拉膜结构在文化遗址保护设计中的应用

于建勋

（山西鼎隆建筑装饰工程有限公司，山西 太原 030006）

1 引言

标题中提到的两种元素，一新一旧，一实一虚，看似没有什么联系，但是就在一次翻看杂志的时候，极其偶然的看到一篇介绍索膜结构建筑的文章，它的开篇是这样写的：“最早的索膜建筑是远古时代人类居住的帐篷，……。”远古时期文化的典型代表——半坡文化遗址的保护与规划吗？因此，一个关于半坡遗址保护厅建筑设计论文的想法由此而生。

2 造型与结构概念

类锥型悬链面单元是空间张力膜结构的基本形体体系单位，现代膜工程的开拓者德国学者奥托早期用实验方法把皂泡膜原理应用到膜面结构找形分析中。它依据的原理是，皂泡膜中任一点对任意轴的拉应力都相等，也就是说，皂泡膜构成的空间曲面是等力极小曲面。

膜结构：轻柔的特性造就独有的非直线设计；双向张力+钢索实现大跨度、大空间；挥洒建筑师艺术表达自由、展示结构师超凡实力……。膜结构可以从根本克服传统结构在大跨度（无支撑）建筑上实现所遇到的困难，可创造巨大的无遮挡可视空间，有效增加空间使用面积。

而遗址保护大厅的一个特点就是需要对遗址的绝对保护。对于半坡近3000 m2的展示面积，就需要设计大跨度无柱的空间。这样既保证了展示空间的完整和视觉的干净，还确保了对遗址的最小破坏。本方案通过比较，选择了主桁架加稳定斜撑的结构方案，每跨跨度为48 m，斜撑长度为25 m，均为桁架结构。这样总共只需基础7处（外加4处索栓挂点），大大减少了对遗址的影响。在梯形的主桁架上立格构式钢柱，在柱上挂索，索上覆膜。这样，膜材本身就承受活荷载，包括风压、温度应力等，膜既是覆盖物，亦是结构的一部分。

3 题目背景

西安半坡遗址位于西安市东郊 河东岸，是黄河中下游流域一个典型的新石器时代史前文化人类聚落遗址，距今6000多年。1953年，中国科学院考古所发现了半坡遗址，出土了大量珍贵的陶、石、骨质工具、用具与艺术品，还发现了数百座房屋、窑穴、陶窑、围沟、墓葬等遗迹。它的发现再现了中华民族在黄河流域生活、繁衍、奋斗、发展的历史，对认识关中地区乃至黄河流域的原始聚居文化以及半坡类型与其他类型仰韶文化的关系，具有关键性的意义。

在考古工作基础上，1958年国家文物部门建立了西安半坡博物馆，这是中国乃至亚洲第一座遗址博物馆。博物馆建馆40余年，接待游客超过2000万人次，是我国重要的历史博物馆和100个爱国主义教育示范基地之一。

经过长达半个多世纪的考古和历史研究，一方面人们对半坡遗址的认识有了长足的进步，文化遗产保护理论也趋于成熟；另一方面，半坡博物馆周边环境也发生了巨大的变化。时代和城市对半坡遗址的保护和利用都提出了更高的要求和挑战，为此，陕西省文物局、西安市政府和半坡博物馆提出重新制定半坡遗址保护规划，建设半坡遗址公园，改造和重建半坡遗址保护大厅（图1）。

图1

4 设计要求

4.1 馆址的无选择性

遗址博物馆是社会文化教育单位之一。遗址及遗址出土的文物、遗迹、展品是遗址博物馆的主要内容。而根据《文物法》对土遗址的要求，应该采取原址保护的方式。遗址的陈列、展示大厅也只能建筑在遗址的当地，即“因址建馆”。

4.2 要求环境的适应性

遗址博物馆建筑在遗址原来的位置上。其原来区域上的文化内涵必然丰富。对遗址博物馆来说，要求周围环境不改变或与遗址原来的环境相近似这一点，较其他类型的博物馆要严格得多，应该尽可能地保持遗址的原有风貌。

