揭秘国家大剧院的七大建筑难题和高性能材料

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国家大剧院在建筑方面的确体现了国际一流的水准，开创了国内建筑的先河，进行了许多大胆的尝试，如采用钛金属板这种主要用于制造飞机等航空器的金属材料作为建筑屋面材料，大胆的椭圆形外观和四周的水面构成了一个水上明珠的建筑造型，新颖、前卫，构思独特，整体上体现了21世纪世界标志性建筑的特点，堪称传统与现代、浪漫与现实的完美结合。
国家大剧院
根据法国著名建筑师保罗·安德鲁的构想，国家大剧院建成后的景观如下：巨大的绿色公园内，一泓碧水环绕着椭圆形的银色大剧院，钛金属板和玻璃制成的外壳与昼夜的光芒交相辉映，色调变幻莫测。剧院的四周是部分透明的金色网状玻璃墙，顶上是从建筑内部能够看到的天空。有人将建成后大剧院的外形形容为“一滴晶莹的水珠”。
然而，要把法国建筑师的作品从图纸变成现实，却并不那么容易。建筑屋面呈半椭圆形，整个建筑漂浮于人造水面之上，行人需从一条80米长的水下通道进入演出大厅。具有柔和的色调和光泽的最大跨度达212米的钛金属覆盖只有0.44毫米厚！可见其技术难度有多大。
面对一系列的技术难题，施工者是怎样解决的呢？大剧院业委会党委书记王争鸣介绍说，就现在的建筑水平来说，许多技术难题并不是没有方案解决，难就难在尽可能少花钱，找到最优解决方案。
难题一：超深基础施工
大剧院地基最深处达32.5米，是目前全国公共建筑中基础最深的，对防水、抗浮及支撑防护提出很高的要求。

在地基施工时为避免不断渗出的地下水影响施工，需要进行“降水”，即不停地将地下水抽走。这样一来，一个问题随之发生：不断抽取地下水，将在大剧院一带的地下形成一个“地下水漏斗”，并以其为圆心和顶点向四周扩散，由于缺少地下水的“支撑”，干燥的土壤势必会被压缩，发生沉降，并导致地基下陷。由于人民大会堂与大剧院近在咫尺，其地基将可能发生沉降，甚至还可能导致人民大会堂地面建筑出现裂缝。而这是绝对不允许的。
施工人员的解决方案是打造了一道达60米深的“地下连续墙”，即用混凝土从最高地下水位直到地下60米岩石层处，砌了一道密封的地下隔水墙，将地基围得严严实实，像一个巨大的“水桶”，水泵就在“水桶”里面抽水。这样，无论地基里怎么抽水，隔水墙外地下水也不会受施工影响，人民大会堂地基土壤层的地下水也就不会受到丝毫影响，难题迎刃而解。
难题二：钢网架结构施工
钢网架结构大剧院的屋顶是个椭圆大穹体，其内部骨架由钢结构焊接而成，东西轴跨度212米、南北轴跨度144米，周长达6000多米，可以将北京工人体育场整个罩住，重达6750吨，是国内建筑之最。这样一个钢网架结构的施工难度极大，对其不变形、稳定性、抗风载、抗荷载、抗震等各方面都提出了很高的要求。由于在国内从未有过这样巨型的钢网架结构施工的经验，有些问题只能在摸索中解决。
难题三：屋面的安装
大剧院的屋面有36000平方米，主要由钛金属板和玻璃板拼装而成。钛金属强度大，耐腐蚀，且色泽好，是一种主要用于制造飞机等航空器的金属材料。屋面将由10000多块约２平方米大小的钛板拼装而成。由于安装角度总在变化，每一块钛板都是一个双曲面，面积、尺寸、曲率都不同。钛金属板的厚度只有0.44毫米，既轻且薄，如同一张薄薄的纸，因此下面必须有一个由复合材料制成的衬层，每一块衬层也将切割成与上面的钛金属板同样大小，因此这个工作量和工作难度都极大。
