1、 引言
最近，在國家大劇院工程竣工正式投入使用整整十年的時候，我又去了一趟國家大劇院。她對于我來說是再熟悉不過的了。在資料中很容易就能找到對她的描述：中國國家大劇院位于北京市中心天安門（詞條“門”由行業(yè)大百科提供）廣場西，西長安街以南，由主體建筑及南北兩側(cè)的水下長廊、地下停車場、人工湖、綠地組成，總占地面積11.89萬平方米，總建筑面積約16.5萬平方米(如圖1.1~1.3)。
國家大劇院中心建筑為半橢球形鋼結(jié)構(gòu)殼體，東西長軸212.2米，南北短軸143.64米，高46.68米，地下最深32.50米，周長達600余米。整個殼體表面由18398塊鈦金屬板和1226塊超白透明鋼化玻璃（詞條“鋼化玻璃”由行業(yè)大百科提供）共同組成，兩種材質(zhì)經(jīng)巧妙拼接呈現(xiàn)出唯美的曲線，營造出舞臺帷幕徐徐拉開的視覺效果。
圖1.1中國國家大劇院圖片
從大劇院的金屬屋面和玻璃采光頂的施工安裝完成，算起來到今天也已經(jīng)有12個年頭了。想起當年的建設過程心情還是那樣的激動，久久不能平靜。我是在2005年初介入這個項目的，當時項目主體已經(jīng)完成。大部分的金屬屋面系統(tǒng)和玻璃采光頂已經(jīng)結(jié)束吊裝，已進入到了收尾階段。劇院的內(nèi)部裝飾正在緊張的進行之中。
圖1.2中國國家大劇院圖片 圖1.3中國國家大劇院圖片
十多年過去了，她歷經(jīng)了諸多次酷暑嚴寒，暴雨沙塵的洗禮。這對于我們安裝的每一塊面板、每一個節(jié)點來說都是一個質(zhì)量考驗。
2、 國家大劇院投入使用十年時的質(zhì)量回訪
我曾于2016年6月份，在國家大劇院已竣工十年的時候去對大劇院的金屬屋面、玻璃幕墻及玻璃采光頂系統(tǒng)進行了檢查。并與大劇院的管理、維護者進行了關(guān)于十年來使用情況的座談和調(diào)研，同時對金屬屋面系統(tǒng)、玻璃幕墻及采光頂系統(tǒng)節(jié)點構(gòu)造，板塊連接系統(tǒng)的適應性以及面板耐久性等進行了詳細的探討和分析。
圖2.a中國國家大劇院內(nèi)視照片 圖2.b中國國家大劇院內(nèi)視照片
2.1、 針對玻璃幕墻、采光頂和金屬屋面的質(zhì)量回訪
此次回訪，由國家大劇院行政部的相關(guān)管理人員對金屬屋面及玻璃幕墻在使用中的情況作了較為詳細介紹。在充分肯定其使用性能的基礎上，也對在使用過程中出現(xiàn)一些問題的處理方案和辦法做了實地講解。
圖2.1.1鈦金屬板與玻璃幕墻接口 圖2.1.2鈦板裝飾面與湖水收口 圖2.1.3使用十年后的鈦板裝飾面
在深入座談中我們了解到，在個別中空玻璃內(nèi)有過結(jié)露現(xiàn)象，已及時進行了更換。金屬屋面部位在使用過程中未出現(xiàn)過任何問題;玻璃采光頂在膠縫處增加了防水膠（詞條“防水膠”由行業(yè)大百科提供）帶進行過密封處理，現(xiàn)已徹底解決了烏鴉等鳥類在玻璃采光頂?shù)捻敳孔氖?a target='_blank' class='ct_qy_tuijian' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;' data-qy='安泰'>密封膠的現(xiàn)象。使用情況很好。在玻璃幕墻和金屬屋面上使用的硅酮結(jié)構(gòu)膠、密封膠性能良好，未出現(xiàn)過質(zhì)量問題。
