贵州省地质博物馆的建筑方案设计

雷杰义

（贵州省建筑设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550000）

1 项目概况

贵州省地质博物馆位于贵阳市观山湖区云潭路与兴筑路交汇处，与贵阳市奥体中心遥相呼应。项目经贵州省人民政府批准建设，由贵州省煤田地质局、贵州省自然资源厅、贵州省地矿局共同建设的公益性博物馆。项目总建筑面积：39561.7m2；其中地下建筑面积12058.5m2（地下车道：711.7m2）；地上建筑面积26791.5m2，建筑层数：地下2 层，地上7 层；建筑密度33.9%；建筑高度：33.3m；绿地率：24.9%；容积率：1.63。项目主要功能包含地质博物馆展厅、地质资料馆库房、综合业务用房、多功能报告厅及配套用房；其中博物馆为大中型博物馆，档案库房为甲级档案库房，工程设计使用年限为100 年。地质博物馆平面图如图1 所示。

图1 地质博物馆平面图

2 建筑方案设计

2.1 设计理念

贵州是古生物化石王国、矿产资源大省，地质文化丰富多样，为了反映出贵州地质独有的特点，整体外观设计成为一块傲然屹立的灵石，让人联想起贵州梵净山著名的“蘑菇石”，以此来体现贵州地质地貌的雄奇多姿。通过提取诸多的贵州地质地貌特色和元素，融入建筑的造型和立意，力求打造城市的地标性建筑[1]。

2.2 建筑造型设计思路

“洞”：在建筑主要形象面进行大跨度灰空间的处理，抽象表达贵州地貌多洞的特点，同时也体现了贵州省喀斯特地貌“溶洞”的独有特征。

“石”：立面设计和材质纹理选择上以横向线条为主，以建筑符号的表现手法展示贵州沉积岩的肌理特征。

“矿”：建筑局部采用折叠玻璃玻璃幕墙等对建筑进行点缀，展现贵州矿产资源丰富，隐喻贵州地质人“金石不渝”的情怀[2]。

2.3 建筑造型与流线功能的结合

通过限制条件及使用需求的分析，在并不充裕的V 字形场地上放置一块“巨型灵石”，在道路转角处退让出足够宽敞的城市开放空间，通过两支沿城市道路交叉口两侧延展裙房使其悬空形成喀斯特地貌“洞”特点，将建筑功能的分区与人流的引导巧妙的结合在一起。

同时，建筑，各功能区域关系相对独立且又联系紧密；设计以“蘑菇石”为造型特点，将博物馆参观流线、对外服务流线、业务技术区流线以及档案库房流线进行统筹分析，通过疏散人数的计算将人流量进行拆分，把人流量较大的区域按不同楼层疏散至室外安全场地[3]。

2.4 复杂立面外装设计

建筑各个立面均存在不同角度的倾斜，对于石材的干挂，尤其是外倾石材及石材吊顶都有着一定的难度；建筑整个外立面需要采用石材+玻璃幕墙外装形式，局部采用金属装饰格栅，外围护结构必须兼具倾斜外墙+幕墙功能，以满足保温节能及采光要求。

倾斜外墙采用轻质节能复合墙板，轻质墙板由粉煤灰、硅酸盐水泥、聚苯乙烯EPS 泡沫颗粒、硅酸钙面板组成，天然重度≤7kN/m2。轻质墙板与石材幕墙及横向开窗共用钢龙骨体系，实现外装结构的高度整合。

考虑传统石材板自重大的缺点，且工程立面存在大量倾斜及连体部位底部吊顶，则工程石材幕墙采用石材蜂窝铝板，表面为6mm 厚石材，通过与蜂窝铝板粘接成形，自重仅为传统石材板1/3[4]。

2.5 外装构造

通过调研分析，每块蜂窝石材采用同一座山并将原山体的纹理整体对建筑立面进行排版，并进行石材的分格划分，最大限度的利用了石材最原始最真实的观感，体现“地质博物”的特征。

针对工程倾斜外墙，采用轻质节能复合墙板，轻质墙板由粉煤灰、硅酸盐水泥、聚苯乙烯EPS 泡沫颗粒、硅酸钙面板组成，天然重度≤7kN/m2。石材幕墙采用开缝式，石材板为28mm 厚石材蜂窝铝板，相较于传统石材板重量仅为1/3，与外墙轻质墙板共用钢龙骨形成整合的外墙体系，既满足外立面倾斜效果也满保证了轻质节能的要求。

2.6 室内空间

结构为实现建筑造型必须布置众多的钢斜撑，通过结构与建筑专业统筹配合，共同进行空间优化，不仅未对建筑使用功能造成过多影响，反而因结构斜撑在室内营造出独特的韵律感，突显了特殊的结构美[5]。

