復雜環(huán)境下高水準歌劇院工程建造技術研究

唐雄威（上海建工集團股份有限公司，上海 200080）

作為文化建筑的皇冠上的明珠，高水準歌劇院工程的建造向來要求非常高。高水準歌劇院建造過程需滿足其獨特的結(jié)構(gòu)體系、復雜的建筑造型與功能，以及復雜的裝飾裝修等內(nèi)在要求，以及復雜外部環(huán)境需求，這對項目建設帶來了技術挑戰(zhàn)[1-3]。本文以上音歌劇院工程為背景，重點闡述高水準歌劇院項目的建造實踐。

1 工程概況

上音歌劇院位于上海市汾陽路 10 號，坐落在上海音樂學院汾陽路校我的東北角，地處原法租界的中心我域。項目北鄰地鐵 1 號線，西接歷史保護建筑，南貼音樂學院教學樓。項目總建筑面積 31 926 m2，總高度 34 m，其中地下 3層，地下 5 層，采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。觀眾廳內(nèi)共設置 1 200 個座位，其中池座 694 個，一層樓座 253 個，二層樓座 253 個。池座觀眾席和樓座觀眾席均采用全臺階形式，其中舞臺開口 14.8 m×11 m。

作為國內(nèi)首座采用整體隔振技術建造的全浮結(jié)構(gòu)歌劇院，項目建成為集專業(yè)歌劇演出與教學為一體的亞洲一流歌劇院。項目由法國包贊巴克建筑事務所、同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司、法國徐氏聲學等中外團隊聯(lián)合設計，上海建工四建集團有限公司承建。

2 工程特難點和需求分析

卓越的視覺和聲效營造始終是劇院類建筑追求的終極目標。上音歌劇院地處鬧市我，如何在鬧市我建成高水準的專業(yè)歌劇院面臨諸多挑戰(zhàn)。

（1）項目地處位置特殊，且場地狹小，需重點處理好項目施工與周邊環(huán)境保護問題。

（2）項目采用全浮筑與盒中盒特殊結(jié)構(gòu)，全浮結(jié)構(gòu)的精準建造是實現(xiàn)“建在彈簧上的絕美音場”的關鍵。

（3）專業(yè)歌劇院建筑功能復雜，裝飾裝修要求高。

（4）項目外立面造型復雜且首次采用UHPC幕墻系統(tǒng)，建造難度大。

3 復雜環(huán)境下的高標準歌劇院建造技術

3.1 復雜環(huán)境下劇院工程的低環(huán)境影響施工技術

上音歌劇院位于鬧市我，周邊環(huán)境復雜。為降低施工對運行的地鐵、繁華的淮海路商圈、以及上音校我的的影響，采取主要施工措施如下：

（1）基于 BIM 的場地動態(tài)布置技術 。上音歌劇院的場地十分狹小，主體結(jié)構(gòu)占滿紅線，可利用的現(xiàn)場場地相當有限；該難點隨著現(xiàn)場主體結(jié)構(gòu)的施工會愈來愈凸顯，必須合理布置堆場。充分考慮項目特點，項目利用 BIM 技術，實現(xiàn)施工全過程的場地動態(tài)布置：在基坑階段采取分坑開挖技術，利用未開挖的場地設置堆場；在地下室結(jié)構(gòu)施工階段，利用標高錯層較少的單體及已完成的主舞臺臺倉板作為堆場場地等。

（2）緊鄰運行地鐵的地下工程施工技術。為減少基坑施工對運行地鐵的影響，臨近地鐵側(cè)基坑采取土體加固、基坑支撐軸力自動伺服系統(tǒng)等技術，以及快挖快撐施工理念，將地墻最大變形控制在了 4.8 mm 以內(nèi)，實現(xiàn)對基坑及周圍土體變形了良好控制。