目前，在国际上还没有这么大面积在建筑屋面使用钛金属板的。日本的建筑使用钛板的较多，这一次大剧院将委托日本的一家厂商来制作钛金属板。
难题四：快速安全撤离
国家大剧院三个剧场总共能容纳5500人左右，加上演职人员最多时达7000人，由于国家大剧院独特的设计，剧院四周被一个巨型露天水池所围，因此一旦发生火灾等突发事件，如何迅速将7000名观众从这个四周被水包围的“蛋壳”里安全撤离，在设计之初，就是设计师们需要解决的棘手难题。
实际上，国家大剧院的消防疏散通道最终是按1.5万人能迅速撤离的标准设计的。其中，在地下3米和7米处，各有观众疏散通道8到9处，它们从巨型水池底下穿过，直通外部广场。观众通过这些通道，能够在4分钟之内全部安全疏散，这比消防条例中规范的6分钟的时间还要短。
此外，在剧院与露天水池之间设计有一条宽达8米的环形消防通道，相当宽敞，可容纳两辆消防车并排通行，同时还留有两米宽的人行通道，消防队员可通过消防通道及时到达着火点，这样消防人员与被疏散人员可以各走各的路，互不干扰。
难题五：四季“春水荡漾”
建成后的国家大剧院，四周是碧波荡漾的水池，柔和的具有金属光泽的壳体在夜晚将被灯光映衬，与波光粼粼的水面交相辉映，景色壮观而富有想象力。但如果冬天水要结冰，光秃秃的冰面多少有点煞风景。夏天，水藻疯长，一池清水很容易变成一窝“绿汤”，因此如何让水池里的水“冬天不结冰，夏天不长藻”，控制水池水温，成了解决这个问题的关键。
中央液态冷热源环境系统，很好地解决了大剧院控制水景相对温度的难题。就是利用地下水的温差来进行热交换，可以始终将露天巨型水池的水温控制在零度以上几度左右，既环保，耗能又少，水池“冬天水不冻，夏天不长藻”的目标将基本实现。
难题六：屋面壳顶的清洗
钛金属屋面壳顶的清洗是件麻烦事，有人提出，如果使用人工清洁的方式，会显得笨拙而不美观，应采用先进技术来解决。
目前，工程人员正倾向于选择一种高科技的纳米涂料，涂上这种涂料后，附着物将不会沾到物体的表面，只要用水一冲，所有污垢将全部被冲刷干净。
但由于这是一项新技术，还没有类似的工程实例可以参考，工程人员正在对这种纳米涂料进行试验室强化试验，是否采用还要等试验结果出来以后才能下定论。
难题七：密闭空间的空调
今年的ＳＡＲＳ疫情对国家大剧院这样的密闭空间的空调安装敲响了警钟。
国家大剧院是一个封闭建筑，没有对外窗户，在这样的密闭空间，室内空气要完全依靠中央空调来调节，因此对空调的健康功能就提出了一定要求。在ＳＡＲＳ之后，大剧院的工程人员对空调的安装、回风系统、新风机组的标准等提高了标准，进一步完善，以确保中央空调符合健康标准。
设计：新颖前卫
国家大剧院作为我国最高艺术表演中心，具有世界一流水平的大型艺术殿堂，其建设对我国的各类艺术场馆具有一定的示范效应和品牌效应。这种效应并不仅仅体现一种设计上的标新立异，或其建筑的规模和气势，更重要的是为大众提供一种艺术享受，某种意义上应更多地体现人性化设计的一面。
国家大剧院在建筑方面的确体现了国际一流的水准，开创了国内建筑的先河，进行了许多大胆的尝试，如采用钛金属板这种主要用于制造飞机等航空器的金属材料作为建筑屋面材料，大胆的椭圆形外观和四周的水面构成了一个水上明珠的建筑造型，新颖、前卫，构思独特，整体上体现了21世纪世界标志性建筑的特点，堪称传统与现代、浪漫与现实的完美结合。
