未来花园建造纪事

 

摘要：江苏省第十一届园艺博览会未来花园项目改造了孔山矿巨大的采石宕口，通过修复自然的手段来营造新自然，其中有5点策略：一是改造已有的140m矿料运输通道及其竖井，为游客提供了进入未来花园的路径；二是在坑底制造大面积雾森，调节温湿度的同时营造了山水诗意；三是将1.6万m2的人工湖泊作为植物花园屋顶覆盖整个二级矿坑，营造“水下植物园”的特殊体验；四是背靠北崖设置2500座崖壁看台及露天舞台，投影南崖营造巨幅崖壁灯光秀；五是悦榕庄酒店架空于矿坑东端，115间客房如石塅沿北崖展开，可远眺整个园区。

 

 

2018年，南京将第十一届江苏园艺博览会选址于汤山镇阳山碑材至孔山矿所在片区，践行江苏省提出的“地矿融合”矿山修复规划，园博园开发公司希望通过生态修复的方式将矿区开发过度的环境全面恢复成稳定丰富的生态系统和都市地景，将其打造成为南京市的一个“永不落幕的花园”。

 

2019年6月，江苏省第十一届园艺博览会的工地塔吊林立，忙于主展馆施工图的我们接到指挥部的投标邀请，项目叫“未来花园”，有近10万m2的建筑面积，包括5个部分。项目所在的采石宕口长1.1km、高130m，呈阶梯状层层叠落，矿坑底部的投料口深达30多米(图1)。在过去的百年里，矿车通过隧道将投料口近1300多万平方米的矿石运往分散在附近的水泥厂，这些水泥厂曾经是中国最早的民族工业，为南京中山陵墓工程提供了建造所需的全部水泥。时过境迁，昔日的水泥厂已尽荒废，留给我们的是山林间巨大的疤痕——一个人工破坏自然的证物。

 

1“诳人的花园”

 

童寯先生在园论中形容中国园林“实际上正是一座诳人的花园。是一处真实的梦幻佳境，一个小的遐想世界”[1]。在中国传统园林的观念里，园林是画境的再现，是想象的画依托于建筑空间的呈现，院墙如画布背景，山水树木在人的游径中展开、呈现。

 

未来花园项目得天独厚的条件也在于此：巨大的采石宕口就是天然的背景，它所形成的极大的荒凉和虚空感刺激着我们的想象，我们没有采取用植被恢复山体原貌的保守方法，而是营造一处诳人的花园。我们的投标视频描绘了一段梦幻仙境：山雨过后，荒芜的采石场升起地气，云雾渐渐注满矿坑，宕口变成了云池；溪水从山涧流下，顺着崖壁注入漂浮的湖泊，湖底是一片碧绿的植物园；人们背靠北崖席地而坐，云雾里的崖壁仿佛巨大的幕布，湖面是舞台，雾气中的彩色投光仿佛大自然的演出；在东侧高地，层层崖壁如石塅沿北崖展开，我们凿石为穴，为池，面向夕阳迎崖而居。有诗为证：“开山解石寻玉翠，喷云吐雾地气升。雾光云色呈仙境，汤山胜景在云池”(图2)。

 

2019年9月底，园博园指挥部公布了“未来花园”的投标结果，我们以“云池”的概念获胜，方案通过“修复自然的手段来营造新自然”的概念得到了认可。此时我们距离正式开园只有不到500天的时间，造园纪事由此开始。

 

2通园的秘径

 

 

进坑也好，入画也罢，我们需要建造一条进入梦境的路径。未来花园的核心建筑是植入矿坑底部的1.6万m2的植物花园，在我们的设想里，人们将通过小火车隧道进入投料口的底部，垂直电梯提升30m将人们从矿井带入未来花园(图3)。

 

这是一个全新的世界，植物花园遍布奇花异草，彩蝶飞舞。花园的屋面是一个透明的湖面漂浮在矿坑之上，花园的四面开敞且被崖壁环抱，在这里，湖水调节了矿坑干燥的气候，风是可以自然流通的。人们透过湖面的波纹可以看到高处的崖壁，这是一种仿佛置身于湖底的奇特体验，在波光下律动的植物是唯一的主角(图4)。

 

3消失的湖底

 

“消失”指的是视觉上的透明。透明的水池并不少见，但大都采用玻璃作为池底。植物花园每个伞状单元的水平面积逾350m2，水面总面积接近16000m2。在深化初期，建筑师和幕墙设计师共同论证了玻璃水池的可行性。池底下方为有人员活动的空间，高度远超3m，因此根据现行规范，必须采用夹层玻璃，而夹层玻璃的最大许用面积为8m2①，意味着一个伞状单元至少需要44块玻璃组成(图5)。

