特別報導_粉墨登場－台中國家歌劇院之結構工程

粉墨登場－台中國家歌劇院之結構工程 ... 被Discovery 頻道稱為世界九大新地標建築之一的「台中國家歌劇院」，已於中華民國一零三年十一月 ... 圖8.1 鑲嵌式樓板平面圖 ...   杜風98期特別報導 粉墨登場－台中國家歌劇院之結構工程 謝紹松 永峻工程顧問（股）公司 董事長 張敬昌 永峻工程顧問（股）公司 設計部協理 丁麗娟 永峻工程顧問（股）公司 設計部經理 周肇欣 永峻工程顧問（股）公司 設計部經理     前言 被Discovery頻道稱為世界九大新地標建築之一的「台中國家歌劇院」，已於中華民國一零三年十一月廿三日落成啟用，旋於當晚由國內首席歌仔戲劇團明華園率先粉墨登場，給中台灣帶來一個國家級的表演藝術場地。

這個耗資新台幣四十三點六億元的嶄新場館，以其號稱沒有一處接頭為正交九十度的結構，吸引了參觀者的目光，到底這個『非典型』建築結構是如何在台灣這個颱風、地震頻繁的小島上屹立不搖？本文針對此案結構系統做相關概要說明，以提供大家一個特殊結構設計方面之參考。

  圖1  民國103年11月落成全景 建築概述 台中國家歌劇院為一地上六層地下二層之長方形RC造公共建築，屬於中央文建會所推動之「文化台灣一零一」之重點建設項目之一，原規劃為以戲劇為主且具國際水準之地方層級的文化設施，民國94年由日本之伊東豐雄建築設計事務所獲得國際競圖首獎，並選定大矩聯合建築師事務所為本國合作建築師，針對此一使用用途，建築計畫主要規劃2014席之大劇院、800席之中劇院、200席之實驗劇場、藝術商場四大部份及其附屬設施，其首要目標是為台中表演藝術活動打造富國際水平之專業展演場地，提供愛好表演藝術族群與觀眾最好的互動性設施，並兼具表演藝術教育的功能，同時開發本地潛在的表演藝術商機與提供就業機會。

  圖2  劇場配置示意圖（伊東豐雄建築設計事務所提供）   圖3.1  建築長向剖面圖（大矩聯合建築師事務所提供） 圖3.2  建築短向剖面圖-大劇院（大矩聯合建築師事務所提供） 結構系統 台中國家歌劇院為地上六層地下二層之結構，上部主體結構主要由曲牆、鑲嵌式樓版、鑲嵌式牆面、實心外牆及服務核心牆所組成。

除了鑲嵌式樓版為鋼及混凝土複合結構外，其他所有主結構均為鋼筋混凝土構造。

基礎採實心版結構，地下室為鋼筋混凝土柱、牆、梁、版系統，地下室的牆則繼續向上延伸為外牆、曲牆，並配合核心牆、鑲嵌式牆面及鑲嵌式樓版以形成主要傳力系統。

而各劇場中之幕塔及舞台則為獨立的鋼結構系統，插入主結構之開孔中並與主體結構間進行適當連接。

劇場觀眾席座位、陽台結構及實驗劇場的箱中箱型結構也屬於鋼骨構造。

各部分系統之說明分述如下：   圖4  主體構造示意圖（Arup提供） 1.曲牆 曲牆(圖5)是由實心混凝土薄殼形成之雙曲率曲牆面，為提供垂直支承及側向抵抗之主體結構。

根據牆面曲率及實際位置，主結構強度控制於局部之薄殼軸向力或局部彎矩與剪力之合力，詳圖5.1；像管狀區域之梁內，總體壓、拉力行為抵抗彎矩作用，詳圖5.2。

此外，部分區域之面內壓/張力亦貢獻其結構強度，詳圖5.3。

  圖5  曲牆透視圖 圖6  標準曲牆單元   圖5.1 圖5.2 圖5.3   曲牆施工：雙曲率之曲牆，其幾何形狀由鋼筋所組合成之幾何桁架系統所決定，牆體所需之鋼筋則沿幾何桁架彎折配置，標準曲牆單元作法詳圖6，鋼筋施工詳圖7.1~7.3。

