作为现代会展业主力的德国, 不仅拥有多个大型会展中心, 每年还举办众多展会, 其中不乏大量具有国际影响力的专业展会。过去五十年, 德国的会展功能需求不断变化, 从二十世纪七八十年代的“黑盒子”到二十世纪末的自然光展厅, 再到可调自然光的展厅, 一直到现在的“空间”展厅, 促使会展建筑也随之改变。同时, 不同会展公司对会展建筑的要求也有很大差异。在纵向的建筑类型发展与横向的业主不同诉求的双重作用下, 每个展厅给建筑师提出的任务书也不尽相同, 设计侧重点也不一样, 但它们的共性都是功能性和经济性。而建筑师的任务就在于如何将这些功能需求转化成优秀的设计作品, 在这个过程中, 建筑、结构、机电等专业人员之间的紧密合作是获得成功的必要条件。

从二十世纪九十年代初开始, 无柱展厅已经成为德国各大会展公司对会展建筑的最基本要求, 同时要求单个展厅面积能达到2～3万m², 这是基于对展会规模分析和测算得出的数据。只有跨度超过100m的展厅才能同时满足这两个要求, 但这样的跨度又会引发建筑经济性的问题。传统的钢桁架或钢网架虽然能解决跨度的问题, 但结构和建筑的美感又无法充分表达。这时, 建筑师与结构工程师之间的创意合作成为解锁这个难题的钥匙。

汉诺威会展中心是世界上最大、最负盛名的会展中心, 超过50万m²的净展面积和每年超过50场的顶级展会, 使其几十年来稳居行业龙头地位。1994年, 在汉诺威会展中心4号展厅的竞赛中, 德国gmp国际建筑设计有限公司 (以下简称gmp) 和sbp结构工程师事务所 (以下简称sbp) 联袂中标。展厅提供了一个通过玻璃采光顶自然采光的185.6m×116m的无柱大空间, 净展面积超过21 500m²。双层屋面结构的下层以承重金属波形板将屋顶下的设备管道保护起来, 同时利用双层金属板结构之间的空腔进行正压送风, 使得灰尘难以进入到空腔和管道。4号厅可以举办多种不同类型的活动, 特别是容易产生灰尘的马术等。

4号展厅的屋盖采用了跨度122m、高度为9m的张弦桁架结构, 并支承于两侧三层高的钢筋混凝土结构墙体上。富有秩序的结构杆件有效地划分了这个巨大的无柱空间。上弦是两根直径为500mm的热轧无缝钢管, 下弦是两根直径为75mm的全封闭钢绞线, 与两端铰接的直腹杆和交叉索斜腹杆共同组成了索桁架体系。比起传统的张弦梁, 其上弦所受的弯矩很小, 从而可以采用更纤细的截面, 获得结构的轻盈感和良好的经济性。

如果纤细的屋盖钢结构直接与两侧完全独立的混凝土耳房相连, 必然会导致屋盖结构构件在温度应力和支座变形的作用下受到很大的次应力, 甚至有可能超过其承载能力。所以设计的构想是将其“悬浮” (结构术语是“静定地简支”) 在两侧耳房之上。

结构工程师和建筑师在支座设计上进行了深入的讨论, 从传统的单榀简支桁架演变到悬挂双榀桁架, 设计出了新颖的悬挂铰支座。具体来说, 就是将桁架的两根上弦设置在混凝土墙的两侧, 采用精巧的铸钢件通过混凝土墙体上的预留洞将其连接在一起, 形成整体的桁架支座节点, 以类似“钟摆”的方式悬挂在墙体之上。这一巧妙的设计完全释放了次应力, 形成了清晰的简支体系。轻盈的屋盖和精细的节点设计成为4号展厅中独特的亮点。

同样由gmp和sbp联手设计的汉诺威会展中心8/9号厅, 在4号厅的基础上, 将建筑和结构的融合又做了进一步的提升。

展厅无柱空间扩展到了135m×235m, 净展面积超过了31 000m²。屋顶由一个依靠拉力的钢索结构覆盖, 整个结构非常轻盈, 用钢量少, 工业预制化高, 造价得到了有效控制, 建设周期大大缩短, 只用了10个月。钢索受地心引力影响产生的下沉曲线形成了一个连续起伏的动感立面。屋面结构采用空心木箱, 里面包裹了通风管道等设备管线, 屋顶下方有序且干净, 更加衬托出钢结构自身的工业美感。

