1 缘起 2019 年6 月，江苏园艺博览会的建设如火如荼。忙碌于江苏园艺博览会主展馆施工图的我们接到指挥部设计的投标邀请，项目名称叫“未来花园”。 项目用地位于江苏园艺博览会主展馆西侧的孔山上。我们虽心有准备，但第一次到达场地的时候，仍被现场巨大的尺度所震慑：眼前是一个由人工开采的巨大崖面——长1 100 m，深10 m～22 m不等，几乎竖直的南侧崖壁呈阶梯状层层叠落，高达130 m。矿坑底部的投料口深达30多米。在过去的一个世纪里，矿车通过隧道将投料口近1 300多万方矿石运往分散在附近的水泥厂。这些水泥厂曾经是中国最早的民族工业之一。其建立之初时产熟料3.45吨，日产水泥4万余吨，为南京中山陵墓工程提供了所需要的全部水泥。时过境迁，昔日的水泥厂已经荒废，留给我们的是巨大的矿坑——一个静默的伤疤（图1）。
1 缘起
2019 年6 月，江苏园艺博览会的建设如火如荼。忙碌于江苏园艺博览会主展馆施工图的我们接到指挥部设计的投标邀请，项目名称叫“未来花园”。
偿还也好，赎罪也罢，诞生于江苏园艺博览会的“未来花园”与其说是人们对未来的想象，不如说是当代人给历史的一个交代。
4 矿坑底部的植物花园
5 花园屋面即湖面
从设计的角度看，无论我们要建造一个湖泊，还是云池，其结果都是不定型的，或者说是无形的，这需要人们通过深入其中的体验来获得。“未来花园”的“未来”二字也来自人们对于全新环境的陌生体验，而我们相信，这种陌生感必定来自某种材料质感及其潜在的建造逻辑。
从工程学的角度看，要支撑起将近1 540吨的湖水并非易事。蓄水屋面要保持绝对水平，我们不可能通过屋面起拱的方式来减少受力结构的截面尺寸。如果采用梁柱体系结果也不理想，要不柱子过多，要不梁会过粗、过密。我们与结构工程师王载团队共同研究的解决方案，是采用半径10.5 m的单柱树状单体阵列组合而成，对每个树状单体，中心柱高为12～24 m，三组单元联合成网壳，矢高为3.25 m。绕中心束柱分别布置6条主肋和6条次肋，在主肋和次肋之间设置交叉联系的斜杆，在肋的端部沿周圈设置受拉环杆，6条主肋汇聚至伞壳中心，形成束柱。树与树之间在主肋端部节点相互连接，在次肋端部节点采用椭圆管拉结，这些由单元杆件“编织”起的整体，大幅度减小了每个杆件的截面尺寸，让结构看起来更轻。由于树状结构直接裸露在植物园潮湿的环境里，我们和结构工程师经过多次讨论，决定直接采用不锈钢材料。这个由4K抛光的镜面不锈钢结构所形成的树林，将反射整个植物园的绿色。
伞状棚架单层伞形网壳的材料选择，在设计过程中经历了几轮论证。第一个选择是普通钢结构+镜面不锈钢板饰面的组合。此做法在造价上具有明显优势，但项目场地长期潮湿且植物的养料及腐殖质均具有腐蚀性，普通钢结构包裹在饰面板之内，即使做好防腐、防锈措施，如有问题，也无法及时发现。第二个选择是耐候钢+镜面不锈钢板饰面的组合。耐候钢代替普通钢，耐腐蚀性更好，但造价上不具有优势。另外，网壳上的杆件较细，如果增加装饰层包覆，不仅杆件整体截面会变大，而且会产生大量需要现场焊接、打磨的拼缝，打磨过程中的粉尘无法集中回收，人工成本高也极不环保。第三个选择是伞壳部分采用镜面不锈钢，竖柱部分采用普通钢（或耐候钢）+镜面不锈钢饰面的组合。伞壳部分的不锈钢与普通钢（或耐候钢）直接焊接，会形成电化学腐蚀，也不可取。最终，本项目摈弃了主体结构隐藏在装饰层背后的做法，采用了结构、装饰一体化的镜面不锈钢作为唯一材料 ① 。
3.2 玻璃，还是亚克力？
