2010上海世博会俄联邦国家馆(图1)中心主体与周边异型折面体塔设计

2010上海世博会俄联邦国家馆(图1)中心主体与周边异型折面体塔设计

2010年上海世博会俄罗斯联邦国家馆：。2010上海世博会俄联邦国家馆建筑(图1)分为两大部分——中心主体建筑与周边12个异型折面体塔楼。中心主体建筑为长50m、宽50m、高20m的立方体型,外立面覆以鳞片状的可动金属表皮,设计师希望通过这些可动的鳞片状金属表皮来体现俄罗斯人民的个性与自由。在中心主体建筑周边相连着12个异型折面体塔楼,塔楼由白、金、红三种颜色构成,底部白色塔楼主体,上部的透空纹理、红色底色形成富有俄罗斯各民族元素的图案,顶部金色金属网架体系。整体外形设计类似古代斯拉夫人的小村落,象征着生命之花、太阳以及世界树(斯拉夫人枝叶繁茂的橡树)的根。在建筑内部的平面布局设计上,中心立方体为主要展览空间,共分为二层。十二个塔楼则赋予入口、小展厅、办公室、休息间、餐厅、礼品店、卫生间、设备间等功能。1俄联邦国家馆可动表皮的创意实现2010上海世博会俄联邦国家馆(图1)是经过俄罗斯国内的设计竞赛选拔而确定的一个充满创意和梦幻色彩的设计方案,然而在项目的实施过程中,设计的创意受到了预算造价、施工工期、国内材料工艺、世博局的特殊要求等限制,使得项目的实施需要在很多方面进行深入研究。作为项目总承包公司委托的设计顾问单位的一员,笔者参与了同俄罗斯三方业主技术对接的主要过程,并对设计中的一些技术细节的实现进行深入探索。本文通过对展馆中可动表皮部分的建构设计进行回顾,从中或可以对复杂设计项目的创意实现过程带来一点启俄联邦国家馆的设计在经过投标确定设计方案之后曾经进行过两次大的修改,最终以第三稿为最终稿进行了初步设计及施工图设计。在施工图设计结束甚至已经完成桩基工程之后,又进行了一次较大的修改,从整个过程可以看出俄联邦对于该项目的重视。方案创作总设计师V.O.PREOBRAZHENSKAYA认为这个方案表达了俄罗斯的历史、地理以及自由的人民。尤其是本文所述的可动金属鳞片建筑表皮成为一种隐喻的工具,通过其镜面材质反射出隐喻俄罗斯历史的12个塔楼的民族图案,同时鳞片在建筑换气微风的吹动下随机地翻转摆动,隐喻着俄罗斯人民在历史的内涵中充满着自由活跃的精神。2十七日钢索与私家车的连接方式在设计方案的交底沟通中,俄方案设计师提出了较为概念的设想,要求可动鳞片的形状为带锯齿状菱形,外围尺寸为800mmX300mm(图2),上下层之间搭接10mm(图3),鳞片利用室内换气排出的微风作用进行自由翻转。关于可动鳞片更多的技术细节以及可以借鉴的来源均没有更详细的介绍,需要中方设计单位对方案设想进行深化设计。可动鳞片建筑表皮并非我们日常的工程项目所遇到的,似乎不知该由哪个专业来负责完成这个部分的设计。于是由建筑设计顾问单位牵头开始了多种探索和尝试。基本设想——平衡及限位。鳞片要动起来首先需要一个轴心,这样才能把鳞片固定在其位置上并沿着轴心进行转动。转动轴位于鳞片的重心稍微偏上的位置,使得鳞片可以在静力的状态下保持同样的角度,而在稍微的外力或微风下可以产生转动动作。同时,为了防止被大风卷起产生剧烈碰撞或翻起后无法落下,需要限制鳞片的运动幅度。在这些想法的基础上,产生了第一个设计方案——两根钢索,一根作为转动轴,另一根作为限位轴。两根钢索还可以起到在特殊情况下的双保险,万一某一根钢索断裂还有另一根可以连接,避免造成鳞片滑落伤人。其中在两根钢索的共同作用下金属鳞片可以转动——限位——回位的往复运动(图4)。进一步设想——增加刚度并节省材料本设想中鳞片采用金属板剪裁、折边、打孔后成型,这样既可以保持其刚度又可以减少由于连接构建而增加的整体重量,又可以通过金属单板的折边增加其刚度,同时在板材表面也看不到铆钉或焊接点。图示为材料的展开图(图5)。通过与材料厂商交流得到很多有益提示,特别是关于加工中应该尽量考虑减少边角废料的要求。