图：从景山远眺国家大剧院

位于人民大会堂西侧的国家大剧院工程，于1998年4月由国务院批准立项，2001年2月中央政治局常委会讨论同意其可行性研究报告，2001年12月13日正式开工。迄今为止，2/3的工程量已经完成，预计2004年年底可以完工，2005年将进入设备调试和试运营阶段，按计划2005年9月正式启用。 
这项工程从6年前的国际招标开始，引起了社会的广泛关注，并引发了整个建筑界的争议和思索。对于安德鲁的中标方案，一直以来褒贬不一，争议伴随着建筑的落成此起彼伏。实际上，在任何一个建筑落成及运营之前，为它“盖棺定论”都为时尚早。因此，还是让我们以平和的心态关注“过程”。对大剧院“生成”过程的客观记录，更有助于我们深入思索中国建筑的发展问题。 
毋庸置疑，安德鲁的国家大剧院方案很有特色，三个独立的建筑主体（歌剧院、戏剧院、音乐厅）被超大型壳体完全覆盖，壳体周围又环绕着巨型水面，观众经由水下通道进入建筑主体。正是这些特色引起人们对大剧院的穹顶安装及清洗、剧院安全、防火、防震、保持水面恒温等方面的技术问题，以及剧院功能问题的广泛争议。安德鲁认为，正常的争论是使一个建筑设计日臻完美的重要因素，在方案修改及施工过程中，法方及中方设计合作单位北京市建筑设计研究院充分考虑批评意见，通过审查者、施工者的检验与配合，共同努力，使实施方案更为合理完善，施工得以顺利进行。 
通过对国家大剧院工程的记录，将逐一展开人们心中的疑问，相信在解开疑问的同时，将使以后人们对国家大剧院的评价更为客观而中肯。

一 、 穹顶 
壳体钢骨架施工 
在安德鲁关于国家大剧院的浪漫构想中，施工难度极高的大穹顶是整个设计的核心。被称为“湖上仙阁”的超级椭球体钢结构外壳，东西跨度212.24米，南北跨度143.64米，穹顶标高46.29米，其钢结构总重6 750吨，网壳面积3.5万平方米。整个结构内部没有立柱支撑，全靠148榀弧形钢梁承重。 
如此高、重、大的曲线壳体在世界上堪称罕见。 
为把这一设想付诸实施，首先要解决吊装精度问题，因为工程要求不能出现1毫米的施工误差。由于缺少国内有经验的设计顾问单位配合与技术支持，施工单位只能边施工边摸索，还真想出了不少好点子。比如法方曾要求钢结构穹顶整体要先预拼装一次，这意味着至少需要一块213米×144米的工地，在吊装、设备上都不可行。江南重工就建议将难度最大的环顶梁预拼装，其余采取平面预拼。再比如原先方案采用小节点螺栓连接，而上海工程师提出改用管子套筒焊接，使每个铸钢件的重量从100余千克“瘦身”到34千克。这些建议都得到采纳，仅此两项就节约了施工费2000余万元。 
上海建筑工程总公司机械施工公司也为此进行了长达两年的技术准备，先后攻克了壳体施工过程中整体结构稳定、曲面结构高精度测量、百米超远距离吊装等一系列难题，形成了一整套与国家大剧院结构特点相吻合的“中国式”的科学施工方案。仅用76个实际工作日就完成了原计划需要半年的钢结构安装任务，创造了世界罕见的巨型壳体钢结构安装的“中国速度”。 

