当大型文化类建筑中所使用的预制构件基本都是为了实现美学效果的建筑预制构件时，位于迈阿密的菲利普和帕特里克福斯特科学博物馆富有创造力地使用了预制混凝土穹顶结构为其打造了一个与众不同的标志，在实现设计师愿景的同时，也满足了结构和建筑功能的需求。

项目概况

项目名称：The Phillip and Patricia Frost Museum of Science

项目地点：美国佛罗里达州迈阿密

项目成本：三亿两千五百万美元

项目规模：23,226平方米

项目团队

业主：The Phillip and Patricia Frost Museum of Science

建筑设计：Rodriguez and Quiroga Architects, Grimshaw Architects

工程顾问：Donnell Duquesne & Albaisa

总承包商：Skanska USA

预制专项工程咨询：eConstruct

预制构件供应商：Gate Precast

项目总览

The Phillip and Patricia Frost Museum of Science（菲利普和帕特里克福斯特科学博物馆）由四个截然不同的结构组成，它们通过户外空间相连，这些空间充分利用了阴影效果和附近迈阿密比斯坎湾的微风。项目团队在早期设计阶段就优化了建筑物在场地上的朝向，并评估立面系统的风荷载，以最大程度地发挥其地理位置。

建成的科学博物馆一楼设有露天停车场，建筑群面积达到了25万平方英尺，包含有250个座位的天文馆/剧院、50万加仑的水族馆、16万平方英尺的主展览馆、巡回展览馆和外部展览区、楼顶酒吧及观景台。

建筑设计

设计中最突出的元素是独立的67英尺（约20.4米）直径的穹顶结构，内部为天文馆剧场。这是项目的建筑事务所Grimshaw Architect所希望建立的三维立面的实现。在项目设计之初，建设设计师们就希望创造出一种能够让观众在走进博物馆大门之前就能感到惊喜和愉悦的结构。最终这个巨大的穹顶建筑被设计了出来，使前来的游客在通过道路或公共交通接近博物馆时被立刻吸引。

图3. 预制混凝土球体结构

装配式应用

应用类别：预制混凝土穹顶，预制外立面

设计师们在最初并没有考虑过在项目中使用预制构件来实现这一圆球形的结构，而且美国也从未有过利用预制构件来实现类似结构的先例。

项目团队首先研究了使用钢结构以支撑不同材料覆层板的方案，这也是最常见的一种处理类似结果的方法。随后他们还研究了喷射混凝土建造穹顶的方案，但发现造价及工期都达不到预期的要求。但在后续研究中，他们发现自支撑球形预制混凝土结构板被证明是最具成本效益的解决方案，它提供了剧场声学要求所需的密度，耐用的结构，以及通过表面轻喷砂处理后可用于完美投影的表面。

图4. 球体天文馆表面投影渲染图

在放弃其他方案后，建筑设计师们就与预制构件分包商Gate Precast密切合作，以实施使用预制混凝土作为覆层和穹顶结构的构想。项目团队通过建立三维建模，确保了每一个预制构件都完美契合，并在施工开始前解决了设计中的任何潜在错误。

被称为 "北极圈 "的最上部穹顶盖由两块预制板组合而成，形成了一个直径30英尺的关键性构件。预制构件供应商的制造和质量保证团队使用激光全站仪进行布局和检查，实现了完美的圆形设计。

图5. 球体天文馆施工图

穹顶面板是外侧面朝下浇筑的，顶部的内侧面形是为了解决显著的弧度问题。每块面板的底部都有一个连续的壁架，以便将其设置在现浇的基础墙上，基础墙也是弯曲的，以配合穹顶的弧度。为了消除生产和施工中任何一个阶段的开裂，在面板的顶部和底部都采用了单根钢筋后张锚。

为了避免运输和安装过程中的损坏，Gate Precast在工厂里先行样板拼装，模拟了现场条件，包括将部件从卡车上吊下来，并将其倾斜和悬挂在起重机上。由于要求不允许在外表面有任何嵌入物，因此将钢索连接到构件的底部，并包裹在侧面。这种创新的解决方案使吊装装置能够很好地适应剥离板之间的缝隙，然后在安装完所有的板子后再拆除。

到了施工现场，先安装顶部的预制混凝土板，由临时定制的支撑塔支撑，然后安装球形部分，并将其焊接在一起，使得脚手架被拆除后，穹顶完全可以自我支撑。

图6. 球体天文馆施工细节图

Grimshaw Architect的建筑师受到自然界测地多面体形状的启发，利用Gate Precast在类似项目中使用的一种模板系统设计了在整个立面上提供具有几何立体浮雕图案的预制面板。这些自然现象的代表之一就是位于北爱尔兰的“巨人之路” ，这是六边形不规则排列的岩石是联合国教科文组织于1986年确立的世界遗产。

图7. 北爱尔兰的“巨人之路”

Gate Precast通过在95块面板上以不同的配置组合16种不同的几何形状来创造面案的设计。随机的图案意味着几乎没有两块面板是相同的。

图8. 饰面分解

天文馆以及六层楼的建筑均采用在设计界称为“迈阿密白”的混凝土混合物浇筑而成的面板。

图9.迈阿密白饰面

博物馆建筑由95种面板组成，具有16种形状，无论白天还是晚上，在光照下它们都会与光线发生反应。

图10.博物馆建筑外立面

图11.预制外墙面板安装

The Phillip and Patricia Frost Museum of Science菲利普和帕特里克福斯特科学博物馆通过在其园内剧院采用预制穹顶结构和主馆的预制外围护系统来给项目本身增加独特的视觉特征，从而达到吸引游客的目的。

事实上现在一些文化建筑已经在采用预制构件才能或能更好表达出的项目设计方案的建筑表皮，位于洛杉矶的由普利兹克奖得主Renzo Piano 设计的The Academy Museum of Motion Pictures-奥斯卡电影博物馆（该项目于20年12月正式对外开放，亦是PCI 2021设计获奖项目），也采用了类似的预制混凝土穹顶结构，这一结构的下半部分由预制混凝土拼接而成，不仅与上半部分的玻璃穹顶完美结合，还提供了卓越的声学效果，打造了一个高性能的封闭剧院空间。

从上述案例中我们看到，建筑设计师在设计建造文化场馆时，可更多地从美学和建筑性能要求角度来考虑预制构件的使用，引导装配式建筑的正向设计。

图12.The Academy Museum of Motion Pictures奥斯卡电影博物馆

（编辑：奚雅青）