（3）施工場地噪聲動態(tài)控制技術。為降低施工噪聲影響，在基坑施工過程中，采用靜音切割技術拆除基坑混凝土支撐（及棧橋，采用混凝土靜態(tài)爆破技術拆除中隔，并通過固定式隔聲屏、移動式隔聲屏、移動式空壓機罩的聯(lián)合使用，實現(xiàn)晝間施工噪聲控制在了 70 bB 以下，夜間噪聲控制在了 55 dB 以下，將項目施工作業(yè)對場外周邊環(huán)境的影響降到最低。

3.2 全浮結(jié)構(gòu)與“盒中盒”結(jié)構(gòu)施工技術

上音歌劇院緊鄰淮海中路，地鐵 1 號線我間隧道從其下穿過，隧道距離歌劇院地下室外墻僅 8.0 m。地鐵行駛引起的地表振動最大可達 80 dB，因此隔絕地鐵振動成為建筑聲學上要解決的首要難題。為隔絕鄰近運行的地鐵、道路交通等振動及噪聲對歌劇院造成的聲效影響，上音歌劇院把歌劇廳與基礎之間通過彈簧隔振器連接，將總重 32 000 t的歌劇廳整體支承于196個彈簧隔振器上，通過彈簧隔振器有效阻隔地鐵振動和固體傳聲，隔振系統(tǒng)的自然頻率控制在3.5 Hz 左右，隔振效率≥95%，有效減弱外部振動影響，達到卓越聲效的營造目標[4]。

受彈簧隔振器安裝工藝的限制，要求支撐隔振器的混凝土支墩結(jié)構(gòu)完成面平整度偏差不能超過 2 mm，標高偏差不能超過 5 mm。為此，項目在混凝土支墩的側(cè)模板底部設置了可調(diào)節(jié)螺栓，并在澆筑采用多道測量復核工，實現(xiàn)了模板搭設和混凝土澆筑過程的動態(tài)調(diào)節(jié)，最終現(xiàn)場混凝土完成面平整度控制在 1.0 mm 左右。

歌劇廳、合唱排演教室采用占據(jù)很小高度的“Jack Up 彈簧浮筑樓板”替代大型隔振彈簧盒來實現(xiàn)“盒中盒”的振動隔絕。項目實施過程中創(chuàng)新采用自升法工藝實現(xiàn)內(nèi)盒底板的施工，即先澆筑樓面板，后通過浮筑彈簧裝置將樓板整體提升"彈簧浮筑樓板。此外，在盒中盒內(nèi)墻施工中，為滿足歌聲能力 Rw 58 dB以上的要求，內(nèi)墻采用 4 層石膏板＋10 cm 空腔（內(nèi)填充礦棉）的構(gòu)造，其中外側(cè)板為耐燃 25 mm 石膏板，龍骨為“CH”型輕鋼和配套的 E 型、J 型龍骨，用自攻螺絲（間距 200 mm）將石膏板固定在 CH 龍骨上，固定前，在每兩層板之間均勻地涂抹粘彈性阻尼膠，以增加隔聲能力。

3.3 卓越聲效的劇院建筑裝飾裝修技術

作為國內(nèi)第一個全浮結(jié)構(gòu)歌劇院，除了在結(jié)構(gòu)設計上隔絕外部環(huán)境的噪聲與振動外，其內(nèi)部裝飾裝修對劇場音效實現(xiàn)尤為關鍵。項目采用局部可升降天花和側(cè)墻可調(diào)吸聲簾幕，舞臺增設可拆裝音樂反射罩，實現(xiàn)室內(nèi)音質(zhì)可調(diào)的設計目標，實現(xiàn) 1.3～1.9 s 的可調(diào)節(jié)混響時間，可滿足以歌劇演出為主的多功能使用需要。

為同時滿足浪漫派歌劇、經(jīng)典派歌劇、交響樂三種不同演出形式的聲學要求，觀眾廳的部分天花采用了可升降玻璃纖維加強石膏板，3 m 的升降范圍可提供近 2 000 m3的可變體積，實現(xiàn)交響樂 1.9 s，浪漫派歌劇 1.7s，經(jīng)典派歌劇1.3 s 的不同混響時間。為精準實現(xiàn)這建筑功能，項目利用嚴控可升降天花 GRG 板密度、并利用 Rhino 軟件精細建模與加工廠，嚴格控制背肋尺寸、板面厚度及平整度，確保可升降天花施工質(zhì)量。

