充滿科幻感的上海天文館：拉近人與宇宙距離

你有沒有聽過一個名詞，叫做“現(xiàn)代主義建筑”?它是指，建筑師要擺脫傳統(tǒng)建筑形式的束縛，大膽創(chuàng)造適應(yīng)于工業(yè)化社會的條件和要求的嶄新建筑，具有鮮明的理性主義和激進主義的色彩。

聽不懂什么意思?沒關(guān)系，下面就介紹一個這一派建筑的上乘之作：上海天文館。

(上海天文館的外形，充滿了科幻感)

上海天文館是上海市政府十三五期間建設(shè)的一座重要大型科普場館，建筑面積3.8萬平方米，將于2020年底建成，2021年擇期開放。在昨天上午的全國政協(xié)會議閉幕式報道中，它和其他四個大型設(shè)施一起，登上了央視2019年全國兩會特別報道。

上海天文館將運用多種高科技展示技術(shù)，營造高精度模擬星空和沉浸式宇宙漫游的場景，還可以通過太陽塔和天文望遠鏡實際觀測到太陽和眾多星體。建成后，將會成為上海市重要的天文科普基地。

不過，現(xiàn)代主義的建筑，還得需要先進的現(xiàn)代科技來建造。下面我們就來講講，上海天文館里的現(xiàn)代科技。

（一）上海天文館的布置中有哪些深意？

上海天文館的設(shè)計靈感來自“三體”，不過這個“三體”并不是劉慈欣小說中的三個太陽，而是我們身邊的太陽、地球和月亮。

建筑師先設(shè)置了3個圓形和球體，隨后假想一顆衛(wèi)星的運動軌跡，在球體外勾勒一條條運行軌道，形成天文館的建筑造型。

最先設(shè)置的3個圓形和球體，最終成為倒置穹頂、圓洞天窗和球幕影院，從外觀看起來，三個球體仿佛正在以一定的規(guī)律相互環(huán)繞旋轉(zhuǎn)，十分靈動。

橢圓形的建筑形態(tài)構(gòu)成天體運行軌道，與三個球體一同詮釋了天體運行的基本規(guī)律，暗示著塑造宇宙今日之面貌的“萬有引力”。

(上海天文館的概念圖)

在天文館室內(nèi)，展覽從我們熟悉的星空、日-地-月徐徐展開，帶領(lǐng)觀眾漫步太陽系，穿越銀河系。

觀眾在參觀完一層的主展區(qū)后，會沿著坡道走到屋頂?shù)牡怪民讽敚胄蔚脑O(shè)計讓人們置身“碗底”，放眼望去只能看到天空，而看不到地景。建筑師希望人們可以屏蔽掉城市，靜觀天空，思考宇宙的奧秘。

倒置穹頂?shù)淖叩朗悄媳毕蛟O(shè)置，恰好標注了上海天文館的子午線，指明了正南和正北的方向。

天文館的主入口是一個巨大的懸挑結(jié)構(gòu)，開了一個圓洞天窗。每天隨著太陽的東升西落，圓洞天窗投下的光束會緩慢移動，在地面投射的形狀也會隨之變化，等同于一個日晷。

時間刻度將繪制在地面上，成為一個“巨型時鐘”，告訴經(jīng)過的人們進館和離館的時間。

直徑為23米的球幕影院是天文館的核心，它代表著太陽系中的地球。

之所以把直徑設(shè)計成23米，是因為在天文館不遠有一個原型人工湖，名為滴水湖，直徑約為25000米。如果把滴水湖比作太陽，那么球幕影院就是等比例縮小的地球，可以讓觀眾對太陽和地球的大小關(guān)系有直觀的認識。

球幕影院周圍將使用透光材料，讓太陽光能照射到場館地下一層的公共空間，以解決地下建筑的采光問題，并且會在地面形成一個光環(huán)，這個大圓環(huán)在地面上會隨時間移動，加上標記就成為了天然時鐘，節(jié)約能源的同時也具有教育意義。

(象征太陽的滴水湖)

主建筑之外，設(shè)計師也沒有忽視在園區(qū)設(shè)計中融入天文概念。

園區(qū)設(shè)計成4條寬闊的彎曲綠帶，環(huán)繞于主建筑周圍，從建筑向外自然延伸出去，象征銀河系旋臂，通過種植不同季節(jié)盛開的花卉，凸顯季節(jié)交替現(xiàn)象，讓花園一年四季給人不同的美感。

此外，還有普及天文教育的青少年觀測基地、觀眾白天可以觀測太陽的魔力太陽塔、放置著直徑1米的天文望遠鏡的大眾天文臺，可以說，整個上海天文館建筑群，里里外外從上到下，到處都是“戲”。

（二）高大上的建筑背后有哪些技術(shù)在支撐？

上海科技館在觀眾的心中是充滿科幻感的，但在設(shè)計和建造它的工程師們心中，是這樣的：

(上海天文館結(jié)構(gòu)模型)

