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违反常规的建筑—悉尼歌剧院

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无论你到过澳洲没有,你都会知道悉尼歌剧院这座建筑物,这座澳洲的标记在建筑史上确实破了相当多的创举。

这个项目始于1955年,当时澳洲政府举办了全球性的设计比赛,题目是在悉尼海港旁设计一座包括2600多人的多用途表演场地、1500人剧场、500人左右的戏剧,这次比赛吸引了233名来自32个国家的建筑师参赛,胜出的是来自丹麦的建筑师─Jon Oberg UtzonJon Oberg Utzon可以说是著名的纸上建筑师,他曾在18次建筑比赛

中胜出了7次,但就没有一座建筑物是建成的,除了悉尼歌剧院之外,因为Jon Oberg Utzon是出身艺术学院的建筑师,所以他的建筑大都只注重建筑物美学部分,在技术层面上来看是有相当之多的问题,连悉尼歌剧院亦不例外。

当澳洲政府宣布Jon Oberg Utzon胜出的时候,大家心中都出现无数的问题,因为他的参赛图纸和模型都相当之简单,可谓纯概念性的解说,但是他是唯一一个参赛作品把两个大型剧院并排而设的,而且他是唯一个设计把两个主剧院的前厅安排在整座建筑物的前端,所以旅客可以先观看悉尼海港的景色后,才进入室内的场馆。

当然最重要取悦评审的便是整座建筑物的外型,它的各扇形的外壳确实相当吸引,亦无疑使这建筑物一直成为澳洲的地标,并在2007年成为世界文化遗产。

不过,这样的概念纯粹在纸上的草图来看就自然是没有问题,但是在现实情况就成为千苍百孔的设计。

第一: 无论是剧院,还是歌剧院的设计,就必须要考虑音效的问题,因为观众是为了欣赏节目而参观这地方,所以如果音效不理想的话,就算这建筑物是极度漂亮的话,都是一个失败的设计。

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在剧场的音效设计方面,就必须要考虑Reverberation time的问题,Reverberation time是歌手/乐器发出的声音时,声波会需要多少时间才降至60分贝或以下。 因为室内空间的大小和物料的吸音程度则会影响Reverberation time

如果Reverberation time太大的话,观众可能听到两层的声音,又或者很大的回音。因此,剧院设计就必须要非常小心Reverberation time上的控制。

如果是乐器演奏的话,Reverberation time最好控制在1.8- 2.2

如果是歌唱的话,Reverberation time最好控制在1.3- 1.8

如果是演讲/戏剧的话,Reverberation time最好控制在0.7- 1

控制Reverberation time当然是依靠室内的天花来控制室内空间的体积,从而调节声波的速度和Reverberation time的差异。

另外,乐器的声音会直接传到观众,但回音亦同样会反射到观众处,由于两个声波到达观众耳朵的时间有差别,所以演奏厅在回音方面同样需要小心处理。

不过无论如何,设计演奏厅都会采用同一个理论,就是把整个剧院设计成又长又窄,成一个长方形,因为左、右两边的距离差别少,所以声效差别不大,而且出现多种回音的情况亦会较少,所以声效方面会较容易处理,情况就有如北京的国家大剧院,整个剧院成一个长方形,虽然外形是成蛋形,但只是用金属外壳包着3个长方形而言。 但是Jørn Oberg Utzon设计的悉尼歌剧院的外形成鸡蛋形,圆拱形的天花则会制造多种的回音,而且声波可能反射至歌手身上,而不是到达观众席,所以设计方面出现很大的难度,所以最后多用途的剧场则只可以设计成演奏厅。

由于Jørn Oberg Utzon的设计在技术层面上完全不能满足需求,特别是在结构上的问题,所以整个设计在后期是完全重新设计,而设计时间更达至12年之久

先在此补充一些关于音效的提问,一个一级的乐团和歌手应该是不会用扩音机来表演,音乐是直接从乐器和歌手发出至观众,咪应该只是给一些流行曲的歌手或司仪使用。

而演奏厅只是用作音乐性的表演,因为不用考虑视线的问题,所以观众席是可以安排在舞台的后方,俗称四面台。 但是剧场则不同,因为戏剧和歌舞剧都是需要考虑视线的问题,所以观众席只会安排在舞台的前方、成扇型或马蹄,而且最后排的坐位多数都会控制在距离舞台25m之内,务求让最后排的观众都看到表演者的面部表情。

另外,舞台的左、右、后和上、下方都需要有足够的空间来储存不同的布景,所以设计时最难就是处理后台与更衣室和储物室之间的流程,并且如何在外立面上把舞台塔(Fly tower) 隐藏。