壳体表皮安装 
在钢结构之上，作为屋面的壳体最外层由铺设在KAL-ZIP铝合金龙骨系统上的2万多块钛金属板和1200多块大小不等的有色玻璃幕墙组成。 
钛金属板的厚度只有 0.44 毫米，既轻且薄，如同一张薄薄的纸，因此，下面必须有一个由复合材料制成的衬板；每一块衬板也将切割成与其上的钛金属板同样大小的尺寸，工作量非常大。由于壳体的椭圆造型，每一块钛板都变成一个双曲面，面积、尺寸、曲率都不同，因此，安装角度总在变化，施工难度也就相当大。 
由于钢材与玻璃的膨胀系数差异很大，钢材与玻璃的结合问题最初也被视为技术难点。一方面玻璃要安装得非常精确；另一方面，装上玻璃的钢结构往往会在一段时间内产生变形，钢结构一闹别扭，原来装得严丝合缝的玻璃，也会变得参差不齐。这个问题是所有幕墙施工时都会遇到的，施工中钢结构变形的实际情况是:总的胀缩量较大，但经过平均，分担在每一部分上的胀缩量就很小了。比如穹顶上环梁计算胀缩量为8厘米，但是平均到环梁周长上的每个点，钢材胀缩量仅为零点零几毫米，并不影响大局。 
即使这样，为确保施工精度，工程人员对钢结构的变形问题还是做了充分考虑。计划先装上中间部位的玻璃，等钢结构变形完之后，再根据变形后的尺寸进行安装。目前，解决方案还在进一步完善中。 
此外，由于支撑钛金属板的钢结构中有5000多个结点要穿过屋顶防水层，所以，如何确保这5000多结点个个都“滴水不漏”，对施工质量也提出了很高的要求。 
为使整个屋面设计达到保温、防水、密闭等效果，有关方面进行了长期的屋面安装模型实验，方案进一步优化后就可以开始施工。届时，坚固、耐用、透明的太空金属将把大剧院外观装扮得格外耀眼。 

壳体清洁保养 
最初阶段，安德鲁对壳体清洁保养问题的解释非常浪漫：建筑不能总保持一种状态，应该如四季一样富于变化，有时干净有时脏是很自然的。但北京不像欧洲，灰尘风沙特别大，恶劣的“自然变化”结果并不在人们审美心理的认同范围内，因而壳体的清理就是必需的。 
有关专家设想了许多解决方案，比如钛板本身设计为活动的，其下有槽，支出来便可接受清洗；再如采用纳米自清洗玻璃，自清洗钛板技术等，但这些方案由于技术及造价等问题都难以实施。 
最后，大剧院业主委员会决定与北航机器人研究所合作，提供实验费用，研制一种机器人“清洁工”。目前，样机已经制作完成，有望解决这个问题。 
此外，屋面钛板之间预留10厘米的缝，当雨水由上冲刷下来时，泥沙不会累积，而是通过每道缝流到防水层，然后再被集中处理。这种手段有效减弱了泥沙对钛板的污染。壳体钛板上也预留很多挂钩、挂点，以便维护人员上去进行清理工作。再加上定期使用预留的喷淋设施进行清洗，保持壳体清洁不成问题。

图：国家大剧院远眺                            图：街景

图：壳体结构施工                              图：壳体结构吊装

二 、 安全问题 
基础防水问题 
国家大剧院所在的北京地区，属于8度抗震地区。由于其性质为特级建筑，使用期限为100年，因此，抗震设计是按9度设防9度构造标准进行的。建筑各部分材料计算用量相对较大，基础局部埋深可达32米。 
大剧院基坑工程属超深、超大基坑工程，整个底盘面积相应也很大（一层3万多平方米），像一个巨型筒状物深埋地下。在施工设计过程中，许多难题的解决颇费周折，其中最棘手的是解决基础的防水问题。 
虽然北京现在地下水位较低，承压水位为-18米，但是由于大剧院基础非常深，地下水压达十几吨，而三个主体建筑(歌剧院、戏剧院、音乐厅)基础之间又要求设沉降缝，为避免隐患，对基础防水问题就提出了更高要求。 
通常，建筑基础的防水处理措施为刚性防水加柔性防水处理。考虑到大剧院超深超大基础的特殊情况，为抵抗地下水压，提高基础抗渗性、稳定性和耐久性，施工设计采用全部刚性防水加隔水层的措施，确保地基安全。 

通风问题 
一般而言，一个大壳体覆盖于地面，没有任何门窗通向室外，排烟换气必然成为问题。不仅如此，2003年的SARS疫情对国家大剧院这样的密闭空间的通风问题也敲响了警钟。 
为解决排烟换气问题，工程人员在壳体南区设两幢机房，其中东南角为排风排烟机房，它把国家大剧院需要排走的烟和气经由通道抽到地下室，从基础排走。因此，基础不仅要满足抗弯抗剪的要求，还要充分利用其箱形结构空腔，配设相应“风道”，承担送风、排风的功能。 
大剧院的室内空气完全依靠中央空调来调节，这就对空调的健康功能提出了一定要求。在SARS之后，大剧院的工程人员对空调的安装、回风系统、新风机组的标准等做了相应提高，进一步完善，以确保中央空调符合健康标准。在几近封闭的空间内，创造出接近自然的清新空气。 