而真正令国家大剧院能够对国内艺术场馆起到示范效应和品牌效应的，则是其许多细微之处的人性化设计。作为国际一流的艺术殿堂，国家大剧院内三个剧场的内部装饰和舞台机械、灯光音响方面将采用世界一流水准的专业设备，如可进行平面360度旋转和升降的舞台等，这将使观众从中得到前所未有的、与世界同步的、真正一流的艺术享受。
另外，国家大剧院还将按照国际惯例，本着不拒绝低收入艺术爱好者的思想，首次在几个剧场中设有少量站席，以相对较低的价格售出站席门票，这样就使那些热爱表演艺术但收入相对较低的人也不会被拒之门外，可以花较少的钱进入大剧院来欣赏艺术。
国家大剧院本着以人为本的思想，不但具有一定的艺术水准和艺术品位，而且将通过提供人性化的服务，使所有来到大剧院的人能够真正地得到艺术享受。
运作：悬而未决
大剧院早已完成了土建部分的封顶，并正在进行屋顶“大蛋壳”钢架结构的吊装，其落成指日可待，但落成后大剧院如何运作和管理却至今仍悬而未决。
据王争鸣介绍，现在的工程业主委员会将随着大剧院的落成而转变为管理委员会，现有的一些管理人员将根据职能的变化而转变为管理委员会的管理人员。同时，现在业委会也在为今后的管理运作而开始陆陆续续地进行人员输入和人员培训。但今后究竟以什么样的体制来运作管理，目前国家还没有定论。
现任大剧院业委会艺术委员会主任的吴祖强曾在不同场合多次呼吁，并在今年两会期间提交提案。“计划中的国家大剧院是一项规模巨大，具有当代国际先进水平的文化设施，如果运作管理得当，将为全国文艺界，尤其是表演艺术提供高水准展示的重要场地，既对首都北京，也对全国，甚至在国际上也会产生极大影响。”
吴祖强先生认为现在最急迫的问题是尽快确定大剧院的体制和主管部门。“鉴于今后的管理和运营会比硬件建设更加复杂，剧院管理体制及主管部门若再不抓紧确定，则许多必要工作就将延误，将无法与工程计划密切配合衔接”。
距大剧院竣工后正式运营只有一年多的时间了，大家都期待剧院的合理有效运作能有一个好的开始，要启动这么一个迄今为止在中国规模最大的剧院，运作体制的确立已经是迫在眉睫了。
我国国家大剧院的构造？应用哪些先进技术？
国家大剧院工程总建筑面积194000平方米，主体结构为框架剪力墙，结构为不规则图形，仅弧形墙面占了总墙体的80％以上，而且曲率变化极不规则，测量放线、绑扎钢筋、支立模板、浇筑混凝土难度极大。
主要先进技术：
1、水池防水：相当于4个足球场大小的水面，不仅要冬天不结冰，夏天不浑浊，而且在长期运行中不能允许有点滴渗漏；水与各种材料接触，也不能引发建筑结构的变形，特别是温度变化、涉及结构安全等问题是该工程建设中的技术难点。采用的高性能喷涂聚脲弹性体新型防水材料，成功解决了国家大剧院建设中的这一难题。该材料具有超强的防水、防腐、接缝、密封、绝缘、抗辐射等功能，无溶剂、无污染。
2、大剧院水面冬不结冰：恒有源公司自主研发的“中央液态冷热源环境系统”，运用到国家大剧院景观水池调温，采用可再生的浅层的低温热能达到水面不冻的效果，创造了水池面积最大、蓄水量最多，环保要求最严，消耗能源最少，能量利用率最高等等很多第一。最终的效果将达到35000多平方米的露天水面，冬季全景不结冰。
