大跨建筑构造和建筑设计的关系——以哈尔滨大剧院为例

何新宇

大跨建筑作为建筑领域的重要组成部分，在现代城市中起着重要的作用。在大跨建筑的设计过程中，构造与设计密不可分，二者之间的关系会直接影响建筑的安全性、稳定性以及功能实现[1]。哈尔滨大剧院作为一座具有代表性的大跨建筑，其建筑构造和设计的关系具有一定的研究价值。本文以哈尔滨大剧院为例，深入探讨大跨建筑的构造与设计之间的相互影响和制约关系，以期为设计类似的建筑提供借鉴。

1 建筑概况

哈尔滨大剧院位于黑龙江省哈尔滨市中央大街，是一座富有文化内涵和艺术气息的标志性建筑。该剧院的总占地面积约444 hm2，建筑高度达到56 m，包括1564 座大剧场、414 座小剧场、地下车库及附属配套用房等。哈尔滨大剧院俯视图如图1 所示。

该剧院的设计灵感来源于多方面的文化元素，融合了传统与现代的美学理念，呈现出一种独具特色的建筑风貌。首先，设计师在建筑的外观造型上融入了哈尔滨市的特色，将冰雪与冬季景观元素巧妙地结合起来，使建筑的形态犹如一座擎天玉柱。冰雪雕塑的灵感为建筑赋予了一种神秘、清冷的美感，与哈尔滨冰雪文化相得益彰[2]。其次，哈尔滨大剧院在建筑风格上也注重融合多种文化元素，从建筑的立面到内部空间，都充满了现代艺术的氛围。建筑立面采用了流线型设计，充满动感，与城市现代化的发展理念相契合。在剧院内部，设计师精心布置了各类艺术品和装饰，不仅展现了传统的哈尔滨文化，还融入了国际化的时尚元素。

哈尔滨大剧院是一座融合了冰雪文化、传统文化与现代艺术的标志性建筑。它的独特设计与建筑风格，使其在众多建筑中脱颖而出，成为哈尔滨城市发展的重要象征。通过对这一杰作的深入研究与分析，不仅可以了解大跨建筑的构造与设计的关系，还可以进一步探索建筑与文化、城市与人文之间的紧密联系，为未来的建筑设计与城市发展提供借鉴[3]。

2 结构布置

哈尔滨大剧院作为一座大跨度建筑，其结构布置是确保建筑稳定性和安全性的重要因素。在设计过程中，工程师充分考虑了建筑体型和功能分区的特点，将整个建筑划分为10 个结构单元，每个单元都经过精心规划和布置，以满足复杂多变的荷载要求[4]。

2.1 大剧场

大剧场是哈尔滨大剧院的核心部分，主要用于承办大型演出和活动。在大剧场的结构设计中，工程师根据大剧场的尺寸和布局，精确计算了大跨梁的跨度和尺寸。通过合理的布置和计算，大跨梁能够稳定地承载屋盖和天花板的重量，保证了剧场整体结构的稳定性。根据大剧场的平面布局和荷载特点，合理配置了大跨柱的位置和数量。通过科学的计算和布置，大跨柱能够有效分散荷载，保证剧场内部结构的稳定和均衡。同时，通过采用高强度的结构材料，增强了大剧场的整体强度和稳定性[5]。在地基基础设计中，针对大剧场所在地基的地质特点，为增加地基承载能力，提高大剧场的整体稳定性，工程师采取了灌注桩、地下承台、地基加厚等措施。大剧场钢结构三维示意图如图2所示。

图2 大剧场钢结构三维示意图（来源：网络）

2.2 小剧场

小剧场在哈尔滨大剧院中也起着重要作用，通常用于小型演出和文化活动。为了保证小剧场的结构稳定，工程师在其设计中采用了类似大剧场的结构布置，注重大跨梁和柱的配置，并选用适当的结构材料。小剧场的地基基础设计同样经过精心考虑，采用灌注桩、地基加厚和地下承台等加固措施来确保其在使用过程中的稳固性和安全性[6]。

2.3 车库单元

哈尔滨大剧院有6 个车库单元，用于停放车辆。车库的结构设计考虑到停车场的载荷特点，工程师采用了大面积的梁柱结构，以支撑停车场的重量。在停车场区域，地质构造和土壤性质存在差异，可能会导致地基承载能力不均匀，增加了停车场地基沉降和变形的风险。工程师对停车场区域进行了大量地质勘探和分析，确定了不同区域的土壤性质和地下水位变化。在地下水位较高的区域，采用了灌注桩加固技术。在地基承载能力较低的区域，采用地基加厚的方式，通过在原有地基上增加一定厚度的强化层，提高地基的承载能力[7]。

2.4 水池桥单元

哈尔滨大剧院的设计还包括2 个水池桥单元，这些水池桥在建筑中起到装饰和景观的作用，同时也承担着一定的水负荷。在水池桥单元所在的区域，地质构造和土壤性质存在差异，地基的承载能力存在不均匀性，这对水池桥的稳定性提出了一定挑战。

在设计中，工程师采用了特殊的结构形式和材料，以确保水池桥的稳定性和安全性。针对水池桥所在地的地质条件，工程师进行了详细的地质勘探和分析，了解了地下土层和水位等情况。

根据地质数据，采用了加厚地基的方式，即通过在原有地基上增加一定厚度的强化层，提高地基的承载能力，确保水池桥的稳定性。对于地下水位较高的情况，采用了灌注桩等加固技术，以满足水池桥的使用要求。