 

如果使用玻璃，一是材料浪费较大：主体结构的网架杆件投影到水平面为三角形网络，结合最大许用面积，会出现很多锐角三角形和不规则的四边形，在切割板材时会造成较多废料。二是重量较大：如果每一块玻璃面板接近最大许用面积，玻璃的边长将达3~4m，加上10cm的水面，荷载重量可达19.3t，固定玻璃的龙骨就需要加强，不仅池底本身的幕墙结构在视觉上无法形成轻盈透明的感觉，整体质量的变大也会导致主体结构的杆件尺寸变大。第三点也是最重要的一点，蓄水屋面需要长期有水，玻璃面板大部分为5~6条边框交于一点，圆心处甚至出现12条边交于一点的情况，玻璃面板与面板之间的框架都需要打胶密封，胶条长期暴露在室外环境中将产生不可避免的老化，漏水隐患严重。因此，寻找其他的透明材料成为必然。

 

亚克力材料最初是幕墙设计师孙洲团队提出的解决方案，我们所熟知的水族馆池壁常用的亚克力，可以浇筑成形，板块与板块之间通过本体化学焊接达到没有接缝，并可以通过厚度的增加、不附加其他材料作为次结构来承受甚至深达十几米的水压力，是一个具有相当强度、密闭性好的理想材料②。但亚克力甚少大面积用在室外，因其受温度影响的变形较大，在紫外线的长期照射下易黄变和老化[2]。

与清华大学土木工程学院王元清教授、中国科学院高能物理研究所衡月昆教授的研究团队合作，我们通过原材料成分的组合和构造的创新，成功地将亚克力运用到了透明水池的各个部分：水屋面的面板、加强肋、排水沟、泄空管及水链。结合主体结构单元、出材率、运输尺寸等因素，水屋面面板细分成小板块，在现场通过化学焊接成21m直径的单元。单元与单元之间设计了特殊的变形缝构造，通过特制的硅胶条与亚克力条交替组合，可消化达10cm的变形量。



最终42个单元，构成了绵延16000m2的水平水池。为了减少自重，面板并未整体加厚，而是顺着伞壳网格线的水平投影增设亚克力加强肋。利用亚克力可浇筑、可激光雕刻的特点，加强肋的节点处采用节点域的形式，内部预埋不锈钢圆盘。加强肋和节点在现场安装棚内定位组装，通过化学焊接的方式与面板固定。长短不一的不锈钢撑杆与不锈钢圆盘滑动相接，且与伞壳上焊接的不锈钢球节点支座铰接。此外，所有的亚克力材料中都加入了抗uv的添加剂，以抵抗光老化和黄变(图6)。

 

  

透明也是另一种反射，1.6万m2的亚克力蓄水屋面位于植物花园二级矿坑的顶部，绝大部分游客从山下通过扶梯达到一级坑顶中部的观景平台，都能透过它俯瞰整个矿坑。亚克力屋面上方蓄水仅10cm深，犹如“天空之镜”反射壮阔的崖壁和天空，隐秘着水下的植物花园(图7)。

 

若身处植物花园内，抬头仰望，水池平面仅有透明的亚克力面板和亚克力肋板，以及伞状单元之间白色哑光的伸缩缝和电伴热胶条可视。由于亚克力材料本身的透光率可达90%以上，且折射率很小，细长如荷叶茎秆的不锈钢撑杆仿佛延伸到了天空(图8)。

 

只有等风来，恍惚间才意识到水面的存在，阳光将水纹的阴影投射下来，闪过镜面的结构，在树叶上舞动，在枝干上舞动，在地面上舞动，最终映射在镜面不锈钢的穿孔墙板上，仿佛整个空间都被镀上了一层波动的水光，变得透明了。

 

4镜面的树林

 

要支撑起1540t的湖水并非易事。首先，蓄水屋面要保持绝对水平，从结构找形的角度来说，我们不可能通过屋面起拱的方式来减少受力结构的截面尺寸；如果采用梁柱体系，结果也不理想，要么柱子过多，要么梁会过大过密。我们与结构工程师王载团队共同研究的解决方案是采用半径10.5m的单柱树状结构体系来支撑蓄水屋面，每3组单元联合成网壳，再进一步联合成群体。对每个树状单体，中心柱高12~24m，矢高3.25m，绕中心束柱分别布置6条主肋和6条次肋，在主肋和次肋之间设置交叉联系的斜杆，在肋的端部沿周圈设置受拉环杆，6条主肋汇聚至伞壳中心，形成束柱。树与树之间在主肋端部节点相互连接，在次肋端部节点采用椭圆管拉结，这些由单元杆件“编织”起的整体[3]，大幅度减小了每个杆件的截面尺寸，让结构看起来更轻。

