建筑结构赏析——悉尼歌剧院

悉尼歌剧院——拱结构的完美之作摘要：从建设澳洲悉尼歌剧院的背景出发，绍了设计师情况、建造过程，并分析了歌剧院的建筑结构，以及整体结构特点，总结归纳了对悉尼歌剧院的认识。关键词：悉尼歌剧院；拱结构；拱肋结构悉尼歌剧院（SydneyOperaHouse），位于澳大利亚新南威尔士州的首府悉尼市贝尼朗岬角。这座综合性的艺术中心，在现代建筑史上被认为是巨型雕塑式的典型作品，也是澳大利亚的象征性标志。悉尼歌剧院于1973年正式落成，在2007年6月28日被联合国教科文组织列入《世界文化遗产名录》。1悉尼歌剧院建造背景1.2建设歌剧院的起因上世纪1950年代，澳大利亚悉尼交响乐团的常任指挥和乐团总监——尤金•古森斯(EugeneGoossens)，他注意到悉尼这座迅速繁荣和发展的城市缺少演出高雅音乐的场所，因而提议在悉尼建造一个专供交响乐团使用的音乐厅。而工党的领袖、当时的首相J.卡希尔（J.Cahill）想藉此机会改变工党的面貌，借助一座漂亮的音乐中心使悉尼超过它的对手墨尔本。最后两人达成一致。1954年9月，卡西尔总理召集会议任命了一个委员会来帮助政府建立一个歌剧院,并最终选定在悉尼市的贝尼郎岬岛角(BennelongPoint)作为歌剧院建设用地。1.2悉尼歌剧院项目概况悉尼歌剧院于1959年3月在澳大利亚新南威尔士州首府悉尼市贝尼郎岬岛角破土动工，歌剧院三面环水，其西边是HarbourBridge，南边是市植物园与政府大厦。整个建筑花费1.2亿美元与14年的时间，于1973年10月落成。剧院占地1.84公顷，总建筑面积88258平方米，坐落在距海平面19米高的花岗岩台阶上，长183米，宽118米，高67米。建筑造型犹如一组扬帆出海的船队，也像一枚枚屹立在海难上的洁白大贝壳，为悉尼的标志。2建筑设计师情况乔恩•伍重(JornUtzon)1918年生于丹麦，他的父亲是一个拥有造船厂的很有才华的船舶建筑（navalarchitect）。家里的很多成员都是优秀的水手，小时候，他曾经渴望成为一个水手。18岁上中学时，他开始在父亲的造船厂帮忙，画些图纸和制作模型，朝着船舶建筑师方向训练。但是那年暑假，他在祖父母家里遇到了两个艺术家，建议他去学艺术，而且他的堂叔父还是皇家艺术学院的雕塑家和教授，于是他喜欢上了雕塑，但是最终他还是选择了建筑专业，在哥本哈根的皇家艺术学院上学，不久便显示出他在建筑设计方面的天赋。1942年他从艺术学院毕业，这时第二次世界大战也开始了，和很多的建筑师一样，他流亡到中立国瑞典，在斯德哥尔摩的一个事务所里工作。二战后他去了芬兰，在阿尔瓦•阿尔托那里工作。他从上学时就很崇拜阿斯普朗德（GunnarAsplund）和赖特（FrankLloydWright），受到他们的巨大影响。接下来的十年里，伍重开始周游世界，曾去过摩洛哥、墨西哥、美国、中国、日本、印度、澳大利亚等地，访问过梁思成先生。这个经历成为他一生的创作源泉。回到哥本哈根后，1950年他成立了自己的事务所。1955年9月澳大利亚新南威尔士州政府宣布在全世界范围内举行设计竞赛，征集歌剧院的方案，当年38岁的丹麦年轻建筑师乔恩•伍重参加了竞赛，在全世界233份建筑设计方案中，他做的壳形方案被当时的评审委员会成员艾罗•萨里南(EeroSaarinen)所欣赏并采用。然而，工程受到了来自各个方面的阻挠。有一大批人反对这一激进的设计观念，而伍重则成了政治性权力游戏的牺牲品。尽管伍重最初的设计创意大部分都是通过模型展示出来的，仍有人抱怨说，设计与图纸有出入。最终，这位建筑师在1966年离开了悉尼，一去不返。伍重在1992年接受采访时坦言，他并没有放弃，而是迫于政治性的明争暗斗，以及取消了同他签订的合同，从工程中退出的。未完成的内部设计工作被转给了其他人。