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向极而筑!“中国扇”这样建成

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空中俯瞰上海大歌剧院,“中国扇”螺旋结构富有音乐的律动美。

黄浦江岸,世博文化公园内,一把巨大的白色折扇凌空舒展。1.2万平方米的扇面向外轻轻扬起,最大悬挑32米,市民可漫步的扇面平台悬挑达15米。肉眼看上去轻薄飘逸的屋面,梁体最薄处仅725毫米。这就是刚刚投用的上海大歌剧院这座建筑的“点睛之笔”——“中国扇”。

今年6月,上海大歌剧院获得国际混凝土结构协会“杰出混凝土结构奖”,成为该奖项自1990年设立以来首个获奖的中国项目。记者日前采访华东建筑设计研究院结构总工程师、上海大歌剧院结构专业负责人包联进,试图为下面这个问题解开“谜底”:当建筑的极致美学与结构的物理极限正面较量,工程师究竟靠什么让“不可能”在黄浦江边站稳?


第一道难题:

美的代价

“汪大绥大师跟我说,专家选出的这个扇子方案很美,是建筑的点睛之笔,但实现起来,结构难度非常大。”包联进回忆起刚听闻上海大歌剧院建筑方案时的心情,“我既兴奋,又深感压力。因为这把扇子,太有技术挑战了。”

挑战藏在数字里:上人区域悬挑15米,梁高被严格限制在725毫米以内,跨高比达到21∶1。“常规悬挑结构跨高比一般只有4∶1到6∶1,而21∶1相当于我们要用很薄的梁,托住伸出去很远的一大片屋面。”包联进说。

美学在这里不是修辞,而是实打实的约束条件。建筑师对扇子形态的控制极为严苛,结构高度不得越界分毫。这意味着,工程师不能靠“加粗加厚”来寻求安全,只能在材料的极限性能里找答案。

第二条路:

为什么常规方案全部出局

团队最先摆上桌面的是成熟的钢结构方案。理论上可以做出大悬挑,但几番推演后,缺点格外突出。

“钢结构强度有余,但刚度跟不上,人走上去容易晃。”包联进解释,“而且钢梁会凸出来,破坏扇子干净简洁的吊顶效果。扇面又是露天环境,钢结构容易腐蚀,每隔8至10年就要大修维护,剧院要正常演出,频繁维修根本不现实。”

普通混凝土同样行不通:强度不够,施加预应力又存在被压溃风险。

几条常规路全都有硬伤。

一个看似材料选择的决定,背后其实是一场关于工程价值观的取舍——是选一条风险低、经验足的老路,还是走一条国内房屋建筑尚无先例的新路?

团队把目光投向超高性能混凝土(UHPC)。“抗压强度达到165兆帕,约是普通混凝土的5倍,和普通碳素钢Q235不相上下,大家叫它‘类金属材料’。”包联进说,它既有足够的强度,韧性和抗腐蚀能力也十分出众,“几乎就是为这把‘中国扇’量身定做的材料”。

但量身定做的另一面,是无人走过的风险。

第三重验证:

把风险消灭在建造之前

再精密的电脑模拟,终究代替不了真实构件的考验。2022年春节前夕,同济大学嘉定校区实验室里,一场足尺破坏性试验连夜展开。两根15.5米长的UHPC悬挑梁,被不断加压,直至压溃。

“那是冬天的寒夜,整个实验室气氛都绷得很紧。”包联进回忆,“设计阶段,我们对几十个模型进行了几百次计算机仿真推演,但新材料、新工艺充满未知与风险,没有类似工程经验可循,心里还是没底。”

当试验荷载加到设计荷载的1.7倍时,试验梁完成加载后稳稳回弹至初始形态,实测数据与理论计算结果完全吻合。“一年多来积压在心头的忐忑与焦灼,瞬间灰飞烟灭。”他说。

这场普通人看不到的试验,意义恰恰最贴近普通人。“我们在实验室里把构件推倒破坏,就是要把风险消除在建造之前。市民以后走到扇子上面打卡游玩,脚下每一寸平台的安全,都经过实打实的检验。”

最后一道关:

在安全之上,还有舒适度

大悬挑建筑的安全分两层:结构要足够结实;人站在上面,不能晃得心慌。

即便UHPC加缓凝结预应力在理论计算上已满足国家规范对舒适度的要求,设计团队仍不愿止步。他们在多根大悬挑梁侧面共安装45个调谐质量阻尼器,加装后扇面实测峰值加速度从23.05厘米/平方秒降到10.9厘米/平方秒,振动降幅接近53%。

“很多人知道上海中心大厦顶部装有上千吨的巨型阻尼器,抵御台风带来大楼的左右晃动。我们这批阻尼器原理相通,只不过专门对付人群行走带来的上下竖向振动。”包联进打了个比方。

预应力张拉完成后,包联进带着团队直接踩上还未完工的悬挑梁实地感受。“当时踩上去,刚度已经很好,几乎感觉不到晃动。”但他强调,大歌剧院屋面是完全对外开放的公共空间,未来会有大批市民同时登临,“不能只满足最低规范底线,我们主动把舒适度标准再往上提了一档”。

领奖台之外:

反复求证的匠心

今年6月,葡萄牙里斯本,包联进带领团队站上国际混凝土结构协会领奖台。

“自豪感是双重的。一方面,中国的工程技术得到国际同行实打实认可;另一方面,特别感谢7年来并肩作战的全体团队,无数个不眠之夜,才有了黄浦江畔这把展开的折扇。”项目核心材料、设计、施工以国内团队为主完成,国产UHPC多项性能已超越国外同类产品。在包联进看来,这份奖项代表我国在UHPC建筑结构领域,正在从过去的跟跑转向领跑。

但这座建筑真正的价值,或许不在奖杯上。“我自己前后几十次走上这个扇面。越来越觉得,上海大歌剧院是一座很特别的公共建筑,老百姓对它有很强的参与感和归属感。”顺着螺旋台阶缓缓向上,黄浦江的宽阔、世博文化公园的清韵与陆家嘴天际线的壮美轮廓一步步铺展开来。“希望大家来到这里,除了拍照打卡之外,也能好好感受这份城市风景。硬核的工程创新,最终就是为了让所有人都能拥有这样一段美好的城市漫步体验。”

在浦西,他参与建设的上海大剧院如水晶宫殿般静静矗立;在浦东,全新的“中国扇”迎风舒展。两代文化地标隔江相望,连接它们的,正是一代代工程师在“美”与“安全”、“常规”与“突破”之间反复求证的匠心。

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