另使用可彎折、伸縮之金屬網附掛於此鋼筋單元兩側，以做為現場澆置自充填混凝土時之止漿模板。

  圖7.1曲牆鋼筋廠內預組立 圖7.2預組鋼筋單元吊裝 圖7.3單元鋼筋現場安裝情形 2.鑲嵌式樓板 上部結構的鑲嵌式樓板（詳圖8）主要支承於曲牆之間，係由總厚度175~275mm的鋼承鈑-鋼筋混凝土樓板與鋼梁所組成，上方再設置高架地板。

鋼承鈑為3W規格斷面，其高度為76mm。

總厚度275mm的常重混凝土RC樓板可提供足夠的隔音性能。

  圖8 鑲嵌式樓板透視圖 圖8.1  鑲嵌式樓板平面圖 圖8.2 鑲嵌式樓板剖面圖 3.鑲嵌式牆面 鑲嵌式牆面（詳圖9）採用結構混凝土做為主體結構之一部份，其面內勁度可做為曲牆之支撐，垂直力藉由直接應力傳遞路徑，通過牆體進入下部結構，詳圖9.1。

水平連繫力之加勁作用將使曲牆內之彎矩降低，詳圖9.2。

  圖9鑲嵌式牆面透視圖 圖9.1直接應力傳遞路徑 圖9.2水平聯繫作用 4.實心外牆 實心外牆（詳圖10）則為另一主要傳遞應力之構件，外牆由混凝土澆置而成，局部圓形開孔則依據建築之規畫呈現不規則分布。

實心外牆與鑲嵌式牆面相同，亦做為水平壓力／張力繫件，可強化曲牆之穩定性並減少曲牆之彎曲應力，詳圖10.1。

  圖10 實心外牆透視圖 圖10.1  水平繫件作用力 5.服務核心牆 混凝土服務核心牆（詳圖11）提供曲牆之垂直支承力，曲牆結構於不同高程與服務核連結，詳圖11.1；部分樓版之垂直力亦藉由核心牆傳遞至基礎，詳圖11.2。

    圖11  服務核心牆透視圖 圖11.1 直接傳力路徑 圖11.2 剪力牆或深梁傳力路徑 6.幕塔（包括舞台） 幕塔頂部的鋼桁架支撐幕塔屋頂與舞台設備，由支撐於8枝鋼柱之鋼桁架所構成，這些鋼柱支承於轉換結構上，將幕塔鋼柱的力量傳遞至立於基礎的4支SRC柱。

位於外緣的鋼桁架桿件包含斜桿以增加勁度，其餘鋼桁架則無斜向桿件，以提供舞台設備位置的使用彈性。

轉換結構是由鋼桁架包覆於混凝土牆所組成的SRC構造，支撐於SRC柱上。

幕塔在各樓層與曲面牆接合以提供鋼構架之側向束制。

  圖12.1  大劇院幕塔結構示意透視圖 圖12.2  中劇院幕塔結構示意透視圖 7.觀眾席位 大劇院之觀眾席寬度約為32米，長度約為30米,位於2樓，外牆由4面曲牆與3面鑲嵌牆所組成。