作为当时世界上最大的展厅, 8/9号厅在设计和施工工艺上也几乎达到了当时的技术极限。五榀138m长的类似自锚式悬索桥的主桁架是整个展厅的主脊, 由主缆、背索、水平连接杆及吊索组成, 并支承在两端的A形柱上。主桁架之间设置了钢板悬带屋面, 和传统的悬带屋面不同, 为了避免加大主桁架的负担, 结构工程师没有采用加重屋面板的传统做法, 而是在屋面下方加设稳定索, 形成竖向刚度较高的索桁架来抵抗风荷载产生的上吸力和不均匀力。设计中充分利用悬挂体系, 设置了包括两个悬挑跨在内的六跨结构体系, 在边跨设置水平转换桁架和斜拉索用于锚固。

除了立柱和水平连接杆之外, 所有的结构杆件均为柔性索或钢板带, 虽然这样的新型体系大大减少了结构用钢量, 但同时也给设计和施工带来了巨大挑战。通过精细和严谨的受力找型、结构有限元多方位分析、严格而准确的位型及精度控制和安装分析, 最终成就了这座大跨柔性体系展厅。

同样闻名遐迩的德国杜塞尔多夫会展中心, 在二十世纪八九十年代通过单个展厅的一步步扩展, 形成了较大的会展规模。从二十世纪九十年代后期开始, 杜塞尔多夫会展公司为了进一步稳固自己在会展业的地位, 在当时即将设计的6号展厅中, 提出了“无柱、多功能”的要求。gmp以一个正圆形的Arena概念获得了评委会的青睐, 但会展公司认为展厅还是要考虑到展位的垂直正交布置, 要求建筑师放弃原来的圆形穹顶的概念, 转为正方形或矩形平面。于是建筑师将原来直径160m的圆形平面改为160m×160m的正方形平面。在整个24 000m²的大空间四角都设置了结构柱, 使得主桁架的跨度减少到90m, 利用主桁架外挑形成两个不同的展厅层高, 中央部分净高为26.75m, 外围16m。同时为了满足体育、工艺表演活动还设置了可移动看台, 能布置36排共12 000个座位。这个项目也形成了一个新类型的展厅, 即可调自然光展厅。立面在幕墙之外设置了每组五个水平百叶, 叶面长5～7.5m, 宽1.2m, 通过线形马达带动百叶转动。这样一来, 6号厅具备了以前展厅所不具备的多功能性, 不仅可以作为高效的展厅, 也可以作为完整的室内体育比赛场地和文艺表演场地, 既可以自然采光, 也可以变成依靠人工照明的黑盒子。

设计中采用了巨型结构内嵌子结构的模数化方式。平面布置为十字形的矩形桁架支承在四个桁架核心筒上, 结合中间设置的巨型下张弦体系将屋盖体系分成了若干个最大跨度为30m的区域, 而30m的跨度正好是当时流行的网架结构的经济跨度。结构工程师巧妙地结合了使用功能, 与建筑师一起创造出了这个看似理所当然、实则内有乾坤的体系。

从二十世纪末开始, 中国各个省会城市都开始了会展中心的建设。由于会展中心的超大体量, 各地政府都希望将其建成地标建筑。中国的会展建筑往往是一口气全部建成, 即使分期, 第一期也必须具备一定的规模, 以便“出形象”。由此, 欧洲会展普遍采用的“模块化”或“生长型”建筑对中国的借鉴意义降低了, 而美国的整体式造型则受到了决策者和建筑师的青睐。各种由寓意、隐喻、象征形成的会展中心比比皆是, 其中有些为了地标造型, 影响甚至牺牲了功能、结构的合理性。