頂部可開啟部位表現(xiàn)良好;金屬屋面部位的局部鈦板表面有少量的污染。鈦板邊部折角處沒有出現(xiàn)任何裂紋現(xiàn)象;玻璃之間的密封膠性能良好;頂部清洗用噴淋系統(tǒng)未曾使用。屋面的清洗主要是采用蜘蛛人的人工清洗方案;自動清洗設備也未曾安裝使用。
圖2.1.4國家大劇院內(nèi)視照片，拍攝于2017年11月 圖2.1.5國家大劇院外視照片，拍攝于2017年11月
我于2017年11月底又一次來到大劇院，對頂部的玻璃采光頂和屋面板的使用情況和面材的耐候狀態(tài)進行了觀察，認為該部分的工作狀態(tài)良好，沒有出現(xiàn)任何異常現(xiàn)象，能確保金屬屋面系統(tǒng)和玻璃采光頂及玻璃幕墻的各項物理性能的實現(xiàn)。
2.2、 回顧工程建設時的情況
還記得當年對國家大劇院的方案設計褒貶不一，在眾多的說法和報道中有過這樣一段描述：在1999年，安德魯領(lǐng)導的巴黎機場公司與清華大學合作，經(jīng)過兩輪競賽三次修改，在中國國家大劇院國際競賽中36個設計單位的69個方案中奪標。1999年7月，獲選為最終的建設方案。
安德魯曾說"我想打破中國的傳統(tǒng)，當你要去劇院，你就是想進入一塊夢想之地"。安德魯這樣形容他的作品――巨大的半球仿佛一顆生命的種子。"中國國家大劇院要表達的，就是內(nèi)在的活力，是在外部寧靜籠罩下的內(nèi)部生機。一個簡單的'雞蛋殼'，里面孕育著生命。這就是我的設計靈魂:外殼、生命和開放。"
圖2.2.1鈦板與玻璃幕墻接口，拍攝于2017年11月 圖2.2.2鈦金屬板裝飾面層，拍攝于2017年11月
在大劇院設計圖紙需要進一步深入論證，當時的朱镕基總理接見了他。安德魯匆忙出發(fā)，急切中，竟然穿了兩只不同的鞋，談話過程中，朱總理突然將眼睛往地上看。窘迫的安德魯以為朱總理看到了他兩只鞋子不同的"熊樣"，結(jié)果，朱總理一字一頓對他說:我們接受你的設計，會承擔非常巨大的壓力。我們給你這塊土地，是中國最珍貴的黃金之地。全中國人民都會來品評你的作品。只要有51%的人贊同你的作品，你就成功了。
在調(diào)整方案時，考慮國家大劇院與天安門廣場和人民大會堂的關(guān)系，兩次將用地范圍擴展，擴到人民大會堂南側(cè)路。這樣大劇院南移70m，對改善周圍環(huán)境起到了關(guān)鍵作用。
國家大劇院是國家興建的重要文化設施，也是一處別具特色的景觀勝地。
今天，如夢作為新北京十六景之一的地標（詞條“地標”由行業(yè)大百科提供）性建筑，國家大劇院造型獨特的主體結(jié)構(gòu)，一池清澈見底的湖水，以及外圍大面積的綠地、樹木和花卉，不僅極大改善了周圍地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，更體現(xiàn)了人與人、人與藝術(shù)、人與自然和諧共融、相得益彰的理念。
圖2.2.3中國國家大劇院的夜景照片 圖2.2.4中國國家大劇院的夜景照片