尤其是对于总数多达近两万片的鳞片总数,剪裁制作的经济性就显得更加重要。图示充分考虑了在整张金属板的模数范围内尽量节省用料。转动轴的钢索与鳞片的连接处增加了轴承,可以最大地减少钢索与金属板的摩擦力。另外,此方案的限位孔改为弧形限位槽,这样可以减少由于钢索绷紧的应力对于鳞片运动幅度的约束力(图6)。第三步设想——减轻重量及弹性回位由于鳞片尺寸较大,所以质量也较大,尽管在转动重心时达到了平衡,但是使其依靠微风的吹拂运动起来就有较大难度。这个道理就如同推动停在平地上松开刹车的一部汽车,由于其质量很大,使其运动起来的力量就需要很大一样。于是又有一种新的思路,使用更加轻薄的材料。由于铝板的材料不可能做到很薄,于是选择了表面做氟碳烤漆的镀锌铁皮代替。但是由于镀锌铁皮的自身刚度远远不够,需要将边缘弯折重叠(图7)。另外,由于需要使鳞片动起来的初始风力较大,我们能否选择一种类似于弹簧的连接形式,使得一个个鳞片在弹簧的连接下处于平衡状态,当外力作用的时候可以产生“运动——回位——反向运动——回位”的往复运动。弹簧与鳞片的连接方式也可以利用镀锌铁皮折叠的部分把弹簧的钢丝包裹并压紧,这样同时也可以提高镀锌铁皮鳞片的刚度(图8)。第四步设想——吹动鳞片翻转的风力原本方案设计师是希望运用室内空调换气排出的风力作为金属鳞片的翻转动力,但是由于空调设计师所设计的空调排出的空气通过门缝等处流出,并没有专用的排风通道,所以鳞片翻转的动力需要重新考虑。设计中必须采用鼓风机械设备,设备必须考虑到对鳞片的吹风要均匀,否则容易导致外观上只有局部的鳞片在动作,所以鼓风机械一定要具备自动转向的能力,类似于传统的摇头电风扇。如果一个鼓风机械能够提供20个鳞片的动力,那么也需要1000个鼓风设备。这么多的风扇在上海炎热的夏季接近40摄氏度的高温下故障的概率也是很高的,这就要求风扇要保持工作和休息的交替状态,设计中拟采用两组机械,经过电控可以分别处于工作和休息状态,使得其在使用状态也可以进行检修和维护。鳞片翻转的动作看似简单随机,事实上由于跨越了多专业的界限,成为一个综合性的制造和建构装置,需要至少包括建筑设计师、幕墙设计师、空调设计师、机械工程师及强弱电工程师的多专业协作方能实现。3所面临的挑战在以上对于可动金属鳞片建筑表皮设计探索的过程中,经过了计算机设计图纸的绘制、计算机模拟建模分析(图9)、1:2卡纸模型制作分析(图10)之后,最终由幕墙厂家制作了多种1:1的实物模型,并通过在实地的室外气候下的检测,获得了直观的效果和反馈。最终将动感金属鳞片的构造方式的技术咨询成果提交了专业厂家,作为幕墙生产厂家加工制作的依据。(图11)通过可动金属鳞片的建构设想及实验,可以看出一个设计构思从创意到实现的建构过程是要考虑诸多现实因素的。首先是造价问题,任何项目都是有预算的,尤其对于这个只保留6个月时间的临时展馆来说,总包方在签订承包总价后方才确定方案设计,这就使得可动金属鳞片从选材及建构方式均要考虑工程造价一定要在总包的价格范围内。其次是工期,假如不考虑设计、加工、安装工期,可动金属鳞片完全可以像制造机械装备一样进行充分的选择和实验,但是在仅有不足5个月的时间内要完成设计加建造的全部过程,自然就要不得不考虑加工的速度和拆装的便利性。第三,节点的安全性,世博会是一个世界的盛会,届时将有大量人员聚集于此,构件的跌落伤人、火灾蔓延等灾难将造成十分严重的后果和特别消极的国际影响。因此世博管理局对于建筑防火材料做了更加严格的要求,要求凡是选用新型材料必须先要进行消防方面的验收和检测方能使用,也使得本文所述的可动金属鳞片的选材排除了注塑成型的新型材料等更多选择。第四,展览时间的特殊性,世博会建筑不同于其他项目设计的气候要求,作为临时展馆半年后将被拆除,因此只需要考虑夏季的炎热,不需要考虑冬季的严寒,更无须关注可动金属鳞片的耐久使用性。总之,由于可动金属鳞片作为