2001年的深圳会展中心国际方案竞赛就是在这样一个大背景下举行的。用地位于城市新中心——福田中心区南北中轴线上, 但狭小的用地和紧张的交通条件给建筑设计带来了很大的困难。gmp的建筑师坚信单层展厅最高效、最具功能性, 于是建筑师将会议中心“悬浮”在展厅之上, 为展厅腾出了首层的空间。同时, 由于市中心的区位和周边林立的高层建筑, 会展中心的“第五立面”显得尤为重要。建筑师希望通过有张力的钢梁对建筑进行有序分割, 形成有韵律、有节奏的体量、立面和屋顶, 同时屋顶采用金属百叶, 一方面打破“铁皮盒子”的形象, 另一方面也能为展厅引入自然光线。

对于这样一个城市中心地区的会展建筑, 除了建筑功能与结构经济性方面的考量外, 如何将这样一个超大体量恰当地融入城市空间, 也是需要重点考虑的问题。为了降低大体量对狭窄用地和周边城市空间的压迫感, 设计采用了“双梁+双柱”的形式加强分隔的节奏感, 结构杆件也成为这个项目中建筑设计表达的重要元素。

展览厅屋盖结构由35榀巨型双箱梁组成, 每榀梁结构跨度126m, 一端与地面铰接, 另一端与标高约30m处的混凝土柱牛腿铰接。gmp和sbp共同的设计目标是塑造一座简朴自然而清晰的建筑, 尽可能地耐久且减少后续维护。与汉诺威4号展厅的结构理念类似, 采用双梁构件来划分大尺度空间, 从而形成有秩序的结构体系, 采用箱型截面构件则是为了用纯粹的语言去表现建筑的张力, 突出线条感。从设计之初就秉承一个理念:整个建筑语言是无法通过“轻巧”的桁架结构加上外表皮来表达的, 只有通过富于设计感的外露结构构件本身来表达。超过15年时间的深圳会展中心至今依然优雅经典, 这一设计理念也得以印证。

126m的跨度在2001年被誉为“中国第一跨度”。结构设计中采用了一系列措施让这个“中国第一跨度”在确保建筑意图的前提下得以高效实现。大型屋面采用下张弦体系减少钢梁弯矩, 为了获得与钢箱梁匹配的刚度, 下弦采用了直径最大为150mm的高强钢拉杆, 这一设计也间接推动了国内自主高强钢拉杆的高速发展。施工过程中采用了先滑后固的方式释放了自重下的柱脚水平推力, 减少结构内力。采用连续梁檩条, 大幅度降低了30m跨度檩条的用钢量。

精心设计和建造的柱脚节点成为了整个项目的亮点。为了保证其转动能力和侧力传力可靠, 按设计要求, 柱脚铰支座的安装精确到间隙不能超过15mm, 这意味着跨度126m、高26m、重约500t的钢箱梁连接在铰支座上, 两边间隙只能放进两根头发丝。这些经验为后续其他项目的钢结构加工和验收提供了非常重要的技术支持。

2015年gmp中标了青岛红岛国际会展中心。当时, 国内已建成了几百座大大小小的会展中心。但这些会展中心大部分都是一个大体量甚至超大体量的整体造型, 并且很多造型夸张。不少业内人士开始反思中国会展的成果和未来发展, 越来越多的人认识到会展中心功能和结构经济性的重要性。在青岛红岛国际会展中心的方案设计中, 建筑师非常明确地提出, 在展厅部分采用标准化、模块化的单元, 用尽可能经济合理的结构体系、立面和屋面系统。而在入口大厅采用“画龙点睛”的手法, 突出重点, 赋予其一定的标志性和可识别性。

设计通过高40m、跨度95m的弧形膜结构屋面和大面积玻璃幕墙突出了入口大厅的核心地位, 并清晰高效地引导人流。十四个展厅分东西两翼布局, 西侧布置了四个单层展厅, 东侧布置了五组两层共十个展厅。这十四个展厅均采用了国内会展公司常用的每个展厅10 000m²的标准尺寸。展厅采用“方盒子”的设计理念和经济的结构体系, 用框架统一各展厅的语汇, 并以清水混凝土呼应入口大厅。