防火问题 
紧急情况下的防火疏散问题，不仅是技术问题，要解决它，还要对现行规范中不合时宜的部分做突破性的改进。二者同时并举，问题才能得到有效解决。 
最初，按照中国的现行规范，国家大剧院这样的特殊建筑根本不可能通过。后来，消防审批部门及公安部的防火专家与法国专家针对大剧院的防火疏散问题进行了反复探讨，得出的结论是“现行规范无法涵盖此类建筑”。这并不代表否定。相反，它表明，像伴随新问题的出现而不断修订的法律一样，建筑规范也应具有“与时俱进”的精神。出现新问题，就要有新的研究对策、新的规范出台加以补充，以利于社会的良性发展。 
从国家大剧院开始，相关审批部门引进所谓“性能化设计”，即一种新的审批依据。过去我们完全按照规范条文来限制设计，非常机械，现在这项依据的优势在于：以定量的方式让所谓“安全”计算更科学、更合理，同时也更安全。设计时，先在电脑上模拟建筑实体，并附上预选材质，然后对每种材质做详尽的安全计算。建筑物各部位结构及装修材料（如金属、塑料、木材等）甚至包括室内选用的家具材料，一旦被点燃，它们的燃烧值、燃烧时间、排烟量、毒性，以及对结构的破坏作用等都被准确地计算出来。在此基础上进行消防设计，就可以做到量化而且非常有针对性。 
具体到大剧院标高±0.00以上的大堂部分，如何对其进行消防设计? 依照新的安全计算标准，就需要考虑地面石材、灯具、装修材料等散出的烟对结构及建筑其他部位将会造成多大破坏作用，甚至还包括在结构附近有人放火的情况。经过这样有针对性的安全计算，防火分区的设定更加科学化，相关防火措施效果也更好。比如大厅内增设一些“水炮”，当火灾发生时，消防队员进入建筑把水炮推出来即可进行扑救工作。 

疏散问题 
消防设计中, 除了采用安全的防火措施及扑救设施以外, 还必须合理地解决疏散问题。在设计之初, 如何迅速将观众及演员安全撤离, 是需要解决的棘手难题。 
传统认为，疏散距离是火灾发生时，人从室内跑到室外的距离，到达室外就等于达到安全区。其实并不尽然，应该这样认为：只要达到安全标准，无论室外还是地下，都应是安全区。所以，设置地下“安全通道”就成为解决疏散问题的主要途径。安全通道设计完全符合防火要求，耐火极限达到两三个小时，通道内没有任何其他设备或用途，只担当疏散任务。大剧院共设计了四条这样的通道，南北各两条。为确保安全，疏散规范采用了更为保守的计算方法，通道宽度最终是按1.5万人能迅速撤离的标准设计的。 
此外，在剧院与露天水池之间还设计有一条宽达8米的环形消防通道，走廊虽然位于地下11.5米处，但却是露天的。消防通道可容纳两辆消防车并排通行，同时还留有2米宽的人行通道，消防队员也可通过该通道及时到达着火点。消防通道的存在，将为人们的安全撤离赢得时间。 
为实现并完善法方的设计理念，中方合作单位北京市建筑设计研究院做了种种有效的努力，对于安全问题的解决，最后的方案虽不能说尽善尽美，但却充分挖掘了现有技术设备的潜力，实现了对现行规范的突破与更新，对之后的奥运场馆项目的建设具有极强的指导意义。

