作者|须臾千秋，清华大学土木工程博士
如果世上真的有天堂，那一定是图书馆的模样。
热爱读书的人想必都幻想过这样的图书馆：书籍包罗万象，堆成一座座书山，爱书的人就坐在书山上如痴如醉地读书。在中国工程师的妙手下，这样的幻想已经照进了现实，这就是总藏书量120万册、拥有1200个读者坐席的天津滨海新区图书馆“滨海之眼”。
在“世界读书日”，我们就来为大家介绍一下这座“网红”图书馆。
（滨海图书馆的书山，科幻感十足）
“滨海之眼”的设计，真的是一只眼睛
滨海图书馆之所以被叫做“滨海之眼”，是因为从建筑的正面看，整座建筑真的像是一只深邃的眼睛。它地下三层、地上五层，主体长110米，高33.65米，建筑面积33700平方米。地上部分是由钢框架支撑起的特大跨度连体结构，中间“眼睛”处的连接体由四榀54米跨双层高的平面桁架组成，外挂共计两万平方米的玻璃幕墙。
（“滨海之眼”的外观）
整座“滨海之眼”的钢框架+玻璃幕墙结构，不仅为阅览区提供了充分的自然采光，赋予了整栋建筑极其轻盈的质感以及强烈的后现代风格。这种轻盈感的产生，是因为建筑广泛使用了隐框玻璃幕墙的技术。它将金属框设置在玻璃背面，使得人们在室外不能看到玻璃后面的金属框。在玻璃幕墙外面还设置有与“书山”层间模数相同的氟碳抗锈金属格栅，使得整个建筑外观极其通透。
隐框玻璃幕墙的施工工艺较之普通的显框幕墙更加精细，尤其是对于如此大面积的玻璃幕墙，预埋件及连接件的安装准确性十分重要，会对幕墙质量造成重要影响。
在施工中，除精准定位外，工程师们还采用了比较费时，但精度一流的连接件预先点焊的方法，在初步焊接后进行检验，不合格即进行修正，合格后继续加焊并正式固定，随后还要通过两道检验才能算是正式合格。如此繁复的施工流程保障了“滨海之眼”飘逸的外观。
（隐框玻璃幕墙）
结构安全，靠组合结构来保障
从外观来看，滨海图书馆的结构轻盈，构件单薄。这种轻薄的“北欧风”设计风格让人不禁担心起它的性能来：这么轻的建筑能安全吗？
其实，滨海图书馆采用的是一种钢与混凝土相互复合的组合结构，采用钢管混凝土代替了一般分开使用的钢筋混凝土与结构钢，大幅度地节省钢材、木材、混凝土等结构自重。
理论分析与实践表明，钢管混凝土与普通钢筋混凝土结构相比，钢材用量与承载力相当，截面积减小约一半，从而加大了建筑的有效空间和使用面积，自重也减轻了50%。给建筑的使用者看起来，自然就显得非常轻盈了。
（滨海图书馆的建筑结构模型）
如此高端的结构构件，其安装难度也与普通“傻大粗”的结构构件不可同日而语。与现场浇筑的钢筋混凝土结构不同，钢管混凝土采用的是完全现代化的建筑构件生产流程，重达26吨的矩形钢管均在工厂预制完成，检验合格后运到施工现场，进行二次检验。
构件的安装位置也有学问，现场按照设计图纸建立水平轴线控制网和高程控制点后，还要经过全站仪的初标与终标才能最后确定安装位置，用“十”字线标出安装参照点。
这还不算完，施工设计时还要对构件吊装过程中的吊点和吊装变形进行计算。在构件吊装就位后，即使6.5米长的钢管柱误差只有几毫米，也要立即进行标高、扭转和垂直度三个方面的校正。考虑到焊接带来的构件变形与残余应力，在构件后续的组装与焊接过程中还要再进行多次的检验与校正。
（钢管混凝土结构）
“滨海之眼”的眼仁——微缩版的“水立方”
在滨海图书馆的中心，有一个直径21米的球体极为醒目，如同“滨海之眼”的晶状体一般，也是整座建筑的焦点。整座图书馆的阶梯状书架围绕着这个“眼仁”进行布置，形成了一个流动的、曲线的空间整体。
（“滨海之眼”的眼仁）
这个球体实际上是一个可容纳100多人的多功能厅，未来也将成为滨海新区文化活动的标志性场所。
（“眼仁”的结构）
从施工阶段的照片可以看出，“眼仁”实际上是个钢骨架+外挂板的空心球体。技术上讲，“眼仁”就是一个微缩版的“水立方”。