在原先悉尼歌剧院的设计,就完全不能达到以上的要求,在歌剧院的空间太大,而且天花是弯曲的,所以Reverberation time会很大,回音情况严重。

至于剧剧院,由于弯曲的外型令舞台之上的空间(Fly tower)不足够,一般的标准Fly tower是舞台的高度 x 2.5倍,这样才可以把整个舞台高度的布景吊在上空。

因此,整个剧院的规划要完全重新设计,但是当时决定项目的政客对剧场设计一无所知,便胡乱批准剧场的兴建,所以在工程的预备过程中出现无数的大问题,而建筑师Jørn Oberg Utzon亦欠缺这方面的知识,因此最后的解决方法引用全球最出色的工程师楼—Ove Arup(奥雅纳协助他们设计。

首先,他们借用其他合规格剧院的内部规划作为核心,并根据现实情况下作出相对的调整,并同时把剧院的外型修正至满足能容纳合规格的演奏厅和剧院。 然后,再和建筑师合作处理人流、车流、物流等问题,这样便基本满足到剧院在功能上的需求。

不过,最严重的问题还未解决,就是屋顶的结构。 原来的设计不单没有规律,各扇型结构都有不同的弯曲度,完全没有逻辑可言,而且不同的弯曲面是互相接触的,但在无规律弯曲面的接合上,是很难确保施工的品质管理。 为了方便工程上的管理上,各扇型的单元便归一至类似的弯曲度,各部件只是比例上的不同。 因此便可以用预制件的方式来制做各混凝土的部件,而不用在现场做模,品质管制方面便容易处理。

 

至于结构承重则是更大的问题,因为在1960年时还未有任何工程师设计过这样的扇型的蛋型结构,而且由于室内是剧院的关系,是不可以在柱和梁来承担屋顶的重量。

在最初的设计是把打算用混凝土作为结构外墙,但这样并不能够使这样的外型成为独立的安全结构,之后工程师不断地研究不同的方法,如在屋脊上加入钢结构框架,并屋顶建造成厚厚的结构墙。

不过,最终的方法是使用了折合式的混凝土结构墙,情况就好像一个弯曲了的屏风一样,利用折合多层的结构来支撑屋顶,每一层的折合便有如一个拱门一样,这样便能承重亦不破坏原有设计外型的弯曲度。

由于这样的外型而大跨度的结构是前所未有的,工程师都未必知道折合式的结构是否适合,所以便利用了电脑作结构分析,这亦是世界第一次使用电脑作结构计算的工程,创了建筑工程的先河。




争议声不绝的建筑—广州歌剧院

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其他的竞赛方案

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蓝天组的竞赛方案

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上一会解介了Zaha Hadid的设计风格,今日亦正式为大家介绍广州歌剧院。 这个歌剧院由始至终都在一篇争议声中渡过,风浪到现在还未完结。

首先,第一个争议点: 需要的问题

现在兴建中的广州歌剧院将会是中国的三大剧院之一,继北京的国家大剧院、上海大剧院之后,为第三个国家级的一级剧院,所以可说是广州的重点工程。 但是歌剧、话剧等文艺活动对广州人来说都是比较陌生,到底广州是否需要一个一级的表演场地来作文艺表现呢?

不过,作为一个城市的长远发展来说,硬件的配套确实是必须的,只要有足够的支持,各项的文艺活动都可以得以发展,而避免浪费如此高质素的场地。

第二个争议点: 钱和时间的问题

广州歌剧院的预算造价是大约人民币8.5元,这已经是天价级的工程,但是在2004年动工时,工程造价已达至人民币10元,但到2009年为止工程开支已达至13.5亿元。 另外,工程原预算工程始于2004年,在2009年开幕,但是工程一再拖延,由2010年1月拖延至5月才正式开幕,而最终的造价则约14亿元。

第三个争议点: 工程的复杂性

歌剧院在工程的造价和时间上都大幅的提升,原因其实是只有一个,就是Zaha Hadid的设计过于复杂,而她和自身的团队亦未必有足够的人材来解决很多技术的问题,所以很多问题都交由中方以珠江院为首的工程团队来处理。 再者,Zaha Hadid在行内出名性格火爆,连自司的同事都经常被她狠骂,再加上她的衣着和外观,很多伦敦的行内人都称呼她为「巫婆」。