图：壳体结构吊装

三、人工水面 
水面恒温技术 
安德鲁设计方案的特色不仅在于那个大壳体，更在于环绕壳体的水面。效果图上的国家大剧院四周是碧波荡漾的水池，柔和的具有金属光泽的壳体在夜晚被灯光映衬，与波光粼粼的水面交相辉映，景色壮观而富有想像力。到了冬天，环绕大剧院的水面变成了冰场，人们在其上滑冰，场面将非常生动。法方一直坚持要实现冬季水面结冰的构想，而北京环境污染的实际状况却无法支持这样的浪漫理念。结冰后，清理工作很难进行，清澈的水面有可能变成混浊的固体。法方相关设计人员在中国的两年间，亲眼目睹北京冬天水面结冰的现状，在施工图后期，终于同意中方意见，将露天巨型水池的温度始终控制在0℃以上，实现“冬天不结冰，夏天不长藻”的效果。 
而有效控制水温也是个难题。用传统的电加热等方式，不仅消耗能源且难以控制，加热温度若高，水就变成水蒸气，水面就像开锅一样了。最后，工程人员决定采用潜层地下水热交换技术，以保持水温在0℃以上。为优化技术方案，去年建起一个模拟实验池，规模如同水池的1/22，通过实验，已找到该技术的热消耗量等重要参考设计值。另外，解决最冷时水面结薄冰的问题也很关键，入口玻璃通廊上的水面只有10厘米，如果结冰，整个水循环系统就会被破坏。

水面做法 
大剧院周围水面有2万多平方米，面积虽然很大，但其设计深度只有40厘米，因为太深很难保证水质，尤其在北京风沙天气的情况下。 
具体做法是将巨型水面分隔为22个格，在分隔水面的肋上面留10厘米水面，以保证整个水面既分隔又连通。清理和检修时，打开其中一格放水即可，节约水量。在作为观众入口的水下玻璃通廊处，为了保证整个水面平整，其上水面高度只有10厘米。这样处理的目的在于，发生紧急情况时，即使玻璃碎了，下落的水也不会把设备或机房淹掉而造成过大影响。通廊下的人群则可通过廊内8个应急疏散口，达到其下面及两侧的4个安全通道。 
这10厘米水面也许没有设计初期所描述的那种海底世界般美好的感觉，但这样的设计将会有一个更积极的效果。比如，浅水的透明度高，光线穿透力强，尤其在夜晚，当人们行走于这80米通道时，透过水面能看到影影绰绰的晶莹的大剧院。 

水池构造细节 
为了使这2万平方米的巨大水面达到一些特殊效果，还需要对水池进行部分构造细节设计。例如，水池中心部分沿大壳体（周长900米）周围，如何形成一个水流连续的小瀑布？要实现它，技术上就需要保证周长900米的瀑布口水平高度相差不到一两毫米，这个要求土建施工难以满足。最终的实施办法是在池边上设一圈长短可以控制的插板，用以灵活控制水面高度，使这一圈水都能均匀流下。 
按照设计要求，水池底面由池周边向中间呈曲线逐渐汇集，像一个盆形。这样，池底铺装的每块石材表面都变成双曲面，加工难度非常高。香港建设有限公司对石材的放样图，持续2个月都没完成，而且每块石头的成本核算要2万多元人民币，对于这么大面积的水池也相当不经济。设计初期，法方还设想池底由外圈向中心倾斜60厘米，试图依靠水面自身冲力带走杂物，净化池底。而一定的冲力又很难保证水面的平静，且造价和难度都很高。经反复研究讨论决定，保持池底水平，石材与底面脱开，架空一部分。这样，沙子等杂物可以由水流从石材的空隙落入架空层，若进行清理，只要把活动石材挪开即可。这样做造价较低，效果也不错。

图：钛板下的衬板安装                          图：穹顶下的剧院主体建筑

图10.国家大剧院正面透视 

图11.人民大会堂与国家大剧院 

四、内部处理 
人性化设计 
除了一些技术难题的解决，在功能上，综合各方专家意见，法方对原设计进行了一些修改完善，使其更加人性化。例如：对剧院的入口设计就做了不小的改动。最初是先走入地下，通过地下通道再上来进入剧院，现已改为通过地下通道直接进入大剧院，这样使观众避免有重复和繁琐的感觉。同时，还有另外一些小的变化。比如，原设计中在底层的小剧院，现在已经转到建筑上层。为强化功能和降低成本，一些辅助服务的功能设施，如画廊等，经压缩、合并后也在原设计基础上做了相应改动。在大剧院主体建筑之外的东南角还增设小音乐厅以满足使用需要。 
具体设计细节包括，演出厅内的屏蔽设计，可以阻断手机信号，观众再不会在演出中受到手机铃声的干扰，但是在公共大厅内，人们却可以尽情地与亲友通话，因为那里的信号是经过无线通讯站放大的。大厅内设有很大的存衣间，观众不必再在演出前为存衣存包而着急上火；地下二层设有约1000个停车位；剧院东南侧小音乐厅的地下，有一个可供千人就餐的咖啡厅。 

