上海天文馆：设计团队详解全球最大天文馆的硬核建筑技术奥秘

如何用建筑空间语言来表达天文学概念？形体极不规则的建筑造型如何通过现代建造技术来实现？建筑结构设计经过怎样的巧妙计算？全生命周期的BIM信息技术手段如何节省人工和成本？可持续发展的机电设计融入了哪些元素？

上海天文馆（上海科技馆分馆）位于上海浦东新区临港新城。华建集团上海建筑设计研究院与ennead建筑设计事务所联合设计的上海天文馆与上海科技馆、上海自然博物馆共同构成“三馆合一”的大科普格局，力争成为国际一流的天文科普传播中心、宇宙科学体验中心、科学文化交流中心和社会创新实践中心。项目包含主体展馆、大众天文台、魔力太阳塔、青少年观测基地等建筑单体，是全球建筑面积最大的天文馆，也是临港新城的标志性建筑。华建集团党委副书记、总裁沈立东介绍到，此次天文馆设计是华建集团对标“最高标准、最好水平”，立足“中国设计、上海服务”，服务好临港自贸区新片区建设的重要举措。设计团队用匠心和智慧，为临港这片自贸区沃土打造了一张耀眼的文化名片，为上海建设卓越全球城市贡献了中国设计力量。

上海天文馆以“连接人和宇宙”为主题，以“塑造完整的宇宙观”为愿景，以“激发人们的好奇心”为使命，规划有“家园”、“宇宙”和“征程”三个核心展区。华建集团上海建筑设计研究院党委书记、董事长姚军介绍到，上海天文馆作为全球最大天文馆，是“上海设计”在文化建筑领域的又一重大突破，复杂的“三体”结构，全生命周期BIM技术运用，使得上海天文馆极具时尚感和未来感。

1. “轨道运动和引力”打造全球最大天文馆

上海天文馆的设计出发点是以建筑语言来表达天文学概念，运用轨迹、球体、曲线、悬浮等手法，创造出独特的建筑形态和空间，让人漫步建筑中，处处可以体验到天文现象。

华建集团上海建筑设计研究院总建筑师、天文馆项目中方设计总负责人刘恩芳介绍到，华建集团上海院和ennead建筑设计事务所有幸合作设计上海天文馆项目，两家设计机构都是享誉社会、设计诸多富有盛名的文化博览项目的公司。这次联手合作，通过独一无二的与天文学密切相关的构思、全新建筑语境的表达、全过程高完成度的诠释，向人们展现了这个建筑的学术使命和社会使命。

设计遵循的天文学原理的构思蕴含在总体的布局、参观者流线、室外场地活动、主建筑的三个“天体”中。从上空鸟瞰上海天文馆，整个建筑群通过弧形轨迹的路径，像星空一样分布在大地上，独立而有机，构成了这些建筑与场地的关系、与城市总体规划的关系。设计团队巧妙地调整天文馆球体与滴水湖的比例，正好映射了“太阳”和“地球”的关系，意味着，天文现象无时无刻不存在于城市空间中。这些轨道的动态能量也激发了整个建筑的活力。

2. “三体”结构让建筑成为“天文仪器”

上海天文馆的主体建筑由两个椭圆形相互交叠错开而成，这类形体极为不规则的建筑，无论是设计上，还是建设中，都给结构工程师们带来了极大的挑战。从空中俯瞰建筑，其中有三个明显的圆形部分，就是此馆最为复杂的建筑结构，即“圆洞天窗”、“倒转穹顶”、“悬浮球幕”。

华建集团上海建筑设计研究院结构总工程师、空间结构院院长李亚明介绍到，上海天文馆的结构设计存在很多难点，大悬挑跨度大、体系复杂、形状特殊等都带来极大挑战。入口圆洞天窗是目前全国最大悬挑之一，倒转穹顶又采用网壳结构，悬浮球幕运用BIM进行模拟等等，通过设计师不懈努力，最终实现震撼的建筑效果。在这里，建筑挑战了技术，技术成就了建筑。

1）圆洞天窗——日晷

“圆洞”悬浮在天文馆主入口的上端，见证了时间、空间的互动，圆洞的倾斜角度与太阳的高度角相对应，穿过“圆洞”的日光在下方广场上形成光斑，随着时光流逝，光斑在广场和倒影池中移动，让参观者感受到时间变幻的光影。实际上，圆洞天窗配合特殊的地面铺装形成了一个简易的日晷，实现了建筑本身成为天文观测装置的设计初衷。