4.3 建筑形式受遗址的制约性

遗址博物馆一般具有断代性和专题性，对建筑形式的要求也具有特殊性。博物馆的建筑形式，要求符合该遗址的专题文化内涵。一方面，它的建筑规模必须受遗址规模的制约。馆的大小要由遗址的面积决定。另外，从建筑形式上，也必须能反映遗址的文化特征。因此，建筑设计必须依据遗址的规模、数量、形式及本质的文化特征来考虑形式设计的要求。

由于遗址保护的特殊性，对遗址保护建筑也提出了特殊的要求：①遗址保护建筑必须与遗址当地的自然面貌与人文特征相结合，成为遗址当地的一处人文景观。②保护建筑是直接建立在遗址上的，使建筑设计、建筑施工的过程中，必须考虑到对遗址及遗址中的文物、遗迹的保护。遗址上的建筑面积、平面构图必须依遗址的形状为标准，而且要超过遗址的面积，使遗址全部都能包容在建筑下。

5 保护文物场所设计要求

半坡遗址出土了大量的屋址、柱洞、窖穴、围沟等不可移动的土遗址，按照《文物法》的要求，应该采取原址保护的方式。在所探明的遗址范围中现在仅仅展示了西部将近3000 m2的范围，针对这3000 m2的揭露展示，必须是在保证遗址本身的完整性和真实性的基础上的。这就要求保护大厅的建筑基础不能落在古遗址的文化层上；为了不破坏遗址的原貌，应使用可以还原的结构、材料形式；保护厅的建筑在满足常规建筑防火、疏散等要求的基础上，还要考虑针对土遗址的温湿度和防风化等影响的设计问题。

图2

膜材具有较好的阻燃和耐高温性能，可以很好地满足防火要求。而针对土遗址的防火措施则不能像一般建筑那样采用喷淋等有水作业，因为这样会对遗址造成不可挽回的破坏。因此，只能使用干粉灭火器或泡漠灭火器。

对遗址大厅的设计，必须设置前厅或者过厅，一是减缓外界环境的突变对遗址造成的破坏，再者也是净化参观游人和参观环境的必要空间。遗址保护厅的内部应保证温湿度的控制，防止温度冷热变化使遗址开裂、脱落等现象。

6 设计过程

设计的本质在于它具有个性的发展过程，“Work in Progress”这个源于英语的概念意旨：为实现最初目标所进行的一系列分析，推敲及完善工作。

蛹吐丝形成茧子，最后变成蝴蝶的现象给人们这样的启示，一个自然而精美的形态总是在经过一系列的演变后得以形成的。

与此同时，2018年我国天然气市场化改革快速推进。2018年4月，国家发改委、能源局出台《关于加快储气设施建设和完善储气调峰辅助服务市场机制的意见》；5月，国家发改委出台《关于理顺居民用气门站价格的通知》，天然气定价机制进一步向市场化迈进；同月，国家发改委出台《关于统筹规划做好储气设施建设运行的通知》，我国天然气管网改革加速。

40多年前由苏联专家协助设计建造的保护大厅反映了当时的建筑风格和生活状况。21世纪的今天人们尝试一个突破：自然形态与功能的完美结合，寻求一种从内容到形式都有别于常规的保护建筑形式——使用拉膜结构，（图2）全新阐释半坡文化的历史风貌。为了这个不同寻常的设想，笔者查阅了相关的资料，甚至向膜结构设计公司咨询、索要资料。幸运的是通过各方面的支持，使笔者坚持做了下来。通过制作模型和电脑建模，使笔者更加认定了它的可行性。在这里，保护建筑、生态与技术得到了充分的揉和，它不只是个保护大厅，更将作为21世纪人们对远古文化的全新诠释。