每當夜幕降臨，透過漸開的“帷幕”，金碧輝煌的歌劇院盡收眼底。殼體表面上星星點點、錯落有致的“蘑菇燈”，如同撲朔迷離的點點繁星，與遠處的夜空遙相呼應，使大劇院充滿了含蓄而別致的韻味與美感。
殼體外圍環(huán)繞著水色蕩漾的人工湖，總面積達3.55萬平方米。湖水如同一面清澈見底的鏡子，波光與倒影交相輝映，共同托起中央巨大而晶瑩的建筑。人工湖水域的設計理念來自京城水系，為北京城中心地區(qū)增添了一處靈動水景。人工湖水池采用水循環(huán)系統(tǒng)去除濁物，冬季不結(jié)冰，夏季不長藻。寧靜清澈的水面和靜謐宏大的橢球殼體下，籠罩著充滿無限生機與活力的五彩斑斕的藝術(shù)世界。
圖2.2.5中國國家大劇院的外景照片 圖2.2.6國家大劇院主要設計者:保羅 安德魯
十多年過去了，在設計圈里只要一提到國家大劇院的設計，人們就不會忘記保羅·安德魯(Paul Andreu)的名字。但對于我來說，更能讓我想起的人是我國異型建筑幕墻（詞條“建筑幕墻”由行業(yè)大百科提供）和金屬屋面的先行者，幕墻節(jié)點和構(gòu)造設計的奇才羅憶先生。
圖2.2.7羅憶先生為大劇院玻璃幕墻設計的球鉸接節(jié)點 圖2.2.8羅憶先生在國家大劇院金屬屋面施工現(xiàn)場
羅憶先生在國家大劇院的玻璃幕墻和金屬屋面的設計中，他用過人的智慧，設計出了可適應多向變形（詞條“變形”由行業(yè)大百科提供）的組合式球鉸接節(jié)點等多項新型特殊的節(jié)點和構(gòu)造，很好的實現(xiàn)建筑師的設計理念和外觀要求，得到安德魯?shù)目隙ê唾潛P。同時他為后來的異形建筑幕墻的節(jié)點、構(gòu)造設計提供了參考。
3、 裝飾面層--鈦金屬板
3.1、鈦金屬板的基本特點
在這里想說說國家大劇院裝飾面層的材料——鈦金屬板。
鈦金屬外觀似鋼，具有銀白色的金屬光譯，是一種過渡金屬，在過去一段時間內(nèi)人們一直認為它是一種稀有金屬。鈦并不是稀有金屬，鈦在地殼中約占總重量的0.42%，是 銅、鎳、鉛、鋅的總量的16倍。在金屬世界里排行第七，含鈦的礦物多達70多種。鈦的強度大，密度小，硬度大，熔點高，抗腐蝕性很強;高純度鈦具有良好的可塑性，但當有雜質(zhì)存在時變得脆而硬
鈦的比重僅是鐵的1/2，卻像銅一樣經(jīng)得起錘擊和拉延。鈦有很強的耐酸堿腐蝕能力，在海中浸5年不銹蝕，鋼鐵在海水中則會腐蝕變質(zhì)。用鈦合金為船只制造外殼，海水無法腐蝕它。
純鈦是銀白色的金屬，它具有許多優(yōu)良性能。鈦的密度為4.54g/cm3，比鋼輕43% ，比久負盛名的輕金屬鎂稍重一些。機械強度（詞條“機械強度”由行業(yè)大百科提供）卻與鋼相差不多，比鋁大兩倍，比鎂大五倍。鈦耐高溫，熔點1942K，比黃金高近1000K ，比鋼高近500K。
鈦屬于化學性質(zhì)比較活潑的金屬。加熱時能與O2、N2、H2、S和鹵素等非金屬作用。但在常溫下，鈦表面易生成一層極薄的致密的氧化物保護膜，可以抵抗強酸甚至王水的作用，表現(xiàn)出強的抗腐蝕性。因此，一般金屬在酸的溶液中變得千瘡百孔而鈦卻安然無恙。
圖3.1.1鈦金屬裝飾面板的工程樣板 圖3.1.2已經(jīng)安裝的鈦金屬裝飾面板
純鈦金屬板作為建筑室外裝飾材料可以抵抗諸多的大氣中攜帶的有害成分對裝飾面層的污染，抗腐蝕性極強，能夠常年保持建筑物的外觀效果。