透明蓄水池在多个项目中被运用，但大都采用玻璃作为池底材料。花园中每个伞状单元的水平面积达350 ㎡，总水面面积接近16 000 ㎡。在深化初期，建筑师和幕墙设计师共同论证了玻璃水池的可行性。池底下方为游客活动的空间，高度远超3 m，因此根据现行规范，必须采用夹层玻璃，而夹层玻璃的最大许用面积为8 ㎡ ② ，意味着一个伞状单元至少需要44 块玻璃组成。如果使用玻璃：一是材料浪费较大——主体结构的网架杆件投影到水平面为三角形网络，结合最大许用面积，会出现很多锐角三角形和不规则的四边形，在切割板材时会造成较多废料；二是重量较大——如果每一块玻璃面板接近最大许用面积，玻璃的边长将达3～4 m，加上10 cm的水面荷载，固定玻璃的龙骨就需要加强，不仅池底本身的幕墙结构在视觉上无法形成轻盈、透明的感觉，整体质量的变大也会导致主体结构的杆件尺寸变大；三是蓄水屋面需要长期有水，玻璃面板大部分为5～6条边框交于一点，圆心处甚至出现12条边交于一点的情况，面板与面板之间的框架都需要打胶密封，胶条长期暴露在室外环境中将产生不可避免的老化，漏水隐患严重。因此，寻找其他的透明材料成为必然。
7 亚克力加强肋
8 不锈钢球节点支座铰接
如果说工程学的作用是解决建造问题，那么建筑学的作用则是引领空间想象，从建筑现象学的角度来看，透明与反射是相对的。
4.1 反射是另一种透明
9 异形杆件
10 反射环境的湖面
11 如点彩画般内部空间
4.2 透明也是另一种反射
12 俯瞰亚克力蓄水屋面
13 镜面锈钢上的的细腻层次
单元类型化通常是面对快速建造问题最典型的解决策略，未来花园的伞状结构单元选用了可以在工厂预制、现场装配的结构体系和幕墙体系，因此伞状棚架的伞壳结构和亚克力水屋面都严格遵照了几何化和单元化的原则。为了给植物提供更大的生长空间，并结合二级矿坑约60 m～100 m不等的宽度，确定了直径21 m的相切圆网格系统。每个圆形单元有6个切点，主体结构的竖柱部分沿着切点和圆心的连线分为6 瓣。6 瓣内网格细分，形成网格化平面。考虑到矿坑边界的不规则性，结构体系经过多方案比选，最终采用每个21 m圆内部自平衡的伞壳体系，通过数值逆吊确定最优形体。 [4] 单元与单元之间互相依存，形成了整体的骨架系统（图14）。
14 伞状单元结构
单伞自平衡体系使得每个单元同部位的结构构件截面尺寸完全一致，只存在少量变异。以竖柱为例，竖柱的截面尺寸主要由边部悬挑距离和竖柱高度共同决定。本设计悬挑为10.5 m，树柱高度由西向东逐渐加高。竖柱采用了适应大部分高度条件的截面尺寸，为250 mm（d）x200 mm（w）的矩形，总直径为824 mm。唯有东侧湿生花园最高的三个单元（17.65 m～20.65 m高），扩大了竖柱的截面面积——300 mm（d）x200 mm（w），总直径924 mm，并采用灌注混凝土的方式增加承载力。
伞状棚架的单伞单元化，使构件类型得到了有效控制。
空间上的伞壳结构，根据加工工艺进行了拆分，且在确定杆件尺寸时考虑了市面上常用的成品尺寸。竖柱到主肋被分成了三个部分：竖直部分、三折的矩形管主肋、柱头。竖直部分最靠近视线，对表面平整度要求最高。6 瓣竖柱矩形管需要两两焊接，焊缝设计在外侧，因此冷轧的不锈钢矩形管可以进行机器焊接和焊缝打磨。内凹弧形的阴角处理与冷轧矩形管阳角的r 角，形成呼应。矩形管主肋在工厂进行开模冷弯。相接处的柱头增加了倒角装饰板，一来顺接了竖柱矩形管和主肋矩形管因壁厚不同而产生半径不同的r 角，二来加强了伞柱如树枝般生长的意向。亚克力水屋面的面板厚度均为35 mm，加强肋的厚度均为50 mm（w）x200 mm（h），在工厂浇筑成形，节点域为工厂立体激光雕刻。
不锈钢和亚克力的构件组装需要在现场完成。不锈钢构件进行现场焊接时，冷却后焊缝根据缝隙的大小和焊条的厚度会形成不同程度的回缩。打磨之后，略微内凹的表面，犹如树枝的枝节。亚克力的构件在定制的保温棚内进行化学焊接，焊缝处打胶以加强水密性，焊缝及胶缝虽为透明，但会存在高低不平的情况，仍需打磨以提高平整度。在建筑师看来，手工打磨的痕迹，给整个建筑增加了细腻、生动的有机感。
5.3 精确与容差
限于矿坑狭长的特点，42 个伞状单元沿东西方向流动，形成长300余米、宽42～63 m的完整水面。不锈钢和亚克力都是受温差变化影响较大的材料，我们利用结构特点及构造节点的设计，让湖面自由“伸展”，在“森林”中“呼吸”（图16）。
