洛阳二里头国家遗址博物馆夯土墙

项目地址:河南省洛阳市偃师区

建筑面积:31781㎡

项目时间:2016-2019年

工艺类别:现代夯土

建筑设计:同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司

团队角色:夯土墙专项研究、设计与施工技术指导

业主:洛阳市文物局



二里头遗址地处洛阳盆地的核心位置。经过六十年来持续不断的考古发掘,现已探明二里头遗址拥有迄今所知,我国最早的城市干道网、最早的宫城和宫室建筑群、最早的青铜礼器群、最早的绿松石作坊等多项“中国之最”。二里头遗址被誉为当时中国乃至东亚地区最大的都邑聚落,也是迄今可确认的中国最早的王国都城遗址,被学术界认定为夏王朝中晚期都城遗址,是研究中国早期国家起源和文明形态的重要对象。为推进二里头遗址的保护利用,二里头夏都遗址博物馆(以下简称“夏博”)的建设被列入国家“十三五”重大文化工程,工程定位于中国最早国家形成和发展研究展示中心、夏商周断代工程和中华文明探源工程研究展示基地。

夏博由同济大学李立教授牵头设计,团队负责其中夯土墙专项研究、设计与施工技术指导工作。夏博建筑面积31781平方米,主体采用钢筋混凝土框架结构,铜板幕墙、夯土墙、清水混凝土作为围护结构主要材料。其中,夯土墙完成总量高达4000多立方米。建成后的夏博已成为目前全世界规模最大的现代生土单体建筑,也获得了国内乃至国际建筑界的广泛关注。


根据国家《建筑工程抗震设防分类标准》,夏博作为特大型博物馆,属于乙类建筑(重点设防类),应按照提高一度(洛阳地区设防裂度为7度,针对本项目提高到8度)的要求采取抗震措施,以及100年设计使用年限的高标准要求,这对于技术标准尚在完善中的现代夯土技术而言,团队面临的压力和困难是史无前例的。尤其在团队加入夏博项目组时,以常规材料作为填充墙的建筑施工图设计已经完成,首层及以下主体结构施工也基本结束,团队面临着来自技术和时间的双重挑战。夯土专项设计是一个需要综合考虑材料、结构、构造和施工多个方面的系统性工程。经过反复研究,团队决定在结构系统验算、细部构造深化、材料性能优化、试验数据采集、施工方案设计等五个互为支撑的关键层面,系统性地同步推进。

夏博建筑主体采用了钢筋混凝土框架结构体系。根据定稿方案,夯土作为填充材料,主要用于三类墙体形式:建筑外围护墙,平均高度4.5m;室内分隔墙,最高达12m;室外景观矮墙,高度从1.2m到4.5m不等。除景观墙以外,其他夯土墙厚度均为400mm。由于主体结构施工已先行启动,夯土墙无法采用柱间填充的形式,只能将夯土墙设置于梁柱外侧。鉴于新型夯土材料容重平均高达20千牛/立方米,加之其变形能力远低于钢筋混凝土,如何在各类荷载作用下,确保尤其是夯土高墙与钢筋混凝土主体结构相协同,是结构系统层面需要解决的核心问题。首先,结构设计团队通过验算,通过添加少量剪力墙,提升主体结构抗侧刚度,减小大震下结构侧向位移;其次,结合主体结构侧移计算结果,对夯土围护墙按非结构构件单独进行抗震计算,以确保其遭遇地震时平面外的稳定性与平面内的抗剪承载能力。


细部构造深化是夯土墙专项设计阶段的工作重心。团队结合现代夯土施工的特点,针对夯土墙内部及其相邻外部连接开展了系统的细部构造设计研究,基于目标侧重不同可概括为三种类型:其一,采用竖向构造钢柱与钢筋相结合的内部构造系统,全面提升夯土墙与主体结构的拉接,确保夯土墙平面外的稳定,咖啡厅12m高、400mm厚的夯土墙,以及中央大厅8.5m跨度悬空的夯土墙是其中最大的挑战;其二,与不同类型门窗洞口、消防设施、设备管线等内容相结合的功能性构造措施;其三,为克服夯土在干缩开裂、防水防潮等方面存在的相对缺陷,所采用的压顶、勒脚、裂缝控制等特定构造措施。在此过程中,团队结合以往项目经验与同步开展的多项试验,历经数十轮的内部研究论证,以及与李立团队的深入研讨,力争使所有构造细节实现安全可靠、施工便捷、外观达标三方面的目标平衡。

由于在团队介入之前,夏博地下工程先期已实施完成,现场剩余可取土量远不能满足夯土墙施工所需。大规模用量下,为确保土料颜色与土质的稳定,最终土源选定距工地30公里的龙门西山工程专用取土点。团队通过土质检测与级配试验,确定夯土原料的土、砂、石级配配比,使夯土的平均抗压强度达到2.5-3.0MPa(立方体试块)。尽管该强度已达到常规填充墙所需的性能指标,但为确保夯土内部构造的有效性,及100年的耐久年限,在土砂石级配的基础上,进一步添加了5%的水泥、少量有机类添加剂和植物纤维,使夯土材料的抗压强度大幅提升至6MPa的同时,确保其原本在蓄热、吸湿、呼吸、蕴含能耗等方面的生态性能优势不被破坏。


除材料级配试验以外,团队开展了一系列原尺度的材料与构造类试验,不仅为同步开展的专项设计与竣工验收提供数据依据,而且也为进一步验证和优化施工方案,编订本项目施工技术指导规程奠定了重要的基础。

夏博夯土墙施工由总包单位河南国安建设集团派出骨干团队负责实施。除常规的施工机具以外,夯筑采用了组装便捷精确、轻质高强度的欧洲DOKA铝镁合金模板体系,以确保施工效率与完成质量。笔者团队向现场派驻技术人员进行全程指导和技术培训,并介绍过往培养的熟练村民工匠加入施工队伍,把握关键环节的操作。夯土墙施工于2018年6月正式启动,于2019年1月完成建筑主体部分,至7月全面完工。在不到9个月的有效施工期内,完成了高达4000立方米的夯土墙,不论就工程量还是施工效率而言,在国际上也罕有先例。与近年一些依赖固化剂或高比例水泥等“熟”化类夯土改性做法不同,夏博项目坚持相对克制的技术策略,尽可能在保持夯土原本由“生”而来的性能优势的同时,通过材料、结构、构造、施工等多层面的系统化协同设计与贯彻实施,来达到8度地震设防烈度、100年设计使用年限的超高工程标准。当然,坚持真实的过程往往是相对艰难的,能最终实现这一目标,得益于业主、设计团队、施工单位多方的高度共识与紧密协作。


二里头夏都遗址博物馆利用了先祖们常用的原料,基于当代的科技,以属于今天的语言,向人们呈现出二里头的往昔,使人们从大量“中国之最”的考古遗迹中,遥想夏都王城前世的文明崛起。作为大遗址博物馆,夏博最为独到之处在于,同在此地的前世与今生,以同样的文化基因及其不同的载体形式,跨越数千年在这里交汇相融,共同诠释着我们从哪里来,要到哪里去……可以说,这是对于“传”与“承”,最为生动且可贵的演绎。