有人給鈦金屬板總結(jié)了十大特性：
◆ 密度小,比強度高： 金屬鈦的密度為4.51g/cm3,高于鋁而低于鋼、銅、鎳，但比強度位于金屬之首。
◆ 耐腐蝕性能： 鈦是一種非常活潑的金屬，其平衡電位很低，在介質(zhì)中的熱力學腐蝕傾向大。但實際上鈦在許多介質(zhì)中很穩(wěn)定，如鈦在氧化性、中性和弱還原性等介質(zhì)中是耐腐蝕的。
◆ 耐熱性能好： 新型鈦合金可在600℃或更高的溫度下長期使用。
◆ 耐低溫性能好： 鈦合金的強度隨溫度的降低而提高,但塑性變化卻不大。在-196-253℃低溫下保持較好的延性及韌性,是低溫容器,貯箱等設備的理想材料。
◆ 抗阻尼性能強： 金屬鈦受到機械振動、電振動后，與鋼、銅金屬相比，其自身振動衰減時間最長。
◆ 無磁性、無毒： 鈦是無磁性金屬，在很大的磁場中也不會被磁化，無毒且與人體組織及血液有好的相溶性，所以被醫(yī)療界采用。
◆ 抗拉強度與其屈服強度接近：鈦的這一性能說明了其屈強比(抗拉強度/屈服強度)高，表示了金屬鈦材料在成形時塑性變形差。由于鈦的屈服極限與彈性模量（詞條“彈性模量”由行業(yè)大百科提供）的比值大，使鈦成型時的回彈能力大。
◆ 換熱性能好：金屬鈦的導熱系數(shù)雖然比碳鋼和銅低，但由于鈦優(yōu)異的耐腐蝕性能，所以壁厚可以大大減薄，太表面不結(jié)垢也可減少熱阻（詞條“熱阻”由行業(yè)大百科提供），使鈦的換熱性能顯著提高。
◆ 彈性模量低：鈦的彈性模量在常溫時為106.4GMPa,為鋼的57%。
◆ 吸氣性能：鈦是一種化學性質(zhì)非常活潑的金屬,在高溫下可與許多元素和化合物發(fā)生反應。鈦吸氣主要指高溫下與碳、氫、氮、氧發(fā)生反應。
3、2國家大劇院外裝飾層鈦金屬板的支撐結(jié)構(gòu)
本工程的主體結(jié)構(gòu)是半橢球形鋼結(jié)構(gòu)殼體，其殼體結(jié)構(gòu)由一根根弧形鋼梁組成。東西長軸212.2米，南北短軸143.64米，高46.68米，地下最深32.50米，周長達600余米。 (如圖2.1.1~2.1.2)
圖3.1.3已經(jīng)安裝的雙道弧形鋁支撐管 圖3.1.4主體結(jié)構(gòu)是半橢球形鋼結(jié)構(gòu)殼體
由于該項目的屋面的外裝飾面板采用了0.44mm厚的太金屬板，按設計的建筑外形要采用18398塊鈦金屬板和1226塊超白透明鋼化玻璃共同組成，兩種材質(zhì)經(jīng)巧妙拼接呈現(xiàn)出唯美的曲線。這如果按照傳統(tǒng)的方案就要有上千個點穿透屋面系統(tǒng)，這將很難保證大穹頂的防水性能。
為此，國家大劇院的穹頂屋面系統(tǒng)，在國內(nèi)首次引進了“鋁鎂錳直立鎖邊金屬屋面”系統(tǒng)。其最大的特點是，外層裝飾板的支承結(jié)構(gòu)不是穿透屋面固定在主體結(jié)構(gòu)上，而是用連接夾具直接連接固定在鋁鎂錳板的立邊上。實現(xiàn)了無穿透式連接，很好的實現(xiàn)了屋面系統(tǒng)的各項物理性能，特別是對防止屋面漏水起到了決定性的作用。(如圖2.1.3~2.1.4)
3、3、金屬屋面系統(tǒng)的構(gòu)造