带有圆洞天窗的悬挑结构是主体展馆的二层展厅，在悬挑距离超过40米、跨度超过60米、相当于4个标准的篮球场的范围内，没有一根柱子或其它支撑结构。可以说，是建筑结构成就了建筑之美。

2）倒转穹顶

进入主体建筑，首先映入眼帘的是中庭顶端的倒穹顶——直径约45米的铝合金单层网壳结构。阳光透过倒穹顶顶部的天窗洒向中庭，证明地球自转的经典科学装置傅科摆从倒穹顶底部悬吊下来，一个形似天体轨道的螺旋坡道在中庭内环绕傅科摆盘旋上升。

倒穹顶上部屋顶有一个观星平台，可同时容纳多人进行观测，设计团队利用倒穹顶的高差来消除外界的影响，重新创造了一个地平线，让天文爱好者能够不受周围任何建筑物的干扰来观察斗转星移。

3）悬浮球幕

上海天文馆的球幕影院是一个悬浮在空中的巨大球体，几乎看不到这个球体与主体结构的连接，仿佛失去了重力。这个直径约30米的球体，仅靠6个侧向支撑点与下方的混凝土壳体相连，而球体与壳体之间的缝隙形成一道圆环天窗，日光穿过天窗洒向室内，在室内的地面上形成“日蚀”。随着太阳位置的变化，光影也随之改变，从一个完整的圆环变换到一个新月形。人们可以在这里从光影变幻和空间体验中感受戏剧性和神秘感。

3. 全生命周期的BIM技术

上海天文馆造型奇特，几乎没有一面墙、一个屋顶是平直的，这样一个异形曲面的建筑究竟是如何落地的？设计师们用怎样的方法才能让建筑工人们用最短的时间建造出来？这全部得益于一个神秘推手——BIM技术。所谓BIM，就是建筑信息模型，也就是在计算机里，通过设计软件，搭建好一个上海天文馆的模型，将建筑设计、结构设计、机电设计统统融入到一个模型中，综合解决问题。

而且，BIM技术是全生命周期的应用，不仅在设计中发挥了极大作用，而且在施工中，通过动画的形式，把施工流程手把手教给建筑工人，保证建筑的精准落地。建筑建成后，在BIM模型的基础上，可建立IBMS可视化系统平台，通过这个平台进行耗能管理，可以对公共照明、泛光照明进行控制，进行智能水电表远程监测，能源统计等，达到节省人工和成本的作用。

4. 全专业的可持续发展设计理念

可持续的发展理念渗透在项目各个专业的设计过程中。华建集团上海建筑设计研究院总工程师助理张洮介绍到，该项目设计了响应环境和建筑构造体系的安全、可靠、绿色节能的机电系统，尽可能减少能源消耗和碳足迹，最大程度地减少对地球的影响，提升室内与户外的环境质量。

可持续发展的机电设计理念融入了开源、节能、节流等元素。空调采用可再生能源的地源热泵系统，埋地100米的换热管与地球表面浅层地热资源进行既供冷又供热的空调系统。最大限度地利用建筑空间的自然法则增加舒适性，并采用置换通风系统、分层气流组织形态、节能照明、变频技术等提高节能效率。针对建筑空间异形的特点，采用了智能感烟探测、空气采样报警、双波段图像探测等多种技术。场馆内的节水设备实现了水量低消耗的目的。

上海天文馆（上海科技馆分馆）

建设单位：上海科技馆

建设地点：上海临港新城

总建筑面积：38,164平方米

建筑高度/层数：23.95米/地上3层，地下1层，局部夹层

设计/竣工时间：2014年/2020年

设计联合体总包：华建集团上海建筑设计研究院

美国弈艾德建筑设计事务所（Ennead Architects LLP）

设计单位：华建集团上海建筑设计研究院

美国弈艾德建筑设计事务所（Ennead Architects LLP）

华建集团建筑装饰环境设计研究院

华建集团上海地下空间与工程设计研究院（申元岩土工程公司）

上海市地下空间设计研究总院有限公司