮廓与外部的人行通道以椭圆线条来比拟行星在运行时的轨迹。建筑的倒置穹顶的特殊设计更是点睛之笔，隐藏地平线的视角及走道的朝向都将体验者深入体验宇宙的奥秘。由建筑物本身打造的体验场景，如圆孔天窗，巨型球幕与自然光合作而形成的投影无一不在与天文学的知识呼应。目前已实现整体建筑竣工，场馆预计于2021年择期开放[1]。

4.2 建筑设计特点

上海天文馆为将建筑设计与天文学展示相结合而采用的设计可大致分为五个方面：四时天象的体验、日晷的建筑表达、天体运行轨道的拟化、不同天体的对比、中国古代天文仪器的介绍[9]。

四时天象与倒转穹顶的结合，通过将其余干扰降至最低的方式，使游客将注意力大幅度的集中在天空中，从早上到午夜，人们都可以不受干扰地观察天空。由于室内的投影星空也使原本有限的空间，与倒转穹顶的结合变为了无垠的星空，因此观众可在天文馆中不仅能体验天空的魅力也能穿梭于星辰之间感受宇宙的浪漫。

日晷的建筑表达形式，利用场馆圆孔天窗的洞孔倾斜角对应于太阳的日照角度，日光透过圆洞在下方与池塘形成的倒影，可以表达年与天的光学示图。“圆洞”既建筑形式的日晷，甚至可以表明月相。

将内坡道的走向与天体运行的轨迹相结合，使建筑设计与天文原理相呼应，以此来融入天文概念。轨道与引力的设计理念不仅使建筑外观更加美观，还使游客可以在天文馆中游玩时感到动态感。

5结论

上海天文馆在建造时使用的双曲面壳体混凝土结构，不仅可以减少建筑材料，还达到了建筑更加美观的目标。在上海天文馆的抗震设计中，使用了数值模拟的方法来验证结构设计的方案，以此保证结构的各项安全性能。上海天文馆将建筑设计方案与展示功能相结合，使得观众在进入场馆的同时就好像进入宇宙一般。因此上海天文馆作为我国第二个天文馆，不仅在技术上使用了多处创新点，更在设计理念上贴近了宇宙的主题。

参考文献

[1] 林清.上海天文馆[J].科学，2017（5）：37-41.

[2] 毛小涵.上海科技馆建设[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[3] 郝飞.大跨度空间结构的主要形式及特点[J].内蒙古石油化工，2011（03）：88-89.

[4] 庞崇安.大跨空间结构在奥运场馆中的实践与发展[J].建筑技术，2010，41（2）：102-105.

[5] 徐晓红，李岩松，肖魁.上海天文馆球幕影院复杂壳体混合结构设计[J].建筑结构，048（3）：37-41.

[6] 顾佳玮.上海天文馆双曲面壳体混凝土结构施工[J].上海建设科技，2019，232（2）：64-66+69.

[7] 陈家远，郜江，刘婧.BIM技术在上海天文馆设计阶段的应用[J].土木建筑工程信息技术，2016，8（4）：10-16.

[8] 郜江，李亚明，贾水钟.上海天文馆结构抗震设计[J].建筑结构，2018（3）：30-36+61.

[9] 李岩松，吉亚妮，徐晨.浅析建筑空间与展示相结合在上海天文馆项目中的应用[J].科技创新与应用，2017（13）：245.