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從二十世紀(jì)九十年代初開始，無柱展廳已經(jīng)成為德國各大會展公司對會展建筑的最基本要求，同時(shí)要求單個(gè)展廳面積能達(dá)到2~3萬m2，這是基于對展會規(guī)模分析和測算得出的數(shù)據(jù)。只有跨度超過100m的展廳才能同時(shí)滿足這兩個(gè)要求，但這樣的跨度又會引發(fā)建筑經(jīng)濟(jì)性的問題。傳統(tǒng)的鋼桁架或鋼網(wǎng)架雖然能解決跨度的問題，但結(jié)構(gòu)和建筑的美感又無法充分表達(dá)。這時(shí)，建筑師與結(jié)構(gòu)工程師之間的創(chuàng)意合作成為解鎖這個(gè)難題的鑰匙。
1 漢諾威會展中心4號展廳
漢諾威會展中心4 號展廳夜景
漢諾威會展中心是世界上最大、最負(fù)盛名的會展中心，超過50萬m2的凈展面積和每年超過50場的頂級展會，使其幾十年來穩(wěn)居行業(yè)龍頭地位。1994年，在漢諾威會展中心4號展廳的競賽中，德國gmp國際建筑設(shè)計(jì)有限公司（以下簡稱gmp）和sbp結(jié)構(gòu)工程師事務(wù)所（以下簡稱sbp）聯(lián)袂中標(biāo)。展廳提供了一個(gè)通過玻璃采光頂自然采光的185.6m×116m的無柱大空間，凈展面積超過21 500㎡。雙層屋面結(jié)構(gòu)的下層以承重金屬波形板將屋頂下的設(shè)備管道保護(hù)起來，同時(shí)利用雙層金屬板結(jié)構(gòu)之間的空腔進(jìn)行正壓送風(fēng)，使得灰塵難以進(jìn)入到空腔和管道。4號廳可以舉辦多種不同類型的活動，特別是容易產(chǎn)生灰塵的馬術(shù)等。
漢諾威會展中心4號展廳秩序感極強(qiáng)的內(nèi)部空間
4號展廳的屋蓋采用了跨度122m、高度為9m的張弦桁架結(jié)構(gòu)，并支承于兩側(cè)三層高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)墻體上。富有秩序的結(jié)構(gòu)桿件有效地劃分了這個(gè)巨大的無柱空間。上弦是兩根直徑為500mm的熱軋無縫鋼管，下弦是兩根直徑為75mm的全封閉鋼絞線，與兩端鉸接的直腹桿和交叉索斜腹桿共同組成了索桁架體系。比起傳統(tǒng)的張弦梁，其上弦所受的彎矩很小，從而可以采用更纖細(xì)的截面，獲得結(jié)構(gòu)的輕盈感和良好的經(jīng)濟(jì)性。
漢諾威會展中心4 號展廳獨(dú)特的懸掛鉸支座
如果纖細(xì)的屋蓋鋼結(jié)構(gòu)直接與兩側(cè)完全獨(dú)立的混凝土耳房相連，必然會導(dǎo)致屋蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)件在溫度應(yīng)力和支座變形的作用下受到很大的次應(yīng)力，甚至有可能超過其承載能力。所以設(shè)計(jì)的構(gòu)想是將其“懸浮”（結(jié)構(gòu)術(shù)語是“靜定地簡支”）在兩側(cè)耳房之上。
漢諾威會展中心4 號展廳支座方案演變過程
結(jié)構(gòu)工程師和建筑師在支座設(shè)計(jì)上進(jìn)行了深入的討論，從傳統(tǒng)的單榀簡支桁架演變到懸掛雙榀桁架，設(shè)計(jì)出了新穎的懸掛鉸支座。具體來說，就是將桁架的兩根上弦設(shè)置在混凝土墻的兩側(cè)，采用精巧的鑄鋼件通過混凝土墻體上的預(yù)留洞將其連接在一起，形成整體的桁架支座節(jié)點(diǎn)，以類似“鐘擺”的方式懸掛在墻體之上。這一巧妙的設(shè)計(jì)完全釋放了次應(yīng)力，形成了清晰的簡支體系。輕盈的屋蓋和精細(xì)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成為4號展廳中獨(dú)特的亮點(diǎn)。
2 漢諾威會展中心8/9號展廳
漢諾威會展中心8/9 號展廳外景