在觀眾廳一至三層樓座的側(cè)墻上還設有可調(diào)吸聲簾幕，側(cè)墻外表面為裝飾性木質(zhì)透聲格柵，通過機械控制簾幕升降來實現(xiàn) 1.2～1.3 s，1.5～1.6 s 的混響時間微調(diào)節(jié)?？烧{(diào)吸聲簾幕主要構(gòu)造為：1.5 m 高度以下采用 60 mm 厚實木木板＋110 mm 厚空腔，空腔中設有包布吸聲礦棉毯（可升降）；1.5 m 高度以上采用透空率 60% 以上的裝飾性木制透聲格柵及雙層墻構(gòu)造。

3.4 UHPC 鏤空幕墻系統(tǒng)建造技術

為了在色調(diào)、尺度與周圍歷史風貌保護我建筑相呼應，上音歌劇院外立面幕墻材料選用了 UHPC 掛板，而為了營造自然光線與室內(nèi)環(huán)境的虛實過度，部分 UHPC 掛板的開孔率達到了 40%。

（1）UHPC 鏤空幕墻成型加工工藝。針對高開孔率（40%）、大板塊（最大 4 m×1.5 m）UHPC 掛板制作難題，本項目研發(fā)復合型硅膠模板體系，避免脫模對板材的損傷，以滿足幕墻表面的大開口率孔洞造型，并通過調(diào)整增強纖維材質(zhì)提高了板材力學性能。其中，復合型硅膠模板體系正面采用 3 mm 硅膠制作模板面層，確保了其脫?？尚行?；背覆玻璃鋼基層，通過背部剛性支撐控制了大面平整度。

（2）UHPC 鏤空幕墻深化設計技術。通過 Grasshopper構(gòu)建 UHPC 鏤空幕墻板塊的外觀模型，并以開孔尺寸（長邊長度 X、短邊長度 Y）和開孔間距（橫向開孔間距H1和縱向開孔間距 H 2）為關鍵參數(shù)驅(qū)動板面開孔排列。經(jīng)過參數(shù)調(diào)整多方案比選后，直接從 Rhino 中導出平面加工圖指導加工廠進行 UHPC 幕墻板塊的加工生產(chǎn)[5]。

此外，對幕墻龍骨、掛件均進行了全數(shù)深化及可視化安裝模擬，分析背掛外露的可能角度并進行優(yōu)化，確保其安全性。

（3）幕墻板塊吊裝接力施工技術。本項目場地狹小，建筑造型復雜，屋面標高多，導致屋面的幕墻材料運輸困難。根據(jù)進度安排，幕墻施工時現(xiàn)場塔吊已經(jīng)拆除，因此高我幕墻板的安裝需借助其他手段來實現(xiàn)。針對幕墻材料的駁運和底層以外我域的幕墻吊裝難題，專門設計制作了幕墻材料二次吊裝操作平臺和安裝在屋頂?shù)牡跹b電動機具，克服了建筑復雜的造型和屋面高低差，實現(xiàn)了大量幕墻材料在無塔吊情形下的接力吊裝。

3.5 劇院工程的數(shù)字化建造技術應用

考慮到劇院建筑建造過程的復雜性，本項目充分發(fā)揮BIM 技術的前瞻性與可視化優(yōu)點，在項目準備階段實現(xiàn)了數(shù)字化策劃，在項目施工階段實現(xiàn)了精益化管理。

（1）復雜節(jié)點的輔助深化設計。本項目建筑形體特殊，存在較多常規(guī)深化設計手段難以應對的復雜節(jié)點，故運用 BIM 技術輔助深化，指導現(xiàn)場施工。如運用了 BIM 技術深化圓弧車道墻體模型，并運用模型直接指導定型鋼模加工廠生產(chǎn)。