天文館的主體建筑結(jié)構(gòu)形式多樣，形態(tài)及內(nèi)部空間十分復雜，曲線形構(gòu)件和斜構(gòu)件眾多。

建造這座天文館涉及到了好多種建筑結(jié)構(gòu)模式，除了最基本的鋼筋混凝土框架和鋼結(jié)構(gòu)空間桁架外，還有異形墻體、混凝土殼體、單層鋼網(wǎng)殼和鋁合金結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼。

它們相互之間的連接構(gòu)造處理難度極大，其中的大懸挑鋼結(jié)構(gòu)、不規(guī)則曲面混凝土殼體和清水混凝土異形梁柱結(jié)構(gòu)也給結(jié)構(gòu)施工帶來了極大的難度。

(不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的連接)

在上海天文館的所有結(jié)構(gòu)中，難度最高的是鋼結(jié)構(gòu)球體網(wǎng)殼和曲面混凝土殼體底座兩部分組成的球幕影院。

混凝土殼體為接近半球形的混凝土薄殼，頂部通過6個牛腿支承一個直徑為29米的球體網(wǎng)殼，達到懸浮星球的建筑效果。為了減小混凝土殼體的厚度，減輕混凝土重量，在殼體外表面設(shè)置上翻加勁肋，保證殼體內(nèi)表面的光滑。

(天文館球幕影院結(jié)構(gòu)示意圖)

殼體結(jié)構(gòu)的承載能力高、剛度大、節(jié)省鋼材，因此在大跨空間結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應(yīng)用，殼體結(jié)構(gòu)可以最大限度地利用結(jié)構(gòu)的強度，用最少的材料覆蓋最大的使用面積。

球幕影院的設(shè)計十分巧妙，球體網(wǎng)殼與下部曲面混凝土殼體之間僅通過6個牛腿支座連接，通過在混凝土殼體頂部設(shè)置型鋼混凝土環(huán)梁，保證了球體網(wǎng)殼與混凝土殼體間力的傳遞。

計算結(jié)果表明，球體網(wǎng)殼與混凝土殼體的連接節(jié)點即使在1. 5倍設(shè)計荷載作用下也基本保持為彈性狀態(tài)，其連接節(jié)點的構(gòu)造是可靠的。即使在罕遇地震的作用下，球體網(wǎng)殼也處于彈性狀態(tài)，下部的混凝土殼體則發(fā)生塑性變形，吸收地震能量，進而起到抗震的作用。

(正在建造中的上海天文館)

不僅僅是球幕影院，上海天文館整體的抗震設(shè)計都十分精巧。

輕盈的殼體結(jié)構(gòu)和下部塑性的鋼筋混凝土、鋼結(jié)構(gòu)相配合，使得在小震、中震條件下構(gòu)件保持彈性，不會損壞;在大震條件下，諸多構(gòu)件也能按照工程師們預(yù)先設(shè)計好的順序依次發(fā)生屈服，且各種構(gòu)件的損壞程度均在輕微損壞到輕度損壞之間的范圍內(nèi)，滿足設(shè)定的抗震性能目標要求，確保極端條件下建筑內(nèi)人員的安全。

(球幕影院截面圖)

（三）從能源到室內(nèi)環(huán)境，處處透露著人與建筑的和諧

上海科技館不僅是一個安全的建筑，而且是一個綠色的建筑。

上海天文館的設(shè)計團隊采用BIM技術(shù)，對上海科技館內(nèi)的采光、日照、聲學、熱工、能耗等方方面面進行設(shè)計。

針對上海地區(qū)的氣候特點和國內(nèi)的經(jīng)濟技術(shù)水平，工程師們設(shè)計出了一套基于BIM的全新的綠色建筑評估體系，對建筑從能源到室內(nèi)環(huán)境的全部方面進行打分評價。

最終評估結(jié)果顯示，整個上海天文館建筑群中的建筑都達到了綠色建筑的最高等級標準，這在建筑行業(yè)內(nèi)起到了示范意義，有助于改進行業(yè)內(nèi)對綠色建筑的認識。

作為一個大型公共設(shè)施，人流量巨大，保證參觀者在場內(nèi)順暢參觀、內(nèi)部人流交通組織有序，是上海天文館項目綠色建筑設(shè)計過程中體現(xiàn)人與建筑和諧不可忽視的重要方面。若場內(nèi)空間結(jié)構(gòu)和參觀標識處理不當，就會導致上萬參觀者的活動分布不均，影響場內(nèi)交通秩序。

為了處理這個問題，工程師們利用計算機模擬技術(shù)搭建了人流模擬模型，引用1∶1比例的Rhinoceros設(shè)計模型作為分析模型。采用四面體網(wǎng)格將整個空間分成64萬份，并對內(nèi)部通道寬度進行加密，最終模擬出人群的參觀路線。

(人群計算模型)

經(jīng)過系統(tǒng)的設(shè)計，并基于此進行展廳布置，展館內(nèi)的人流呈現(xiàn)出了明顯的流線狀態(tài)，并且有了鮮明的流動方向，既不易造成參觀人流的交叉、迂回和擁堵，又具有明確的連續(xù)性以及很好的導向性。

除此之外，各展廳的靈活性和獨立性相對較高，因此可以根據(jù)具體情況自由開放或關(guān)閉。