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從二十世紀九十年代初開始，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，同時要求單個展廳面積能達到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的展廳才能同時滿足這兩個要求，但這樣的跨度又會引發(fā)建筑經(jīng)濟性的問題。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。這時，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國際建筑設計有限公司（以下簡稱gmp）和sbp結(jié)構(gòu)工程師事務所（以下簡稱sbp）聯(lián)袂中標。展廳提供了一個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備管道保護起來，同時利用雙層金屬板結(jié)構(gòu)之間的空腔進行正壓送風，使得灰塵難以進入到空腔和管道。4號廳可以舉辦多種不同類型的活動，特別是容易產(chǎn)生灰塵的馬術等。
漢諾威會展中心4號展廳秩序感極強的內(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的截面，獲得結(jié)構(gòu)的輕盈感和良好的經(jīng)濟性。
漢諾威會展中心4 號展廳獨特的懸掛鉸支座
如果纖細的屋蓋鋼結(jié)構(gòu)直接與兩側(cè)完全獨立的混凝土耳房相連，必然會導致屋蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)件在溫度應力和支座變形的作用下受到很大的次應力，甚至有可能超過其承載能力。所以設計的構(gòu)想是將其“懸浮”（結(jié)構(gòu)術語是“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計上進行了深入的討論，從傳統(tǒng)的單榀簡支桁架演變到懸掛雙榀桁架，設計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留洞將其連接在一起，形成整體的桁架支座節(jié)點，以類似“鐘擺”的方式懸掛在墻體之上。這一巧妙的設計完全釋放了次應力，形成了清晰的簡支體系。輕盈的屋蓋和精細的節(jié)點設計成為4號展廳中獨特的亮點。
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)手設計的漢諾威會展中心8/9號廳，在4號廳的基礎上，將建筑和結(jié)構(gòu)的融合又做了進一步的提升。展廳無柱空間擴展到了135m×235m，凈展面積超過了31 000㎡。屋頂由一個依靠拉力的鋼索結(jié)構(gòu)覆蓋，整個結(jié)構(gòu)非常輕盈，用鋼量少，工業(yè)預制化高，造價得到了有效控制，建設周期大大縮短，只用了10個月。鋼索受地心引力影響產(chǎn)生的下沉曲線形成了一個連續(xù)起伏的動感立面。屋面結(jié)構(gòu)采用空心木箱，里面包裹了通風管道等設備管線，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
作為當時世界上最大的展廳，8/9號廳在設計和施工工藝上也幾乎達到了當時的技術極限。五榀138m長的類似自錨式懸索橋的主桁架是整個展廳的主脊，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。主桁架之間設置了鋼板懸?guī)菝?，和傳統(tǒng)的懸?guī)菝娌煌?，為了避免加大主桁架的負擔，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穩(wěn)定索，形成豎向剛度較高的索桁架來抵抗風荷載產(chǎn)生的上吸力和不均勻力。設計中充分利用懸掛體系，設置了包括兩個懸挑跨在內(nèi)的六跨結(jié)構(gòu)體系，在邊跨設置水平轉(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，但同時也給設計和施工帶來了巨大挑戰(zhàn)。通過精細和嚴謹?shù)氖芰φ倚汀⒔Y(jié)構(gòu)有限元多方位分析、嚴格而準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，在二十世紀八九十年代通過單個展廳的一步步擴展，形成了較大的會展規(guī)模。從二十世紀九十年代后期開始，杜塞爾多夫會展公司為了進一步穩(wěn)固自己在會展業(yè)的地位，在當時即將設計的6號展廳中，提出了“無柱、多功能”的要求。gmp以一個正圓形的Arena概念獲得了評委會的青睞，但會展公司認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?，轉(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24 000㎡的大空間四角都設置了結(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不同的展廳層高，中央部分凈高為26.75m，外圍16m。同時為了滿足體育、工藝表演活動還設置了可移動看臺，能布置36排共12 000個座位。這個項目也形成了一個新類型的展廳，即可調(diào)自然光展廳。立面在幕墻之外設置了每組五個水平百葉，葉面長5~7.5m，寬1.2m，通過線形馬達帶動百葉轉(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
設計中采用了巨型結(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桁架核心筒上，結(jié)合中間設置的巨型下張弦體系將屋蓋體系分成了若干個最大跨度為30m的區(qū)域，而30m的跨度正好是當時流行的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟跨度。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)造出了這個看似理所當然、實則內(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