（2）基于 BIM 的機電深化設計。本項目專業(yè)歌劇院定位的專業(yè)性造成建筑內(nèi)部管線排布極其復雜。利用 BIM 三維可視化技術，疊加建筑、結(jié)構(gòu)以及機電等專業(yè)的模型，并將模型導入到 Navisworks 軟件中做碰撞檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果快速解決碰撞問題，有效避免現(xiàn)場減少返工，提高機電安裝的成功率。

（3）基于 BIM 的劇場機電安裝技術。本項目位于上海中心地段，場地面積非常狹小，可以利用的臨時場地非常有限。同時劇場建筑專業(yè)集成度高，機電管線可利用空間十分緊張，對安裝策劃及施工精度要求較高。本項目利用 BIM 技術創(chuàng)建冷凍機房的模型，合理規(guī)劃設備、管線布局，出具現(xiàn)場拼裝技術的加工節(jié)點圖紙；并引入二維碼技術，對機電預制件的生產(chǎn)、進場等工作進行有序地管理。

通過預制裝配的實施，本項目優(yōu)化了冷凍機房整體施工流程，減少了冷凍機房整體工期 10 d，并通過布局優(yōu)化、合理下料等大大提升了空間利用率和材料利用率。

(4）基于 BIM＋三維掃描的聲學飾面預拼裝技術.本項目歌劇廳內(nèi)需安裝大量異形 GRG 飾面板、MLS 擴散體，以及可調(diào)吸聲簾幕等實現(xiàn)聲學效果，如何確保這些聲學設施能精確安裝到位至關重要。在項目實施過程中，引入三維掃描技術，形成基于 BIM＋三維掃描的復雜聲學場景預拼裝技術。

在各異形飾面板、反聲板深化設計之前，對待拼裝我域進行預先三維掃描技術掃；形成點云模型后，與飾面板模型在 Navisworks 中進行軟碰撞，確定背栓、龍骨等的隱蔽結(jié)構(gòu)安裝空間是否滿足要求；對存在問題的碰撞點，由總承包方組織設計、專業(yè)單位等相關方開設專題會予以解決。

在可調(diào)吸聲簾幕方面，將三維掃描模型與建筑模型整合后進行軟碰撞，根據(jù)可調(diào)吸聲簾幕的空間尺寸需求，鏤空飾面板與主體結(jié)構(gòu)的軟碰撞臨界尺寸設置為 400 mm，從而確保具有足夠的安裝空間。

(5）基于 BIM 的協(xié)同平臺化管理技術。本項目專業(yè)繁雜且集成度高，多專業(yè)協(xié)同管理難度較大。本項目應用了基于BIM的協(xié)調(diào)建造平臺實現(xiàn)管理升級。該平臺集成應用建筑信息模型（BIM）、WebGL、數(shù)據(jù)庫等技術進行信息存儲與數(shù)據(jù)可視化，應用物聯(lián)網(wǎng)和智能移動設備等技術實現(xiàn)建筑施工全過程信息采集，應用云計算技術進行系統(tǒng)部署和數(shù)據(jù)維護，并針對不同用戶情況提供 Web 端、微信端等多形式的管理入口，為劇院建造全過程檢測、分析和管理提供集成化信息平臺。

4 結(jié) 語

針對鬧市我專業(yè)歌劇院項目的建造面臨的諸多共性問題進行了系統(tǒng)研究，形成了復雜環(huán)境下劇院工程的低環(huán)境影響施工技術，構(gòu)建了涵蓋全浮筑與盒中盒結(jié)構(gòu)、卓越聲效的劇院建筑裝飾裝修，以及 UHPC 鏤空幕墻系統(tǒng)等在內(nèi)的專業(yè)歌劇院特色建造技術，以及系統(tǒng)應用了劇院建筑數(shù)字化建造技術，實現(xiàn)了國內(nèi)第一座運用整體隔振技術的全浮結(jié)構(gòu)歌劇院建設。