从汉诺威会展中心数个展厅设计的发展中可以清晰地看到, 目前的展厅设计遵从功能和商业价值至上。因此, 必须严格符合高效严谨的展位模数, 符合最佳吊点位置和高要求的吊挂荷载。而在这样的条件下, 汉诺威8/9号展厅的结构体系已经不再适用。青岛红岛会展中心的展厅正是基于这种高效布展的方式进行设计的:单层或双层的展厅采用了典型的方盒子形式, 下层布置重展, 上层布置轻展。下层采用钢筋混凝土结构, 最大跨度为24m, 梁高2.0m, 楼面荷载1.5t。屋盖体系采用最为经济的桁架结构, 跨度63m, 桁架高度4.7m, 用钢量仅为90kg/m²。

占据着整个会展中心核心位置的入口大厅采用轻盈、洁白的体块跨越95m的无柱空间, 支承在两侧的耳房上, 并在大厅设置了通透的玻璃幕墙。为了避免微拱的屋面桁架将很大的水平荷载传递给混凝土结构, 结构工程师沿用了深圳会展中心的先滑后固的支座施工技术, 在大幅减小拱脚水平推力的同时, 亦保证了在风、雪、地震荷载作用下可以将荷载均匀地传递给两侧的承载结构。

极度轻巧精细的鱼腹桁架在这里被用于38m高的入口幕墙, 通过施加预应力的双股钢索, 大大地减小了立柱的失稳长度, 从而实现了240mm×360mm的立柱截面。

2015年8月落成的19/20号厅则是整个汉诺威会展中心最新的展厅。从这个展厅的任务书要求可以看出德国会展业的发展近况:“多功能”和“空间”是关键词。整个展厅由六个模块并联而成, 其中五个构成了14 000m²的展览大厅, 而这五个模块又可以通过与展厅齐高的活动隔墙分为一个接近11 000m²的大厅和一个3 300m²的小厅。11 000m²的规模是会展公司经常用到的, 而3 000m²的展厅则多用于会议。在设计中, 对自然光的利用变得慎重了, 与过往大面积玻璃窗不同的是, 这个展厅只通过5m×5m的入口玻璃门和运货出入口导入自然光线。同时, 展位的设计发生了很大变化, 运用了更多的光电技术, 空间在垂直方向延展, 对空中的挂点要求越来越多且挂点的荷载不断增加。近年来会展业的利润不断下降, 也导致展厅的设计更讲究经济性和功能性。

在这样的条件下, 结构工程师的工作就变得非常清晰:满足所有的使用功能, 创造出高效、简洁的结构体系以及可靠安全的节点, 整个项目第一次全方位地采用BIM进行设计, 对于这样的体系而言大大提高了各工种相互配合的效率。

2018年11月29日, 德国各大媒体纷纷报道了世界最大的信息产业展览会CeBIT这一有着33年历史的展会将从2019年起停办。展会停办的原因是近年来展商预订展位面积持续萎缩和参观人数骤减, 从最早的80万人减少到去年的12万人。同时, 德国最大的线上服装销售企业Zalando宣布, 2019年度不再举办Butter and Bread展览及文化活动。这两个具有浓厚的德国展览文化色彩的展会停办, 从侧面反映出当今会展业正在悄然发生着改变。

在德国会展业发生变迁的同时, 亚洲的会展业则迅猛发展, 新加坡、中国、印度尼西亚正在成为世界最重要的会展国家。深圳新会展中心落成在即, 汉诺威作为最大会展中心的地位将被深圳所取代。而刚刚成功举办了中国进口博览会的上海国家展览中心和即将开始动工的天津国家会展中心都正在或即将成为世界最大的会展中心之一, 中国会展建筑可谓是方兴未艾。而同时, 由房地产开发企业代建的会展中心越来越多成为一种常见的模式, 在新一轮会展中心的建设中, 无论是决策者、使用者还是建筑师, 其实都处于一个史无前例的自我心理矛盾的状态, 即如何处理好会展建筑的功能性、经济性和标志性之间的关系。在这个过程中, 建筑师和结构工程师密切协作、共同创新是行之有效的道路。

建筑师和结构工程师各自的知识体系都有相对局限性, 建筑师作为项目品质的主控方必须将两者的优势有效地结合起来, 所以倾听并深刻理解对方的想法尤为重要;对于结构工程师而言, 无论采用何种体系, 都是对自身能力的巨大挑战。只有将建筑和结构完美地结合, 才能产生优秀并经得起时间考验的作品。