图3 设计草图

6.1 承上启下的设计

走在遗址大厅里，在昏暗的灯光下观看遗址，那大大小小的柱洞、屋址仿佛在演出一幕先民日出而作，日落而息的场景。通过考古复原，人们可以看到当时的房屋的形象，有的是双坡屋顶的，有的是四坡屋顶的，可以想象当时围沟内“帐篷”成群的景象。现在的半坡遗址博物馆的大门的造型就是取自“木骨泥墙”的半坡房屋的造型。

在新的世纪里应该使用新的建筑形式，而膜结构建筑正好可以充分满足需要。膜结构中的“类锥型悬链面单元（帐篷膜单元）”是本次方案设计的最佳选择形式。它是由悬链线绕中心轴旋围合而构成的空间曲面，俗称帐篷膜单元。帐篷是人类早期用兽皮（膜）为材料构筑的建筑空间，现代索膜结构延用并发展了它的构筑模式。

图4呈现在人们面前的将是一个“大帐篷”，最高点为14m，东、西两厅上空各起一个膜构屋顶，屋脊处各起两个峰，一高一低，成三角状向内聚合，这样使两个屋顶既是独立的两个部分，也可以构成形式上的完整、统一。屋顶的正对两脚落地，这样，屋顶就不是单纯的屋顶了，它还充当了立面的效果。整个膜结构屋顶以白色为主，围合部分选择土地的颜色，深沉而稳重，几乎可以与地面相揉和。在杨柳的衬托下，你可以说它就是“半坡村”的一个大房子，位于村落的中央，每当有重大事情时，村民都会聚集在这里。你也可以说它像一个未完成的考古工地的临时帐篷，考古工作者还在里头发掘研究。你还可以说它就像一把撑开的大伞，为遗址遮风避雨。它的造型为每一个看到它的人提供了宽阔的想象空间，同时，它也的满足了半坡历史信息的延续。

图4

6.2 生态与节能

当我们在进行项目设计的时候，应该考虑到如何让我们的环境更人性化，更加的生态。无论从设计上还是技术上，膜结构可以提供一个非常生态的建筑形式。

采用双层膜结构，在两层膜结构之间形成空气层，帽顶留有通气孔（图5），这样，通过风压和热压的作用产生空气流动，带走热量，减小人工控温的能源消耗。另外，它的材质是织物材料，有很好的透光性和较高的反射性及较低的光吸收率，并且热传导性较低，这极大程度上阻止了太阳能进入室内。

膜材的半透明性保证了适当的自然漫散射光照明室内。膜材的透光率通常为20%，且能反射掉95%的太阳能热量，故既能节约室内照明用电，又能保证室内温度适宜，非常符合节能要求。如果夜晚反打灯光，整个膜结构呈透明状，非常醒目。

膜材还具有自洁性。其表面加涂的防护涂层具有耐高温的特点，而且本身不发黏，这样落到膜材表面的灰尘可以靠雨水的自然冲洗而达到自洁的效果。

图5

7 结束语

拉膜结构设计已有数10年的历史，是设计师发挥想象力重要的材料和建筑形式，被誉为“梦幻材料”。目前，膜结构90%都是公共建筑。在公园、体育场馆、车站、机场、港口、展览中心、路桥收费站、停车场、加油站、户外公共环境等场所，都有膜结构工程的身影，膜结构建筑往往都成为城市、建筑群体的视觉中心点。膜结构独特而富有美感的形体、舒展的空间和亲和力，一直受到公众的赞赏。目前，在全球，拉膜建筑无论在工程还是在科研领域都处于热潮中。索膜建筑功能的多样化和使用领域的不断扩展，结构跨度或高度不断增大，使索膜结构体系成为标志性建筑。由于材料科学的迅速发展，新的优质建筑膜材不断出现，再加上膜结构特有的柔顺曲面、广阔空间、半透明的室内环境，使得膜结构具有广阔的发展前景。在追求自然和环保的今天，拉膜结构设计正悄然走进人们的生活。