16 湖面下的植物花园
主体结构通过控制18? 的合拢温度，单伞在环肋处被焊接成整体，温度变形需要释放在整体结构的东西两侧。东侧伞柱长度较高，随着温度的升高或降低，伞柱随着伞面的变化而产生一定的倾斜，经过计算，最大的倾斜角在钢结构工程规范允许的范围内。西侧地势较高，因此伞柱较短，结构工程师将最西端的两个单伞单元的基础设计为滑动支座，如早晚温差较大，可以观察伞的滑动，赋予无机材料有机的运动感。
因亚克力的变形量大于不锈钢，在亚克力水屋面单伞之间设置了变形缝，可以消化单伞10 余厘米的变形量。每个撑杆的构造设计也充分考虑了单伞本身的径向变形。预埋于节点域的不锈钢圆盘开有径向方向的滑动槽，撑杆的上下两端与预埋件及主体结构焊接的支座节点均为球接，使得撑杆可以在一定角度内360°自由转动，以调节主体结构变形量和亚克力水屋面变形量的差值。亚克力水屋面犹如生物般感应着气温的变化，温度升高时外缘深、中间浅，温度较低时外缘浅、中间深。
5.4 完美与不完美
在工程师眼中的，工艺上的瑕疵是不完美的。例如：不锈钢焊缝在打磨时无法完全消除冷却收缩的凹陷，亚克力肋与面板在现场化学焊接时无法避免气泡的产生。与之形成对比的是，在建筑师眼中，这些瑕疵却常常是自然的。每次到现场的时候，我常常会被不锈钢柱上人工打磨的痕迹所吸引，这些凹痕像极了树木的自然褶皱，让原本过于几何化的镜面结构更自然。我们应该容许亚克力、不锈钢由于加工所产生的差异性，也正是这些误差允许范围内的差异性，使得我们的建筑物更显得有生机：那些亚克力面板上的气泡和些许的划痕，常常让我想到自然界的产物，如冰面、琥珀，这也是玻璃幕墙或铝合金型材所做不到的。每到这时，我都暗自庆幸这些工程学上的瑕疵，或许正是这些瑕疵，才让有机玻璃、不锈钢更显独特（图17）。
17 植物园内景
在未来花园项目里，新材料的应用为建筑师的畅想提供了可能。无论是有机玻璃材料，还是不锈钢材料，在项目中都被大规模、创新性使用。紧张的工期、新材料带来的一系列需要攻克的工程难题，将建筑师、幕墙工程师、景观工程师、结构工程师、机电工程师、研究机构、施工单位再度整合到一起，共同作战。
工程学和建筑学的协同是一种辩证的关系。一方面，面对新技术所需要攻克的课题，工程学的理性实践精神打开了建筑师的思路，建筑学需要重新寻找与之匹配的建筑空间形式语言；另一方面，当工程学将新技术推向某种极致的时候，建筑师需要引领空间的走向，力图在材料中发现人性，在空间中寻找人的尺度，在人工中发现自然。
②根据《建筑玻璃应用技术规程》JGJ 113-2015中7.1建筑玻璃章节防人体冲击规定。
③亚克力已有运用于建筑幕墙的案例，如Frei Otto 和Günther Behnisch设计的慕尼黑奥林匹克体育场的顶棚，中国2010年上海世界博览会的英国馆表皮。
④建筑师与工程师搭档一体化设计了许多成功案例，如伊东丰雄设计的仙台媒体中心，石上纯也设计的KAIT工坊，柳亦春设计的龙美术馆，克里斯蒂安· 克雷兹设计的一系列作品，等。
[2] 王综轶，王元清，杜新喜，等．有机玻璃（亚克力）的力学性能及其工程应用[J]．工业建筑，2015（S）：1766-1775．
[3] 王逸玮，胡卜亮．不锈钢穿孔材料在建筑上的应用现状与发展趋势[J]．新型建筑材料，2020（9）：104-106，146．
[4] 武岳，李清朋，沈世钊．基于逆吊实验原理的空间结构形态数值创建方法[J]．建筑结构学报，2014，35（4）：41-48．
图1 ：江苏园博园建设开发有限公司提供
图2、图4、图5、图14、图15、图18 ：中国建筑设计研究院有限公司本土设计研究中心提供
图3、图6～图10、图12、图17 ：作者拍摄
图11 ：郝银生拍摄
图13、图16 ：姚鸿飞拍摄
关 飞
中国建筑设计研究院有限公司本土设计研究中心副总建筑师
周益琳
中国建筑设计研究院有限公司本土设计研究中心建筑师