要保证它能够符合设计上的完美球形，又要保障使用安全，钢骨架的拼接也有一定的难度。好在有水立方的经验在前，在眼仁的施工中，也采用了当年水立方工程中总结出的“一球一杆”钢构件单元拼装模式，既加快了拼装速度，又控制了施工误差。
（“水立方”的结构）
光有安全怎么够？图书馆当然要舒适
建筑的安全与美观只是建筑考核的及格线。要想看图书馆够不够优秀，还必须要考虑到建筑使用者是否舒适，否则就是一座华而不实的二流建筑。而滨海图书馆，就是一座典型的既美丽、又实用的优秀建筑。
1、物理舒适感
滨海图书馆是一座大跨度建筑，阶梯状的读书空间更是一种非传统并且形状不规则的结构形式。对于这种结构，变形太大以致于影响人的使用舒适是一个常见的问题。
人的日常活动，包括走、跑、跳等，都可能引发楼板的振动，这种振动是无规律的，影响使用舒适度的同时，研究起来也极为复杂。但同时，书阶梯还要供人坐着阅读，其使用舒适度又至关重要。
为此，图书馆的设计者使用分析软件建立人行激励模型，详细分析了人的行为，将其分为五种：步行1步，连续行走，不连续行走，跑动和剧烈跑动。这样，就可以将复杂的人的行为抽象成了简单的数学模型的组合。
在另一方面，设计师们还将玄而又玄的人的“舒适度”也量化成了数学模型。设计师们将人的主观感受简化，假定当有人经过时，如果楼板的震动幅度、速度、加速度、频率超过了一定的值，那么坐在旁边的人就会“感觉不舒服”。
经过这样的简化之后，人的舒适度这件主观感受很强的事情，就可以用计算机进行研究了。
（楼板最大加速度的时程曲线）
设计师们经过反复的计算与精心设计，保证滨海图书馆的各层对于人活动的响应，产生的加速度都显著低于人的不适感临界值。这样，人们就可以安心坐在书山上读书了。
2、声学舒适感
读书的人们渴望安静，因此通常在图书馆的阅览室中，都是禁止人们大声交谈的，甚至连走路都要小心翼翼；可是，滨海图书馆的阅览区是一个开放的公共空间，难免人多嘈杂。想要获得安静的阅读环境，就不能单纯依靠读者的个人修养，还要依靠工程师们的声学设计。
滨海图书馆的声学设计就蕴藏在这别具一格的书架中。这些波浪形的书山可并不仅仅为了好看，它事实上也是一种有效的吸声结构。
这种曲线形式，并且向内凹陷形成书架的墙壁可以将人的声音散射到不重要的角落中，而不会像一般建筑的平直内墙那样反射回人的耳中，使得人声听起来非常响亮。这与我们在音乐厅、声学教室中见到的吸声板材的原理实际上是相同的。
（滨海图书馆内的结构有明显的吸声特点）
这种典型的吸声结构，就是利用声波的反射特性，将声波“吞噬”进了孔缝中。有了这些巧妙的吸声结构，任何人都可以在这间“闹市”中心如止水地读书了。
（一处典型的吸声结构）
3、光学舒适感
滨海图书馆的半透玻璃幕墙，也使得馆内可以最大限度地利用日光进行照明，同时又不至于太亮影响人的阅读，而人为外设的灯光系统则作为日光的调节和补充。
室外与书架模数相同的格栅，也可以起到平衡室内亮度的作用。人坐在图书馆的开放空间中读书，体验优于传统阅览室的同时，还节约了大量的能源。
结语
天津市滨海图书馆，是一个将最前沿的设计理念与施工技术回馈给广大普通市民的代表之作。
它没有采用传统图书馆的书架与阅读区分离式布置，而是将整座图书馆变成了一级级阶梯，阶梯的层间取代了传统的书架，分门别类地码放着书籍；而阶梯本身则取代了阅览用的桌椅，人们可以爬上书山，随手取下书来，直接坐在阶梯上阅读，让整个图书馆成为了一个生机勃勃的室内文化广场。
人书一体的“书山”，如今成为了现实，人们可以凭身份证免费办理借书，更可以在书山中自由阅读。
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编辑| 史文慧