由于其體型和功能的要求，對金屬屋面來說，其設計與施工的難度很大，必須結(jié)合實際工程情況采取特殊的、能夠適應本項工程的結(jié)構(gòu)，節(jié)點設計和施工工藝方案才能順利完成工程。屋面系統(tǒng)的構(gòu)造如下：(自下而上)
圖3.3.1建設過程中國家大劇院施工現(xiàn)場 圖3、3、2鈦金屬板的安裝照片
主體支撐鋼結(jié)構(gòu);可進行雙向調(diào)整的連接角碼;二次鋼環(huán)形檁條;底層硬質(zhì)防水鍍鋅鋼板(厚度為1.5mm);防潮隔氣層;防水板T型支座（詞條“支座”由行業(yè)大百科提供）系統(tǒng);雙層50mm保溫棉;鋁鎂錳金屬屋面板(錘紋板)，厚度為0.9mm，高直立鎖邊;轉(zhuǎn)接件，鋁合金材質(zhì)的連接裝置;雙道弧形鋁支撐管;轉(zhuǎn)接件，成型后的鈦金屬裝飾板。
屋面底板的做法有很多 ，可以用軟防水、用壓型鋼板以及聚安脂硬泡等。但由于本工程的金屬屋面為不規(guī)則的雙曲面，這些做法都無法解決雙曲扇形面伸縮變形的問題。采用1.5mm厚的鍍鋅鋼板根據(jù)曲面的走向鋪設成硬防水層(如圖2.3.1.1~2.3.1.2)。不但解決了扇形排版問題，同時也為安裝過程中施工人員提供了可靠的安全踏板，避免在施工時損壞下層底板。
圖3、3、3 鍍鋅鋼板加蓋“Ω”型鋼（詞條“型鋼”由行業(yè)大百科提供）槽 圖3、3、4現(xiàn)場鋪設的鋼板硬防水層
為了保證二次防水和提高鋼板的平面外剛度，在節(jié)點設計時確定了在左右兩塊鋼板之間折直角邊，并加蓋“Ω”型鋼槽(如圖3、3、3)。上下兩塊鋼板在安裝時上板壓下板邊180mm，來保證其防水性能。
在金屬屋面的使用過程中，為防止室內(nèi)潮氣進入玻璃棉，在玻璃棉的下側(cè)加貼隔氣、隔潮、反射熱輻射（詞條“熱輻射”由行業(yè)大百科提供）的鋁箔隔氣層，和聚乙烯防潮隔氣層。
3、4 球體外表面的清洗
大劇院外裝飾面的清洗方案，在初期設計時是采用機器人自動清洗設備和清洗用噴淋系統(tǒng)對鈦金屬板的表面和玻璃采光頂?shù)谋砻孢M行清洗。由于各種原因自動清洗設備未曾安裝使用。頂部清洗用噴淋系統(tǒng)也未曾使用。屋面的清洗主要是采用蜘蛛人的人工清洗方案;
圖4、4音樂廳內(nèi)玻璃體反聲罩在安裝調(diào)試 圖4、4音樂廳內(nèi)玻璃體反聲罩在安裝調(diào)試
金屬屋面和玻璃采光頂清洗的順序是自上而下，從中間往外的原則。使用玻璃清潔工具及清潔劑依次清洗室內(nèi)外玻璃幕墻，對鈦金屬裝飾面層板塊和玻璃采光頂?shù)?a target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>玻璃板塊，利用高壓水和專用清洗劑逐一進行清洗。確保一次性清洗干凈;
使用潮濕清潔布及便攜式吸塵器，人工清潔鋼結(jié)構(gòu)架上的塵土，污漬塵土積結(jié)處需用工具刷加入清潔劑進行處理，在日常的維護清洗時應防止對面板的二次污染。
4、 音樂廳內(nèi)玻璃反聲罩的設計制作
音樂廳的天花板被打造成一件抽象的現(xiàn)代藝術(shù)作品，形狀不規(guī)則的白色浮雕像一片起伏的沙丘，又似海浪沖刷的海灘。天花板上看似凌亂的溝槽實際上經(jīng)過了特別的聲學設計，使聲音能夠被擴散反射，更加均勻、柔和。精美的天花板其實是特制的聲擴散裝飾板。