3、超大超厚玻璃幕墙：在剧院大厅，通过一块6000平方米的大玻璃幕墙，这块幕墙形状像透明的水滴，厚度是普通家用玻璃的6倍，有60公分，但透过幕墙，您仍然可以尽情欣赏外面热闹的长安街景。幕墙采用最先进的钢化和加胶技术处理，抗震强，安全性大。
4、巨型壳体屋面：大剧院3万8千平方米的壳体屋面，由两万多块耐腐蚀的钛金属板和1200多块大小不等的有色玻璃组成。从外面看，大剧院银光闪闪，你一定担心如果下雨或它的清洁问题，其实，全部的屋面已经使用了先进的纳迷材料自洁系统，这些特殊的纳迷材料涂在壳体外面，就象荷叶一样，保证了表面不吸附水珠、灰尘、烟尘。
高性能喷涂聚脲弹性体新型防水材料
一种与通常所制备的喷涂聚脲防水材料相比，具有更高的拉伸强度、断裂延伸率和撕裂强度等物理性能，不但适用于一般建筑工程、基础设施等防水工程，而且特别适用于大型基础设施建设特别是如高速铁路、地铁、隧道、水利工程等高难度防水工程。
钛及钛合金在建筑上的使用优势
传统的金属建材，尤其是屋顶材料的发展是依铜、表面处理过的钢板、铝、不锈钢和彩钢板的顺序发展的。随着时代的前进，人们对城市建筑物的要求，尤其对建筑物的美观性要求越来越高；伴随建筑工业的发展，近年来建筑师追求使用比传统材料更高级的建筑材料。作为新兴的建筑材料，钛及钛合金主要有以下优点。
（1）能满足建材轻量化的要求钛的密度小，约为钢的60%，铜的50%，但具有和普通钢几乎相同的强度，作为建筑可以减重70%～ 75%，容易吊装，并可使建筑物的重心下移，提高建筑物的整体抗震能力。
（2）加工性、焊接性能好钛及钛合金冷、热加工性能好，能够采用通用的焊接工艺进行组件之间的连接，而且钛材表面可自我恢复的氧化膜可以防止焊接受到破坏。此外，根据客户的需要还可以采用多种二次加工技术和手段对钛材的表面进行加工，诸如蚀刻、压花、旋压、喷砂、喷丸、电镀和打孔等。
（3）抗蚀性能好钛在空气中很快在其表面原位生成一层坚固的氧化物薄膜，而不需要镀一层防腐膜，使其在氧化性酸、碱、盐介质，特别是在湿氯气和海水中，具有优异的抗腐蚀性能，能抵御城市污染、工业辐射和极端的侵蚀，非常适合于建筑物的屋顶和墙面。
（4）热膨胀系数低与其它金属建筑材料相比，钛的热胀系数小，约为不锈钢的50%，铝的30%，与玻璃、砖块、水泥和石头的接近，适于其共用。钛的热应力非常低，是不锈钢的1 /2，铝的1 /3，可作为整体材料使用，不需要接缝来补尝热胀冷缩。
（5）无环境污染由于钛耐蚀性好，钛及钛合金材料可以100%回收，不会污染环境，可称得上绿色环保材料。
（6）使用寿命长钛用作建筑材料、装饰材料，能抗百年腐蚀而不用维护和修理。从这一角度讲明显优于其它金属。这种优点在高度腐蚀环境（如海上建筑、滨海城市和工业区）尤为突出。考虑到钛的寿命周期长，它的长期成本性能超过不锈钢等材料。
（7）独特的抑菌抗菌、防霉、防污、防露、防雾功能钛合金板材与空气接触后迅速在其表面生成二氧化钛薄层，由于TiO2膜的超亲水性效应，赋予钛合金板具有防污、防雾、防露等作用，同时通过光催化作用使得该膜层具有抗菌抑菌功能。
（8）外观漂亮，易搭配作为一种建筑材料，钛本身具有闪亮的银白色光泽。为了达到更加漂亮的装饰效果，还可通过刻蚀、阳极氧化处理获得不同的图案和色彩，并可根据需要，把屋顶做成各种形状，再加上彩色的色彩，会使整个建筑物成为一个完美的艺术品。