同樣由gmp和sbp聯(lián)手設(shè)計(jì)的漢諾威會展中心8/9號廳，在4號廳的基礎(chǔ)上，將建筑和結(jié)構(gòu)的融合又做了進(jìn)一步的提升。展廳無柱空間擴(kuò)展到了135m×235m，凈展面積超過了31 000㎡。屋頂由一個(gè)依靠拉力的鋼索結(jié)構(gòu)覆蓋，整個(gè)結(jié)構(gòu)非常輕盈，用鋼量少，工業(yè)預(yù)制化高，造價(jià)得到了有效控制，建設(shè)周期大大縮短，只用了10個(gè)月。鋼索受地心引力影響產(chǎn)生的下沉曲線形成了一個(gè)連續(xù)起伏的動感立面。屋面結(jié)構(gòu)采用空心木箱，里面包裹了通風(fēng)管道等設(shè)備管線，屋頂下方有序且干凈，更加襯托出鋼結(jié)構(gòu)自身的工業(yè)美感。
漢諾威會展中心8/9 號展廳室內(nèi)空間
作為當(dāng)時(shí)世界上最大的展廳，8/9號廳在設(shè)計(jì)和施工工藝上也幾乎達(dá)到了當(dāng)時(shí)的技術(shù)極限。五榀138m長的類似自錨式懸索橋的主桁架是整個(gè)展廳的主脊，由主纜、背索、水平連接桿及吊索組成，并支承在兩端的A形柱上。主桁架之間設(shè)置了鋼板懸?guī)菝?，和傳統(tǒng)的懸?guī)菝娌煌瑸榱吮苊饧哟笾麒旒艿呢?fù)擔(dān)，結(jié)構(gòu)工程師沒有采用加重屋面板的傳統(tǒng)做法，而是在屋面下方加設(shè)穩(wěn)定索，形成豎向剛度較高的索桁架來抵抗風(fēng)荷載產(chǎn)生的上吸力和不均勻力。設(shè)計(jì)中充分利用懸掛體系，設(shè)置了包括兩個(gè)懸挑跨在內(nèi)的六跨結(jié)構(gòu)體系，在邊跨設(shè)置水平轉(zhuǎn)換桁架和斜拉索用于錨固。
漢諾威會展中心8/9 號展廳主桁架、懸?guī)Ъ胺€(wěn)定索
漢諾威會展中心8/9 號展廳結(jié)構(gòu)體系
除了立柱和水平連接桿之外，所有的結(jié)構(gòu)桿件均為柔性索或鋼板帶，雖然這樣的新型體系大大減少了結(jié)構(gòu)用鋼量，但同時(shí)也給設(shè)計(jì)和施工帶來了巨大挑戰(zhàn)。通過精細(xì)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖芰φ倚汀⒔Y(jié)構(gòu)有限元多方位分析、嚴(yán)格而準(zhǔn)確的位型及精度控制和安裝分析，最終成就了這座大跨柔性體系展廳。
3 杜塞爾多夫會展中心6號展廳
杜塞爾多夫會展中心6 號展廳竣工前后對比
同樣聞名遐邇的德國杜塞爾多夫會展中心，在二十世紀(jì)八九十年代通過單個(gè)展廳的一步步擴(kuò)展，形成了較大的會展規(guī)模。從二十世紀(jì)九十年代后期開始，杜塞爾多夫會展公司為了進(jìn)一步穩(wěn)固自己在會展業(yè)的地位，在當(dāng)時(shí)即將設(shè)計(jì)的6號展廳中，提出了“無柱、多功能”的要求。gmp以一個(gè)正圓形的Arena概念獲得了評委會的青睞，但會展公司認(rèn)為展廳還是要考慮到展位的垂直正交布置，要求建筑師放棄原來的圓形穹頂?shù)母拍睿D(zhuǎn)為正方形或矩形平面。于是建筑師將原來直徑160m的圓形平面改為160m×160m的正方形平面。在整個(gè)24 000㎡的大空間四角都設(shè)置了結(jié)構(gòu)柱，使得主桁架的跨度減少到90m，利用主桁架外挑形成兩個(gè)不同的展廳層高，中央部分凈高為26.75m，外圍16m。同時(shí)為了滿足體育、工藝表演活動還設(shè)置了可移動看臺，能布置36排共12 000個(gè)座位。這個(gè)項(xiàng)目也形成了一個(gè)新類型的展廳，即可調(diào)自然光展廳。立面在幕墻之外設(shè)置了每組五個(gè)水平百葉，葉面長5~7.5m，寬1.2m，通過線形馬達(dá)帶動百葉轉(zhuǎn)動。這樣一來，6號廳具備了以前展廳所不具備的多功能性，不僅可以作為高效的展廳，也可以作為完整的室內(nèi)體育比賽場地和文藝表演場地，既可以自然采光，也可以變成依靠人工照明的黑盒子。
杜塞爾多夫會展中心6 號展廳內(nèi)部空間
設(shè)計(jì)中采用了巨型結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌子結(jié)構(gòu)的模數(shù)化方式。平面布置為十字形的矩形桁架支承在四個(gè)桁架核心筒上，結(jié)合中間設(shè)置的巨型下張弦體系將屋蓋體系分成了若干個(gè)最大跨度為30m的區(qū)域，而30m的跨度正好是當(dāng)時(shí)流行的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)跨度。結(jié)構(gòu)工程師巧妙地結(jié)合了使用功能，與建筑師一起創(chuàng)造出了這個(gè)看似理所當(dāng)然、實(shí)則內(nèi)有乾坤的體系。