天花板使用纖維石膏成型板制成，材質(zhì)厚重，能夠有效地防止低頻吸收，增強廳內(nèi)的低頻混響時間，使低音效果(如管風琴、大管、大提琴等)更加具有震撼力和感染力。為達到聲效的完美，在頂棚的下面還懸掛了一面龜背形狀的集中式反聲板，俗稱“龜背反聲板”或叫“玻璃反聲罩”，它的作用是將聲音向四面八方散射。
圖4、1大劇院音樂廳的全景照片 圖4、2音樂廳內(nèi)玻璃體反聲罩在調(diào)試中照片
音樂廳內(nèi)玻璃體反聲罩的設計與施工是在大劇院工程整體工程的后期了。記得當時我在負責大劇院屋面工程的后期收尾工作。接到指揮部的通知，要求我們用一個月的時間完成音樂廳內(nèi)玻璃體反聲罩的設計與制作安裝施工全部工作。當時對于我來說，以前從來沒聽說過有這樣的東西。由于時間工期很急，抓緊一切時間，只用了一周的時間就完成了結(jié)構(gòu)和面板的整體設計及下料。
當時我按照聲學專家的要求，將反聲罩設計成了半橢球體雙曲面的點支式玻璃吊頂，上部平面為橢圓形，由倒A字形鋼梁與交叉，鋼絲繩交織成一整體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)平面，下部凸面為半橢球面，雙層鋼化夾層玻璃通過不銹鋼夾具固定在結(jié)構(gòu)平面外的豎直撐桿上，撐桿通過雙向十字交叉鋼絲繩連接成一個穩(wěn)定的橢球面。整個結(jié)構(gòu)完成后可以用鋼絲繩升降，并能固定在任意的位置。有良好的整體剛度和穩(wěn)定性。
圖4、3音樂廳內(nèi)玻璃體反聲罩在調(diào)試中 圖4、4音樂廳內(nèi)玻璃體反聲罩在安裝調(diào)試
玻璃體反聲罩的外形尺寸為長軸17200MM，短軸11600MM，拱高1400MM。反聲罩共使用了大小88塊雙曲面玻璃（詞條“雙曲面玻璃”由行業(yè)大百科提供），玻璃的配置是10+1.14pvb+8半鋼化雙曲面夾膠玻璃。按照聲學的要求16片玻璃上開了700MM直徑的大圓孔。玻璃與索結(jié)構(gòu)的固定采用了穿孔式不銹鋼四爪沉頭駁接系統(tǒng)。這是當時最新穎的劇場反聲裝置。經(jīng)過十多年的使用仍能保持最佳的效果。
5、結(jié)束語
由于社會經(jīng)濟有了進一步的提高，建筑業(yè)快速蓬勃發(fā)展。建筑外圍護結(jié)構(gòu)形式在不斷的改進，也使得異形建筑外圍護結(jié)構(gòu)的樣式和數(shù)量有了很大的增加，促進了幕墻行業(yè)設計和施工水平的普遍提高，促使墻面材料的多樣化和加工技術(shù)的提升。
在國家大劇院竣工后投入使用十年的時候進行相關(guān)的質(zhì)量回訪，還有一個重要的目的就是要總結(jié)我們對幕墻和金屬屋面的設計、加工、施工技術(shù)是否能經(jīng)得起時間的磨礪。在總結(jié)的基礎上，對外圍護結(jié)構(gòu)的特點進行分析，提供給同行們共同探討以促使幕墻和金屬屋面設計和施工技術(shù)進一步的提高。
參考文獻
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