不过这亦属正常的例子,拿破伦、希特拉、南海十三郎等都是性格暴燥而绝顶聪明的人,所以Zaha Hadid亦极可能是属这一类型的人,天材横溢而拙于外交的典型例子。

Zaha Hadid成功登陆中国,确实可以说是极度幸运。 首先,广州歌剧院是通过国际性的设计比赛来选拔建筑师,这次比赛的参与者包括蓝天组和Zaha Hadid的老师—Rem Koolhaus,在首轮评审中蓝天组的方案为首选,但在之后的公众投票中Zaha Hadid的「圆润双烁」得票最高,所以方案才被选中。

不过,这个像两块小石头的设计可谓完全没有规律,没有一面是对称的,施工的难度比鸟巢更难,因为鸟巢至少有4分1的部份是对称的,而且各主要部件是有一定规律,垂直和纵向的部件是有规律的组合原理,所以施工控制上还可以说是「有理可依」,但是广州歌剧院则是完全无规律的组合。

Zaha Hadid设计广州歌剧院时是先用Rihno 软件来组织外墙,然后把这个巨大「钢皮肤」包围了像四方盒的剧院空间。 由于Zaha Hadid 一切是从外观出发,所以人流组织和内部空间则相对地欠一点规律,不过最坏的始终是外墙。

这外墙由多个不同大小的不规则的平面互相交错、折合而成的,但折合情况则豪无规律和组合的角度亦千奇百怪,这样复杂的外型在电脑上当然是没有问题,但到实际施工则是另一回事,而Zaha Hadid亦一如以往风格,只作设计而打算把施工图纸交由工程师和施工团队负责,今次亦不例外。 原本她打算由著名的工程师楼—Ove Arup负责,但是由于设计费的问题,最后决定由珠江院负责。

当珠江院接手时,发现这方案可以说是不能找到类近的参考方案,因为世界上从未出现过如此多折合面的大型建筑,今次就绝对是创先河。 由于整个方案在珠江院手上可以是说是由零开始,因此Zaha Hadid亦派出6名华借雇员到广州协助设计,而他们第一步便是让中方设计师学习Rihno软件。 因为Rihno软件可以是最简单和有效的软件来剖析这样复杂的做型,Rihno和附加的Grasshopper软件更可以精确地计算出各不规则型状坐标和大小,并有效地将复杂的外型数据化,令工程师可以计算相关的部件所受的重量。 这亦可以说是若没有Rihno的帮助,广州歌剧院便未必可以简单地完成,而Rihno在某程度上亦可以说是令Zaha Hadid脱离Paper Architect (纸上建筑师) 的行列。

不过,最重要使Zaha Hadid成名的原因就是她拥有无限财力的客户例如广州政府,因为一般的客户根本不可能接受工程造价超标65%。

Zaha Hadid的方案理念为「圆润双砾」,意义来自于海珠石的传说,寓意一对被珠江水冲刷形成的「砾石」,一大一小、一黑一白的两块奇石安然坐落于珠江江畔。 所以,剧院的主体设计成石头一样,而四周的公共空间就好像流水一样的绿化空间,让建筑物与环境溶为一体。

因此整个剧院的外墙和屋顶连成一线,同样是由各折折叠叠的平面组合而成的,所以整个地面是升高了数米,让停车场和附助设施放在地底,而出入停车场的道路亦是顺应地形而弯曲下去。 至于剧院的出入口都同样采取弯曲的斜坡来连接四周的广场,在某程度上剧院的屋顶、外墙和广场是连在一起,属同一个折叠的平面,情况就好像一个大网包围了整个剧场。

这样的设计在概念上当然是没有问题,但一个有过百个折叠面的巨型建筑如何施工呢?

建造的方法则只有一个,就是把各平面分设成不同大小的三角形,利用三角形的多元化折叠的特性才可以把一个无规律的折叠面变成有规律。 不过,在设计初期就遇到很大的问题,因为原本的竞赛方案没有提供足够的高度来安放合规格的剧院,亦不能够安放Fly tower (舞台对上用作放场景的空间) ,所以需要提高屋顶高度。不过,由于屋顶和外墙是同一个部件,因此如要提高屋顶的话,就等如整个方案全部重新设计,绝对是牵一发、动全身。

 

当外形重新修定后,便开始对各平面的作出修定为各不同大小的三角平面,并利用Grasshopper软件尝试计算出各平面的受力情况。 不过,剧院的室内空间是不可有柱的,如何覆盖1800座位的大剧院而不用柱呢?