杜塞爾多夫會展中心6 號展廳結(jié)構(gòu)體系
4 深圳會展中心
深圳會展中心鳥瞰
從二十世紀(jì)末開始，中國各個(gè)省會城市都開始了會展中心的建設(shè)。由于會展中心的超大體量，各地政府都希望將其建成地標(biāo)建筑。中國的會展建筑往往是一口氣全部建成，即使分期，第一期也必須具備一定的規(guī)模，以便“出形象”。由此，歐洲會展普遍采用的“模塊化”或“生長型”建筑對中國的借鑒意義降低了，而美國的整體式造型則受到了決策者和建筑師的青睞。各種由寓意、隱喻、象征形成的會展中心比比皆是，其中有些為了地標(biāo)造型，影響甚至犧牲了功能、結(jié)構(gòu)的合理性。
2001年的深圳會展中心國際方案競賽就是在這樣一個(gè)大背景下舉行的。用地位于城市新中心——福田中心區(qū)南北中軸線上，但狹小的用地和緊張的交通條件給建筑設(shè)計(jì)帶來了很大的困難。gmp的建筑師堅(jiān)信單層展廳最高效、最具功能性，于是建筑師將會議中心“懸浮”在展廳之上，為展廳騰出了首層的空間。同時(shí)，由于市中心的區(qū)位和周邊林立的高層建筑，會展中心的“第五立面”顯得尤為重要。建筑師希望通過有張力的鋼梁對建筑進(jìn)行有序分割，形成有韻律、有節(jié)奏的體量、立面和屋頂，同時(shí)屋頂采用金屬百葉，一方面打破“鐵皮盒子”的形象，另一方面也能為展廳引入自然光線。
深圳會展中心的大跨度屋頂
對于這樣一個(gè)城市中心地區(qū)的會展建筑，除了建筑功能與結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性方面的考量外，如何將這樣一個(gè)超大體量恰當(dāng)?shù)厝谌氤鞘锌臻g，也是需要重點(diǎn)考慮的問題。為了降低大體量對狹窄用地和周邊城市空間的壓迫感，設(shè)計(jì)采用了“雙梁+雙柱”的形式加強(qiáng)分隔的節(jié)奏感，結(jié)構(gòu)桿件也成為這個(gè)項(xiàng)目中建筑設(shè)計(jì)表達(dá)的重要元素。
深圳會展中心內(nèi)部空間
展覽廳屋蓋結(jié)構(gòu)由35榀巨型雙箱梁組成，每榀梁結(jié)構(gòu)跨度126m，一端與地面鉸接，另一端與標(biāo)高約30m處的混凝土柱牛腿鉸接。gmp和sbp共同的設(shè)計(jì)目標(biāo)是塑造一座簡樸自然而清晰的建筑，盡可能地耐久且減少后續(xù)維護(hù)。與漢諾威4號展廳的結(jié)構(gòu)理念類似，采用雙梁構(gòu)件來劃分大尺度空間，從而形成有秩序的結(jié)構(gòu)體系，采用箱型截面構(gòu)件則是為了用純粹的語言去表現(xiàn)建筑的張力，突出線條感。從設(shè)計(jì)之初就秉承一個(gè)理念：整個(gè)建筑語言是無法通過“輕巧”的桁架結(jié)構(gòu)加上外表皮來表達(dá)的，只有通過富于設(shè)計(jì)感的外露結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身來表達(dá)。超過15年時(shí)間的深圳會展中心至今依然優(yōu)雅經(jīng)典，這一設(shè)計(jì)理念也得以印證。
126m的跨度在2001年被譽(yù)為“中國第一跨度”。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了一系列措施讓這個(gè)“中國第一跨度”在確保建筑意圖的前提下得以高效實(shí)現(xiàn)。大型屋面采用下張弦體系減少鋼梁彎矩，為了獲得與鋼箱梁匹配的剛度，下弦采用了直徑最大為150mm的高強(qiáng)鋼拉桿，這一設(shè)計(jì)也間接推動了國內(nèi)自主高強(qiáng)鋼拉桿的高速發(fā)展。施工過程中采用了先滑后固的方式釋放了自重下的柱腳水平推力，減少結(jié)構(gòu)內(nèi)力。采用連續(xù)梁檁條，大幅度降低了30m跨度檁條的用鋼量。