從二十世紀末開始，中國各個省會城市都開始了會展中心的建設。由于會展中心的超大體量，各地政府都希望將其建成地標建筑。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計帶來了很大的困難。gmp的建筑師堅信單層展廳最高效、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，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行有序分割，形成有韻律、有節(jié)奏的體量、立面和屋頂，同時屋頂采用金屬百葉，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)濟性方面的考量外，如何將這樣一個超大體量恰當?shù)厝谌氤鞘锌臻g，也是需要重點考慮的問題。為了降低大體量對狹窄用地和周邊城市空間的壓迫感，設計采用了“雙梁+雙柱”的形式加強分隔的節(jié)奏感，結(jié)構(gòu)桿件也成為這個項目中建筑設計表達的重要元素。
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，另一端與標高約30m處的混凝土柱牛腿鉸接。gmp和sbp共同的設計目標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。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。從設計之初就秉承一個理念：整個建筑語言是無法通過“輕巧”的桁架結(jié)構(gòu)加上外表皮來表達的，只有通過富于設計感的外露結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身來表達。超過15年時間的深圳會展中心至今依然優(yōu)雅經(jīng)典，這一設計理念也得以印證。
126m的跨度在2001年被譽為“中國第一跨度”。結(jié)構(gòu)設計中采用了一系列措施讓這個“中國第一跨度”在確保建筑意圖的前提下得以高效實現(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的高強鋼拉桿，這一設計也間接推動了國內(nèi)自主高強鋼拉桿的高速發(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
精心設計和建造的柱腳節(jié)點成為了整個項目的亮點。為了保證其轉(zhuǎn)動能力和側(cè)力傳力可靠，按設計要求，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，兩邊間隙只能放進兩根頭發(fā)絲。這些經(jīng)驗為后續(xù)其他項目的鋼結(jié)構(gòu)加工和驗收提供了非常重要的技術支持。
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中標了青島紅島國際會展中心。當時，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，越來越多的人認識到會展中心功能和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性的重要性。在青島紅島國際會展中心的方案設計中，建筑師非常明確地提出，在展廳部分采用標準化、模塊化的單元，用盡可能經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)體系、立面和屋面系統(tǒng)。而在入口大廳采用“畫龍點睛”的手法，突出重點，賦予其一定的標志性和可識別性。
設計通過高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，并清晰高效地引導人流。十四個展廳分東西兩翼布局，西側(cè)布置了四個單層展廳，東側(cè)布置了五組兩層共十個展廳。這十四個展廳均采用了國內(nèi)會展公司常用的每個展廳10 000㎡的標準尺寸。展廳采用“方盒子”的設計理念和經(jīng)濟的結(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入口大廳。從漢諾威會展中心數(shù)個展廳設計的發(fā)展中可以清晰地看到，目前的展廳設計遵從功能和商業(yè)價值至上。因此，必須嚴格符合高效嚴謹?shù)恼刮荒?shù)，符合最佳吊點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行設計的：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，在大幅減小拱腳水平推力的同時，亦保證了在風、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)。
極度輕巧精細的魚腹桁架在這里被用于38m高的入口幕墻，通過施加預應力的雙股鋼索，大大地減小了立柱的失穩(wěn)長度， 從而實現(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號廳則是整個漢諾威會展中心最新的展廳。從這個展廳的任務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”是關鍵詞。整個展廳由六個模塊并聯(lián)而成，其中五個構(gòu)成了14 000m2的展覽大廳，而這五個模塊又可以通過與展廳齊高的活動隔墻分為一個接近11 000㎡的大廳和一個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。在設計中，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，這個展廳只通過5m×5m的入口玻璃門和運貨出入口導入自然光線。同時，展位的設計發(fā)生了很大變化，運用了更多的光電技術，空間在垂直方向
延展，對空中的掛點要求越來越多且掛點的荷載不斷增加。近年來會展業(yè)的利潤不斷下降，也導致展廳的設計更講究經(jīng)濟性和功能性。
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，整個項目第一次全方位地采用BIM進行設計，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，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，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，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中，無論是決策者、使用者還是建筑師，其實都處于一個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)濟性和標志性之間的關系。在這個過程中，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)得起時間考驗的作品。
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