装修设计 
目前，工程已进入建筑内外装修和舞台机械的安装阶段，对于许多细节问题的处理也相当关键，安德鲁和中方负责人一起进行反复比较、斟酌，使设计思想得以贯串始终。 
在内部装饰材料的质地和颜色选择上，设计师态度非常认真。比如大堂地面的铺装问题，若按一般石材分隔方法，由于地面形状的特殊性，会产生很多异形石材，很难拼出完整的图案。反复推敲后决定地面拼图采用不规则形式，大部分用灰色石 材，其中少量配置具有鲜艳色彩和纹理的石材, 纹理呈放射状，随机地交织在一起，构成一张富有想像力的抽象画。室外“人工湖”池底石材的选择也同样曲折而有趣。比如水池的石头到底选什么颜色，深色的还是浅色的，深到黑色？而纯黑色肯定不行，因为水面很浅，白色如金属反光的也不合适。最后选中“承德绿”，其上有黄色杂点，当置入水中时，石材上的点状物与水中悬浮杂质融为一体，效果较令人满意。 
整个内外装修材质选择的目的性都很强，因此不得不做各项实验性比较。对栏板的选择就颇费周折。安德鲁很欣赏中国雕漆工艺，但强调不采用传统符号形式，不去模仿，希望对传统工艺进行现代化利用，使其具有传统的“痕迹"。他亲自到雕漆厂参观制作工艺流程，希望从他们制作的过程中得到某种灵感启发，比如与工人一起研制用一套新工具在未干的漆上“抓”，造成某种形式的效果。这种研究及创新的精神贯串整个设计始终。 

剧场设计 
剧场的现代化不仅表现在舞台和后台的设施方面，舞台本身的设计也应充分考虑各种演出要求。以前，中国的舞台设计要求台口高而宽，实现大歌舞排练演出需要（比如应对“东方红”那样的大场面）。而事实上，这种场面的歌剧寥寥无几，如果舞台设计满足了大歌舞的需要，相关设计指标反而构成对其他演出形式的限制，甚至带来负面影响，令许多剧团望而却步。 
国家大剧院的舞台设计不仅充分考虑了演出的实际需要，而且剧院的声控及光控系统也采用了新技术，极大提高了剧院室内音质效果。以前，面光设备被置于观众席底层，它的开槽对声音的吸收作用非常明显，其中对舞台上演员的影响最大，演员的声音顺着光线打来的方向被面光槽吸收。由于现在相关设备已经更小型化，更安全，设计就进行了突破，面光从楼座打出，有效减弱面光口对声音的吸收作用。 
剧场采用维多利亚式的马蹄形剧场设计，观众在每一个座位上都可享受到最好的视距和音响；座椅及行距都很宽敞，满足观众的舒适性要求。艺术家也将享受到应有的贵宾待遇—剧场内设有5个排练场、32个琴房、80个化妆间，许多化妆间内还带有卫生间和淋浴设备，演员们再不用挤在一间屋子里换装或者找不到休息和练琴的地方了。 
舞台机械部分在技术上除实现了计算机控制外，没有太大创新，但却极为复杂。设计采用了德国和日本以及国内的一流设备，目前正在进行安装，施工慎之又慎。

五、 结语 
国家大剧院的施工仍在有条不紊地继续进行，人们关于大剧院的想象逐渐随之落幕。安德鲁对自己的设计方案非常自信：“也许，在成为一个看得见、进得去的建筑之前，人们很难想象它的美丽。而它一旦建成，人们就会明白为什么要这样设计，而不是那样设计。” 
无论最终的评价如何，大剧院的建造过程已具有积极意义。为解决消防问题而出台的“性能化设计”审批依据，对奥运场馆项目建设具有很强的指导作用；为保持人工湖恒温，采用的潜层地下水热交换技术，对奥运公园的巨大水面处理提供了选择；钛板屋面的建成，也将带动国内建筑业对钛板的了解和应用。

图：穹顶下的剧院主体建筑

图：穹顶下的剧院主体建筑                         图：椭圆形楼梯口

图：壳体钢结构细部

图：钛板细部