深圳會展中心鉸接柱腳的機(jī)加工鋼管支座
深圳會展中心主體鋼結(jié)構(gòu)吊裝完成
精心設(shè)計(jì)和建造的柱腳節(jié)點(diǎn)成為了整個(gè)項(xiàng)目的亮點(diǎn)。為了保證其轉(zhuǎn)動能力和側(cè)力傳力可靠，按設(shè)計(jì)要求，柱腳鉸支座的安裝精確到間隙不能超過15mm，這意味著跨度126m、高26m、重約500t的鋼箱梁連接在鉸支座上，兩邊間隙只能放進(jìn)兩根頭發(fā)絲。這些經(jīng)驗(yàn)為后續(xù)其他項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)加工和驗(yàn)收提供了非常重要的技術(shù)支持。
5 青島紅島國際會展中心
青島紅島國際會展中心效果圖
2015年gmp中標(biāo)了青島紅島國際會展中心。當(dāng)時(shí)，國內(nèi)已建成了幾百座大大小小的會展中心。但這些會展中心大部分都是一個(gè)大體量甚至超大體量的整體造型，并且很多造型夸張。不少業(yè)內(nèi)人士開始反思中國會展的成果和未來發(fā)展，越來越多的人認(rèn)識到會展中心功能和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的重要性。在青島紅島國際會展中心的方案設(shè)計(jì)中，建筑師非常明確地提出，在展廳部分采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的單元，用盡可能經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系、立面和屋面系統(tǒng)。而在入口大廳采用“畫龍點(diǎn)睛”的手法，突出重點(diǎn)，賦予其一定的標(biāo)志性和可識別性。
設(shè)計(jì)通過高40m、跨度95m的弧形膜結(jié)構(gòu)屋面和大面積玻璃幕墻突出了入口大廳的核心地位，并清晰高效地引導(dǎo)人流。十四個(gè)展廳分東西兩翼布局，西側(cè)布置了四個(gè)單層展廳，東側(cè)布置了五組兩層共十個(gè)展廳。這十四個(gè)展廳均采用了國內(nèi)會展公司常用的每個(gè)展廳10 000㎡的標(biāo)準(zhǔn)尺寸。展廳采用“方盒子”的設(shè)計(jì)理念和經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)體系，用框架統(tǒng)一各展廳的語匯，并以清水混凝土呼應(yīng)入口大廳。從漢諾威會展中心數(shù)個(gè)展廳設(shè)計(jì)的發(fā)展中可以清晰地看到，目前的展廳設(shè)計(jì)遵從功能和商業(yè)價(jià)值至上。因此，必須嚴(yán)格符合高效嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼刮荒?shù)，符合最佳吊點(diǎn)位置和高要求的吊掛荷載。而在這樣的條件下，漢諾威8/9號展廳的結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)不再適用。青島紅島會展中心的展廳正是基于這種高效布展的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)的：單層或雙層的展廳采用了典型的方盒子形式，下層布置重展，上層布置輕展。下層采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，最大跨度為24m，梁高2.0m，樓面荷載1.5t。屋蓋體系采用最為經(jīng)濟(jì)的桁架結(jié)構(gòu)，跨度63m，桁架高度4.7m，用鋼量僅為90kg/㎡。
青島紅島國際會展中心施工現(xiàn)場
占據(jù)著整個(gè)會展中心核心位置的入口大廳采用輕盈、潔白的體塊跨越95m的無柱空間，支承在兩側(cè)的耳房上，并在大廳設(shè)置了通透的玻璃幕墻。為了避免微拱的屋面桁架將很大的水平荷載傳遞給混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)工程師沿用了深圳會展中心的先滑后固的支座施工技術(shù)，在大幅減小拱腳水平推力的同時(shí)，亦保證了在風(fēng)、雪、地震荷載作用下可以將荷載均勻地傳遞給兩側(cè)的承載結(jié)構(gòu)。