3 地基基础设计

3.1 地质勘探和分析

进行大量的地质勘探和分析是地基基础设计的重要前提。工程师在规划建设前，对大剧院的选址进行了详细的地质调查。通过对地质构造、地下水位、土层性质等关键参数的测量与分析，了解了地下情况的复杂性与多变性。在勘探的基础上，采用地质勘探技术和现代地质探测仪器进行了详细的地质分析，从而确保了地基设计的准确性和可靠性。

3.2 应用高强度材料

为增加地基的承载能力，设计者采用了高强度材料。针对大剧院的建筑形态和重要结构部位，选择了高强度的混凝土和钢材，以增加地基的承载力和刚性。混凝土是一种优秀的建筑材料，具有较高的抗压和抗弯强度，在大跨建筑中已广泛应用于地基的加固和承载[8]。

同时，钢材作为一种优质结构材料，不仅具有较高的强度和稳定性，还可以灵活运用于不同的结构形式，使得地基的设计更加灵活。采用高强度材料的地基设计，不仅增加了地基的承载能力，还有效提高了建筑的整体稳定性和抗震性能。

3.3 采用降低沉降技术

为了减少地基沉降对建筑结构的不利影响，设计者还采取了一系列降低沉降的技术措施。其中，常见的是地基加固与土体加固技术。地基加固包括土体的加固和加固层的设置，通过增加地基的强度和刚性，降低地基沉降的可能性。

土体加固技术可以采用土体改良、土体压实等手段，以提高土体的稳定性和抗沉降能力[9]。此外，设计者还采用了沉降监测技术，对大剧院的地基沉降进行实时监测和分析。通过对沉降数据的精确掌握，可以及时采取相应的措施，避免地基沉降对建筑结构的不利影响。

4 建筑材料

4.1 高强度钢材在结构部分的应用

在大跨建筑设计中，承重结构的稳定性和强度至关重要。为此，在哈尔滨大剧院的结构部分采用了高强度钢材。高强度钢材具有较高的抗拉强度和抗压强度，使其能够承受更大的荷载，并保证建筑的整体稳固性。在大剧院的梁、柱和框架等关键结构部位，选用高强度钢材，以提供足够的支撑力，确保了大跨建筑的结构稳定和安全[10]。

4.2 耐候性较好的外墙材料

外墙作为建筑的外部保护层，其材料的选用不仅要考虑美观性，还需要具备较好的耐候性。在寒冷气候条件下，外墙材料需要能够抵御低温、风雪等气候因素的侵蚀。因此，在哈尔滨大剧院的外墙装饰中，选择了耐候性较好的玻璃纤维增强混凝土（Glass Fiber Reinforced Concrete，GRC）材料。该材料具有出色的耐候性和抗老化性能，不易受到气候变化的影响，能够长期保持良好的外观和性能[11]。通过采用这种耐候性材料，保证了大剧院外墙在严寒冬季和酷暑夏季都能保持美观。

4.3 高性能混凝土的应用

除了高强度钢材外，高性能混凝土在哈尔滨大剧院的设计中也得到了广泛应用。高性能混凝土是一种特殊的混凝土，具有较高的强度、耐久性和抗渗性能。在大剧院的地基基础设计和结构部分，采用高性能混凝土，以增强地基的承载能力和结构的稳定性。同时，在地下车库等特殊区域，高性能混凝土的应用还能有效抵御地下水的侵蚀，确保地下空间的安全和持久性。

4.4 玻璃幕墙材料的选择

玻璃幕墙是现代大跨建筑常见的外立面设计，它不仅可以提供充足的自然光照，还为建筑赋予了现代感，增添了整体的美感和视觉效果。在哈尔滨大剧院的设计中，选用优质的玻璃材料作为幕墙。这种玻璃材料不仅具有良好的透光性，还具有良好的隔热和隔音性能，有效提高了室内空间的舒适性和节能性。此外，玻璃幕墙材料还具有良好的耐候性，能够抵御风雨和紫外线的侵蚀，保持建筑外观的长期美观[12]。

5 建筑采光

5.1 大面积的玻璃幕墙

在哈尔滨大剧院的设计中，大面积的玻璃幕墙被广泛应用于建筑的外立面设计。透过玻璃幕墙，室内可以获得充足的日光，提高了建筑内部的采光质量。此外，玻璃幕墙还可以将室内与室外景观无缝连接，让人们在室内也能欣赏外部的美景。

5.2 天窗的运用

除了玻璃幕墙，设计中还采用天窗设计。天窗是开设在屋顶或墙面的窗户，它可引入更多的自然光线，使得室内更明亮。在哈尔滨大剧院的设计中，天窗被巧妙地布置在剧院内部，让自然光线可以均匀地洒进室内，增强了剧院内部空间的通透感和明亮度。

5.3 光线引导技术

为了避免强光直射对剧院内部活动造成不利影响，设计中采用了光线引导技术。光线引导技术可以通过设计合理的反射板、遮阳设施等，将强光引导和分散，实现光线的均匀分布。在哈尔滨大剧院的设计中，通过巧妙设置遮阳篷和反射板，有效控制了强光进入剧院内部的情况，保证了舞台演出的舒适性和效果。

6 结语

在大跨建筑设计过程中，合理的结构布置、科学的地基基础设计、优质的建筑材料选择以及良好的建筑采光等方面，共同决定了建筑的稳定性、安全性和功能实现。只有在结构与设计紧密协调的基础上，才能打造出更出色的大跨建筑作品，希望本文的研究结论能够为今后类似大跨建筑的设计和施工提供借鉴。