 

对于用什么材料来作为主结构，我们最初的选择并不是不锈钢。普通钢结构+镜面不锈钢板饰面的组合，曾是选项之一，这种做法在造价上具有明显优势，但由于项目场地长期潮湿且植物的养料及腐殖质均具有腐蚀性，普通钢结构包裹在饰面板之内，即使做好防腐防锈措施，如有问题也不能及时发现[4]。第二个选择是耐候钢+镜面不锈钢板饰面的组合，耐候钢代替普通钢，耐腐蚀性更好，但造价上不具有优势。



另外，网壳上的杆件较细，如果增加装饰层包覆，不仅杆件整体截面会变大，而且会产生大量需要现场焊接打磨的拼缝，打磨过程中的粉尘无法集中收集回收，不但人工成本高，同时也极不环保[5]。第三个选择是伞壳部分采用镜面不锈钢，竖柱部分采用普通钢(或耐候钢)+镜面不锈钢饰面的组合，伞壳部分的不锈钢与普通钢(或耐候钢)直接焊接，会形成电化学腐蚀，也不可取。经过反复论证，我们最终放弃了主体结构隐藏在装饰层背后的做法[6]，采用了结构、装饰一体化的镜面不锈钢作为唯一材料(图9)，这个由4K抛光的镜面不锈钢结构所形成的树林将反射整个植物园的绿色。主体结构的6瓣不锈钢竖柱采用冷拔矩形管，冷拔加工带来的r角，柔和了不锈钢材质的冷峻。



伞壳部分的交叉杆，根据杆件不同的长度对应3种圆管的截面尺寸，每种圆管均冷压成端部圆形至中部椭圆形的渐变截面。这种端部高度小、中部高度大的异形杆件，不仅符合受力分布，而且反射阳光形成的高光使得杆件中部在视觉上几乎消失，镜面不锈钢也运用于植物花园伞状棚架的主体结构、亚克力水屋面的支撑系统。

 

 

在配套商业的立面，镜面不锈钢通过反射环境消隐了建筑材料自身[7]。3mm宽的白色菱形蚀刻线将环境反射的影像像素化了(图10)，我们在立面开窗部分和室外平台部分做了人视线高度的穿孔处理，自上而下渐变至实板。从外部观看，穿孔处由于无反射，成为一片莹莹亮亮中的暗部，暗示了背后空间的不同属性；从内侧观看，由于观看距离的拉近，穿孔板变成了半透明的“面纱”[8]，空气和光也透过孔隙洒向内部空间(图11)。

 

5面崖的看台

 

崖壁剧院实际上是露天的剧场，当人们席地而坐面对巨大的崖壁时，雾瀑将从崖顶倾泻而下，注入“云池”。舞台也是露天的，如同一个水滴悬浮在云池之上，在夜晚，这里是崖壁秀的表演场地。剧场建造所面临的最大难题是支护墙体与大面积北崖保护壁面的衔接关系。为了在确保工程安全的前提下最大限度地保留崖壁的原貌，消险设计团队在设计之初给整个矿坑做了地质评估和灾害类型化分析，发现场地内岩溶发育存在崩塌、滑坡等不良地质隐患。

从技术经济角度考虑，他们建议的综合治理措施为：一是对于边坡坡度较缓的区域，采用削坡结合土钉支护，确保边坡整体稳定；二是对于边坡坡度相对较陡或填土相对较厚的区域，采用锚索抗滑桩的支护方式，防止边坡发生整体滑移，同时对坡面采用景观绿化处理，减少雨水冲刷。

 

由于北侧崖壁标高内露天剧场与人员活动关系更为紧密，极大增加了边坡支护设计的难度。为了尽可能保留崖壁的历史风貌，主要采用锚杆结合主动防护网的支护措施，并创新性地将锚头隐藏于崖壁之中，避免了传统的岩石锚喷支护及锚杆框格梁支护技术对崖壁风貌带来的影响，人们可以在建筑空间里近距离地观看崖壁。

我们将崖面消险产生的大量石料分拣保留装入不锈钢石笼，形成剧院内外大面积的石笼墙体(图12)，通过UHPC预制混凝土单元板块装配使屋顶形成层层的看台。崖壁舞台悬挑部分的吊顶采用镜面水波纹不锈钢板，这些三角单元通过参数化设计形成鱼鳞状的表皮，如同将滴落的水体映射着坑底红褐色的砂石(图13)。