極度輕巧精細(xì)的魚腹桁架在這里被用于38m高的入口幕墻，通過施加預(yù)應(yīng)力的雙股鋼索，大大地減小了立柱的失穩(wěn)長度， 從而實(shí)現(xiàn)了240mm×360mm的立柱截面。
6 漢諾威會展中心19/20號展廳
漢諾威會展中心19/20 號展廳外景
2015年8月落成的19/20號廳則是整個(gè)漢諾威會展中心最新的展廳。從這個(gè)展廳的任務(wù)書要求可以看出德國會展業(yè)的發(fā)展近況：“多功能”和“空間”是關(guān)鍵詞。整個(gè)展廳由六個(gè)模塊并聯(lián)而成，其中五個(gè)構(gòu)成了14 000m2的展覽大廳，而這五個(gè)模塊又可以通過與展廳齊高的活動隔墻分為一個(gè)接近11 000㎡的大廳和一個(gè)3 300㎡的小廳。11 000㎡的規(guī)模是會展公司經(jīng)常用到的，而3 000㎡的展廳則多用于會議。在設(shè)計(jì)中，對自然光的利用變得慎重了，與過往大面積玻璃窗不同的是，這個(gè)展廳只通過5m×5m的入口玻璃門和運(yùn)貨出入口導(dǎo)入自然光線。同時(shí)，展位的設(shè)計(jì)發(fā)生了很大變化，運(yùn)用了更多的光電技術(shù)，空間在垂直方向
延展，對空中的掛點(diǎn)要求越來越多且掛點(diǎn)的荷載不斷增加。近年來會展業(yè)的利潤不斷下降，也導(dǎo)致展廳的設(shè)計(jì)更講究經(jīng)濟(jì)性和功能性。
漢諾威會展中心19/20 號展廳鋼結(jié)構(gòu)桁架
漢諾威會展中心19/20 號展廳室內(nèi)
在這樣的條件下，結(jié)構(gòu)工程師的工作就變得非常清晰：滿足所有的使用功能，創(chuàng)造出高效、簡潔的結(jié)構(gòu)體系以及可靠安全的節(jié)點(diǎn)，整個(gè)項(xiàng)目第一次全方位地采用BIM進(jìn)行設(shè)計(jì)，對于這樣的體系而言大大提高了各工種相互配合的效率。
7 結(jié)語
2018年11月29日，德國各大媒體紛紛報(bào)道了世界最大的信息產(chǎn)業(yè)展覽會CeBIT這一有著33年歷史的展會將從2019年起停辦。展會停辦的原因是近年來展商預(yù)訂展位面積持續(xù)萎縮和參觀人數(shù)驟減，從最早的80萬人減少到去年的12萬人。同時(shí)，德國最大的線上服裝銷售企業(yè)Zalando宣布，2019年度不再舉辦Butter and Bread展覽及文化活動。這兩個(gè)具有濃厚的德國展覽文化色彩的展會停辦，從側(cè)面反映出當(dāng)今會展業(yè)正在悄然發(fā)生著改變。
在德國會展業(yè)發(fā)生變遷的同時(shí)，亞洲的會展業(yè)則迅猛發(fā)展，新加坡、中國、印度尼西亞正在成為世界最重要的會展國家。深圳新會展中心落成在即，漢諾威作為最大會展中心的地位將被深圳所取代。而剛剛成功舉辦了中國進(jìn)口博覽會的上海國家展覽中心和即將開始動工的天津國家會展中心都正在或即將成為世界最大的會展中心之一，中國會展建筑可謂是方興未艾。而同時(shí)，由房地產(chǎn)開發(fā)企業(yè)代建的會展中心越來越多成為一種常見的模式，在新一輪會展中心的建設(shè)中，無論是決策者、使用者還是建筑師，其實(shí)都處于一個(gè)史無前例的自我心理矛盾的狀態(tài)，即如何處理好會展建筑的功能性、經(jīng)濟(jì)性和標(biāo)志性之間的關(guān)系。在這個(gè)過程中，建筑師和結(jié)構(gòu)工程師密切協(xié)作、共同創(chuàng)新是行之有效的道路。
建筑師和結(jié)構(gòu)工程師各自的知識體系都有相對局限性，建筑師作為項(xiàng)目品質(zhì)的主控方必須將兩者的優(yōu)勢有效地結(jié)合起來，所以傾聽并深刻理解對方的想法尤為重要；對于結(jié)構(gòu)工程師而言，無論采用何種體系，都是對自身能力的巨大挑戰(zhàn)。只有將建筑和結(jié)構(gòu)完美地結(jié)合，才能產(chǎn)生優(yōu)秀并經(jīng)得起時(shí)間考驗(yàn)的作品。
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