如今，自1973年建成以来,悉尼歌剧院已成了世界上最火爆的艺术表演中心，被公认为是20世纪最伟大建筑之一，而他的设计师——丹麦建筑师乔恩•伍重，戴上了2003年度普利兹克建筑奖的桂冠，跻身于古往今来最伟大的天才之列。2008年11月29日，伟大的丹麦建筑师乔恩•伍重（JornUtzon）安然地在睡眠中辞世，享年90岁。3悉尼歌剧院结构体系分析3.1悉尼歌剧院的平面布置歌剧院有一个音乐厅(2700座)，一个歌剧院(1550座)，一个话剧院(550座)，一个兼放电影用的室内小剧场，一个大展览厅,以及录音兼排练室、餐厅及各种辅助用房(图1)。图1悉尼歌剧院的各层平面布置图3.2歌剧院结构类型3.2.1结构方案伍重与阿鲁普决定采用预制混凝土拱券来设计屋顶结构。具体说，构成歌剧院屋顶的大大小小的三角形壳片都从球的壳面割取(图2)，使每条拱券具有相同的曲率半径，解决施工上的模板难图2从球面中切取曲面体，曲面体的正投影与取出后的体块题。经过细致研究，伍重与工程师们确定球的半径为76.3m，这些三角形的球面壳片可以划分成许多细肋，这些肋类似于中国竹子折扇的扉骨，再用钢绳索将他们固结成一片。同时，这些肋还可以分成小段，用钢筋混凝土在地面上预制，再吊装拼合，组成歌剧院屋顶。3.2.2拱肋结构组合体悉尼歌剧院在外观整体上看，有由十对壳体组成的3组白色壳状屋顶，两个剧院占用两组大的壳体，另外一组小壳体为餐厅，其中歌剧厅、音乐厅与休息厅并排而立，各由四块巨大的壳状屋顶覆盖，这些壳状屋顶依次排列，前三个一个盖着一个，面向海湾依抱，最后一个则背向海湾侍立。可以认为，单个壳体之间的组合是其屋顶的基本组成成分。与巨大的壳形屋顶相协调的是底部高达19m的基座，这为屋顶结构提供了一个有效地抗侧推力的手段(图3)。在扇形肋拱间形成的空的部位的结构组合上，采用梁板式结构体系，以拱肋的主体结构为基础，于拱肋上搭梁，并且因交接处应力的图3顶组合示意图集中，在结构交接处的部位梁截面较厚，从而形成了这样的一个传力体系，来自屋面板的压力传递给梁，再传递给作为主体结构的拱肋，最后传至大石座基础(图4、图5)。图4屋顶连接部位结构图图5顶连接部位受力分析图3.2.3拱肋结构单体方案拱肋单体采用预制的Y形与T形截面钢筋混凝土落地三铰拱肋的结构方案，挺立的拱肋由大到小顺序成对并列拼接呈壳状，就位成型后用后张法施加预应力，使之形成整体，又能防止受拉开裂。由于壳体的造型从下而上逐渐张开，肋拱的断面从下至上分成数个Y形断面，高大的壳顶，肋更长，段更多，张开越大，而矮小的壳顶则肋短，段少，张开小，只重复大壳的下面部分的结构(图6)。图6壳形外壳（实际为拱）生成透视图3.3歌剧院总体结构特点歌剧院总体上属于拱的大跨度结构体系，而非表面上所显示的壳结构体系，且这一拱结构体系有如下几个特点:1)小的圆脊和大的拱肋；2)现场预制加强型钢筋混凝土；3)共有2194个预制钢筋混凝土切片作为它的屋顶；4)共使用了350km长的钢绳索来固定这些混凝土切片；5)歌剧院重达161100t，由深入海平面25m以下的580根混凝土桥墩支撑；6)歌剧院屋顶自身重27230t，每一个混凝土切片自身重达15.5t，混凝土自身的重量减小了屋顶拱向外的推力，同时，屋顶由32根2.5平方米见方的混凝土柱支撑，共同抵抗侧推力。4设计理念和效果悉尼歌剧院座落在悉尼港湾，三面临水，环境开阔，以特色的建筑设计闻名于世，它的外形像三个三角形翘首于河边，屋顶是就像一组洁白的雕塑，如同海边礁石上巨大的贝壳，又像是一组迎风扬帆的船队，与海湾中的片片白帆相互掩映，富有诗意，充满浪漫的色彩，因而有“翘首遐观的恬静修女”之美称，这是每一个去过悉尼歌剧院或者见过悉尼歌剧院照片的人都会有的联想。仅从建筑师自身的角度来看，伍重的想法十分独到，这一想法便是“第五立面”，即在满足东、南、西、北四个立面需要漂亮的基础上，还应当有一个从上面看下来也十分优美的“第五立面”(图7)。