3 地质博物馆建筑结构设计

为实现建筑特殊造型，结构形式采用钢框架—中心支撑结构+连体及伸臂桁架梯形，且规则性超限项目达6 项，属于特别不规则结构。最大连体跨度33.6m，最大悬挑20m。地质博物馆结构设计不规则类型如表1 所示。

表1 地质博物馆结构设计不规则类型

结构设计运用结构设计软件，分析计算工作[6]。

3.1 超限结构设计

通过大震下弹塑性时程分析如图2 所示，验证了整体结构在大震下的抗震性能满足设定的目标。

图2 大震下弹塑性时程分析

3.2 关键节点有限元分析

采用MIDAS FEA+MIDAS GEN 软件，运用“多尺度分析法”针对工程大跨连体及大悬挑关键节点进行抗震性能分析，验证了结构关键部位抗震性能满足要求。

通过采用对应第三性能水准的荷载组合，按荷载组合1.0 恒+0.5 活+0.4 水平地震+竖向地震在整体模型中对各节点分别运行分析，von-Mises 应力最大值出现在斜撑上翼缘与节点板连接根部，达281.3MPa，未超过Q345B 屈服强度值，可见构件仍在弹性范围内，满足关键构件大震不屈服性能要求[7]。

3.3 结构抗连续倒塌设计分析

采用拆除构件法，通过对分别拆除构件进行分析，结果显示剩余结构在结构传力路径变化后，与拆除杆件相连的杆件最大应力均满足小于限值=215.6MPa 的判断标准，表明结构具有较好的二次传力路径及冗余度，具有抗连续倒塌能力。

验证了结构关键部位即使在个别构件失效的情况下，仍具有较好的安全储备，具备抗连续倒塌能力[8]。

3.4 楼盖舒适度设计分析

针对工程存在大跨连体及大悬挑部位，考虑该区域使用中楼盖舒适度问题，采用MIDASGEN 软件进行了楼盖舒适度分析，确保各大跨大悬挑部位人行舒适度满足要求。

4 建筑机电和空调系统设计

4.1 建筑内部空间关系复杂机电系统布置困难

由于贵州省地质博物馆的建筑造型独特，室内空间复杂，为了同时满足建筑形体和使用空间，对设备管道的综合设计带来很大挑战。同时，钢结构部分结构形式采用了钢框架——中心支撑结构，造成结构内部支撑布置众多，结构内部空间关系复杂，造成各专业间协同设计困难。

空调系统运行能耗、高大空间的冬季空调供热效果、空调系统适应室内装饰效果、纸质库房及电磁库房温湿度要求高等问题的解决，是本次设计重点和难点。

同时，对于地质博物馆高大空间，常规的喷淋系统无法满足消防需求；在会展功能区的相关用电负荷的预留及智能化的合理规划等都是本次设计重点和难点。

4.2 空调系统及恒温恒湿空调系统集中设计

其中展厅、库房、业务技术用房及会议室等功能用房设置集中空调系统（螺杆式冷水机组及带冷凝热回收装置的燃气型冷凝真空热水机组）。

纸质库房、电磁介质库房、计算机站房等对温湿度波动要求较高的房间设置恒温恒湿空调系统（直接蒸发空调系统）。

集中空调系统冷热源集中设置，冷源采用二台螺杆式式冷水机组，配三台冷冻水循环泵及三台冷却水循环泵。空调冷冻水供、回水温度14/19℃，空调冷却水供、回水温度30/36℃。热源采用带冷凝热回收装置的燃气型冷凝真空热水机组两台，配三台空调热水循环泵，提供60/45℃高温热水。能源站设备均布置在负二层机房。空调冷却设备采用二台方形鼓风式逆流冷却塔，布置在一层室外紧邻建筑外墙位置。

纸质库房、电磁库房等有恒温恒湿要求的区域及计算机房、UPS 机房等使用时间特殊的区域，每个房间独立采用一套直接蒸发空调系统。

项目空调系统设计围绕绿色、节能为中心思路进行，主要从空调系统形式、空调冷热源选择、新技术新设备应用、系统智能化控制等多方面体现，在满足项目室内温湿度的前提下，设计了一个高标准、低能耗的空调系统。

5 结语

在地质环境保护和灾后注重人性关怀建设的双重力量推动下，地质博物馆已成为当代博览建筑发展的一个重要方向。地质博物馆具有独特的性格特征，其建筑形象最直观的表征着地质独特的自然风貌并起到对地质事件的作用。通过个性鲜明的建筑设计形态向人们传达地质神韵、唤起人们对地质事件的关注是当代地质博物馆建筑创作的重要特征。