解决的方法就是把每一个三角形的边都设计成结构部件,三角形每边都是由工字铁组成的,然后再在大三角形内加入不同的细小三角形组件来稳定结构,这便有如把整个屋顶设计成大铁网一样,因此广州剧院的用铁量达12,000吨,是北京国家大剧院的用铁量约2倍,因此剧院的建筑成本大幅地增加。

中国人不喜欢三尖八角的东西,而Zaha Hadid亦希望这建筑的尖角部份尽量做得圆滑一点,否则不能达至「圆润双砾」的意念,但是在施工就有无限大的难道。 因为要控制同一个圆滑面,便最好在工厂把各滑面部份做好,然后才在工场装配,否则根本不能够用人手确保各部件有同一个圆滑度,但是广州剧院是没有同一规律的,所以亦不可能到工厂订造各部件。

最后,当Zaha Hadid到现场了解情况之后,曾提出用利用清水混凝土或金属来作为外墙的材料,但是如果用清水混凝土来制造多个接合面的建筑的话,是相当高风险,因为制作时必须要现场札板,不能在工厂预先订造。 因为万一在现场其中一个部件接合角度不理想的话,便会使其他部件不能接合,需要重做。 如果现场札板的话,亦很难确保同一个圆滑度,而且万一有所差误,便不能修正。

至于金属,则是一个很难打磨的材料,所以没有使用。 因此最后决定使用石材,因为方便打磨和修正,因此他们把外墙的石材分割分各细小的三角形石块,并在弯曲面上进行打磨。 另外,为了减少施工的难度,Zaha Hadid一方最后亦同意把圆孤面(Fillet)改为有有棱有角的(Chamfer),就改成了现在的水晶体的模样。

不过,最难的问题还未出现。

无论剧院的外观如何漂亮,其室内的音效才是关键,否则根本不能够满足它作为音乐院的功能。 广州剧院在音效设计可以说是在风风雨雨中之下完成,一般的剧院都会在剧院的天花上加上反音板来控制回音方面的情况,反音板的主要功用是协助声音传至剧院的后方,特别是在一楼坐位之下的空间,因为一、二楼的坐位会阻挡不少的声音,并且会有不同的回音,因此这多数都是比较平宜的坐位。

由于反音板是相当重要,所以接近成为所有剧院必要的部份,但是Zaha Hadid大力反对使用反音板,因为反音板会破坏剧院室内流线型的装饰,破坏了整个设计,但是她没有提出更好的修正建议,只坚持自己的想法。 此举令中方的工程师大为不满,认为她只会投诉,而不会解决问题的人,「讲就天下无敌、做就无能为力」,但其实这亦是纸上建筑师的最大特质,否则她的设计又怎会多次因技术问题而不能兴建。

在双方一直争论不休之下,救星终于出现—他是来自澳洲的声学工程师Marshall Day。 他在20年前已提出不用反音板的理论,他研究指出可以利用剧院坐位本身的外型和内墙上的物料来制造出高反音度的效果。 今次广州歌剧院便是他退休前,第一次亦可能是最后一次在实际情况下实现自己的理论,他的出现无形中解决了中、英双方设计团队的分歧,不过代价就是大幅地增加建筑成本。 因为他的设计是在剧院内墙上加上不少洞,来控制室内的反音效果,而剧院、一楼、二楼的天花都需要做到相当平滑,接近完全没有接缝。

观众厅池座两侧的升起部分和楼座挑台交错重叠,看台犹如「双手环抱」,避免了回声的干扰,内墙的形状和角度有利于提供侧向反射声。 乐池改成「倒八字形」,增加台上演员和乐池演奏者的沟通。 歌剧场采用国际上常用的「品」字形舞台的工艺布置形式,即是在舞台的东、西、北三边都有和舞台一样大的后台空间。

为了实现梦想,Marshall Day以75岁的高龄仍先后4次到广州监督工程,最后他的梦想得到实验,为广州带来高质素的剧院,并为声效设计擦出新的一页。

不过,广州剧院还有一个根本的问题未解决,如何兴建如此复杂的屋顶呢?

在电脑上,各三角形部件的长度是很容易控制和调整,但在工场现场就是另一回事,当最初兴建时,工程人员多次因角度或长度上的误差而不能把各部份接合,便唯有重新制造一个新部件,但是重新制造的话便需要把部件送回工厂再作修正,这一来一回便多花不少的时间和金钱,令工程再一度拖延。 最后,需要把部份工场移至地盘,才能减少搬运的时间,再加上使用了GPS 定位仪 (全球定位仪) 来协助调整角度,才可以顺利地完成工程。

花了无数的心血和金钱,终于完成了这个创举,这项工程确实有如摸着石头过河一样,边做边试。 如果不是有一个无限财力和时间的业主,这剧院又只会是Zaha Hadid事务所中另一个纸上方案。