于是伍重按照这一理念设计了壳形的屋顶与巨大的基座，在设计之初，伍重是考虑了屋顶的结构问题，按照其原始想法，屋顶厚度当在100mm~500mm之间，在班尼朗岬这个三面环海的狭长基地上，通过薄壳结构形成的贝壳或者帆状的屋顶表达了建筑师对于这一基地的特殊理解与感受力，尽管后来由于结构上的原因，将壳结构改为拱体结构，但依然表达了设计将形式与结构相统一的设计理念。图7悉尼院鸟瞰现今，悉尼歌剧院成为了澳洲的地标，每年在悉尼歌剧院举行的表演大约3000场，约二百万观众前往共襄盛举，是全界最大的表演艺术中心之一。她不仅是悉尼艺术文化的殿堂，更是悉尼的灵魂，清晨、黄昏或星空，不论徒步缓行或出海遨游，悉尼歌剧院随时为游客展现不同多样的迷人风采。5建造过程工程于1959年3月开工，计划分三个阶段建设，第一阶段是建造基座，第二阶段是建造屋顶部分，第三阶段是安装设备和内部装修。设计和施工同时进行，在进行基础施工和基座的施工同时，伍重和阿若普分别在哥本哈根和伦敦设计屋顶的壳体，一直都没有找到解决的方法。阿若普开始设计的是双层的壳体，一层承重一层是外面的造型，但是困难重重。最后的解决方案还是由伍重自己想出来的，像传说中的那样，1961年9月某天，在他剥桔子的时候，忽然有了灵感，那个时候他每天都在思考屋壳的问题，像他说的，“我每天就像一个雕塑家那样工作，每天都塑造那个形状，还做了很多的模型。它来自模型的工作，而不能来自纸面草图，你不可能在纸上做出它来，因为在纸上是没有生命的。”他的解决方法是所有的屋面壳体都采用相同的球面曲率，从一个木头球体模型的球面上割取出来。经过仔细计算，这个球体的直径是76.3米。壳体又可以分成许多条拱肋，像中国的折扇一样，拱肋共同组成壳体。拱肋又可以分成小段，在地面预制后吊到空中拼装。1962年3月，他带着这个屋顶方案到了悉尼，得到批准，历时5年的对于屋顶的各种尝试终于有了结果。虽然如此，但是由于这是一个前所未有的挑战，建设工作和设计工作依旧在艰难地进行着，比预想的建设周期要长很多，也比预想的造价超出很多。终于由于经济和政治原因，悉尼的政府没有耐心了，在经过很多次的不愉快后，1966年2月，伍重递交了辞职信离开澳大利亚，从此再没有回来过。这时刚刚完成歌剧院的屋顶部分，开始进行表面瓷片的铺装。之后工作由三个当地的建筑师负责完成。但是他的离开，并没有加快工程的进度，一直到七年后的1973年，歌剧院才宣布竣工。10月20日，歌剧院正式开幕。从开工到竣工总耗时15年，最终造价超过1.2亿美元。6总结悉尼歌剧院是一座带着假面的建筑，它拥有壳形的外表皮，内在的拱结构。建筑方案设计经历了从最初优美的壳形但却无法实现的结构到经过几年艰辛的探索最终采用拱结构来表达建筑师的设计理念的过程，其过程之艰辛让我明白了计划与现实的落差，但是只要坚持不懈，所有困难的事都会像建造悉尼歌剧院一样，最终都将得到满意的答案。同时，在查阅了悉尼歌剧院的照片之后，令我深深震撼的是她散发出的艺术气息，无论线条、曲面、造型，还是在不同场景映衬下的悉尼歌剧院都显得分外宏伟壮丽，她是人类在探索新型空间结构及施工方式的道路上，一个美丽的里程碑！参考文献[1]孙凤岐.悉尼歌剧院——20世纪伟大又浪漫的建筑[J].世界建筑,2003(08):90-92[2]志远译.悉尼歌剧院的设计师——乔恩•伍重.EnglishSalon.2003.7[3]梁鸿文.一代名作——悉尼歌剧院[J].世界建筑导报.1994(2):23-33[4]陈志华.攀达穹顶结构体系[4]杨洲.伍重和悉尼歌剧院.建筑师手记.82-86[5]谢兆鉴,陈眼云.建筑结构选型[M].广州:华南理工大学出版社,1985[6]虞季森.中大跨建筑结构体系及选型[M].北京:中国建筑工业出版社,1990