座位區於平面約呈圓形，詳圖13。

大劇院觀眾席座位區支撐於斜向之總厚度200mm之混凝土與鋼承鈑之複合式樓板上；樓板支撐於隨座位彎曲之3米間距直向小梁上；小梁並跨於放射狀的大梁上。

放射狀的大梁循序架設於兩支隨座位彎曲的主梁上。

大樑下方則增加雙樹枝狀結構支撐，詳圖13.1。

  圖13 大劇院觀眾席形狀 圖13.1 大劇院觀眾席結構示意圖   中型劇場之觀眾席寬度約為30米，長度約為23米，外牆由3面曲面牆與2面鑲嵌式牆面所組成。

座位區於平面亦呈圓形，中型劇場座位區形狀較大劇院不規則，詳圖14。

中劇院觀眾席配合座席形狀配置放射狀梁的結構形式與大劇院類似，惟中型劇場尺寸較大劇院小，並不使用大劇院之雙樹枝狀支承，而是以兩支曲面牆柱支承主梁，詳圖14.1。

  圖14 中劇院觀眾席形狀 圖14.1 中劇院觀眾席結構示意圖 8.陽台座席 大劇院與中劇院均有陽台座席結構。

陽台座席基本上由懸挑鋼桁架或懸臂梁支撐，連結至曲面牆或鑲嵌式牆面。

懸挑梁長度為1.6~2米,並由3米間距小梁相互連結，並支承100mm厚的RC樓板。

此RC樓板提供隔音效果。

樓板採用鋼承鈑型式，但鋼承鈑部分僅作為模板使用。

大劇院使用鋼桁架當作懸挑結構使用，詳圖15.1。

中劇院則配合陽台座席斜度採用懸臂梁支承，詳圖15.2。

  圖15.1 大劇院陽台座席鋼桁架結構示意圖 圖15.2 中劇院陽台座席鋼梁結構示意圖 9.實驗劇場 實驗劇場位於本建築西北角，約16米寬20米長，高度由B2F至其屋頂為11.8米。

實驗劇場為一個完全獨立的結構構架，詳圖16.1，即所謂箱中箱之構造，因此劇場內的聲音不會干擾本建築其他部分。

此結構構架與其餘劇場結構唯一的連結點僅在柱基鈑與基礎平板的接合處。

使用彈性支承墊接合，便形成一獨立構造系統。

結構採鋼骨構架，因隔音需求,屋頂與外牆外包60mm混凝土。

由於實驗劇場是完全獨立的結構體，無法如其它幕塔以外圍RC牆作為側向穩定支撐。

實驗劇場的結構穩定系統為四面外跨牆面各兩跨的垂直斜撐及屋頂的四跨水平斜撐，詳圖16.2。

  圖16.1 實驗劇場剖面示意圖 圖16.2 結構3D分析模型示意圖 結語 台中國家歌劇院是以「美聲涵洞」為意象主軸的不規則建築結構，顛覆了所有傳統結構的思維，設計及營造在國際團隊的通力合作下完成，建築設計由日本伊東豐雄建築設計事務所及台灣大矩聯合建築師事務所領軍，結構設計則由台灣的永峻工程顧問(股)公司及英國倫敦奧雅納工程顧問有限公司合作，營造施工則由日本竹中工務店試作曲牆工法成功後，由台灣的麗明營造執行後續施工。

本案自民國97年破土典禮開始，一年多的先期整地工程之後，於民國98年12月才正式舉行主體工程開工儀式，開始了艱辛困難的主體結構工程。

幕塔鋼構工程於民國100年3月吊裝完成後，曲牆工程則經歷試驗、試作，之後在現場一步步精雕細琢，直至民國103年1月才舉行上梁典禮，施工複雜度遠超出一般工程的經驗。

過程中因受工法複雜之累，施工進度也成為主管機關的重點管控對象，歷經五年主體結構工程方告完成，迄今，已成為中台灣受矚目的焦點。

下回當您有機會造訪這個全世界獨一無二的歌劇院，無論是漫步在充滿曲線美的洞穴構造中，或在不同的空間中聆賞美妙樂章及各類表演，也不要忘了觀察這個獨特的非典型結構，原來，結構也可以是如此之美。

  圖17.1 2F前廳實景照(1) 圖17.2 2F前廳實景照(2)   圖18.1 1F大廳透視圖 圖18.2 1FCafe透視圖   附圖:施工全景紀錄 20120614   20130821   20140917 參考文獻： 台中大都會歌劇院新建工程工程結構設計審查簡報說明資料，永峻工程顧問(股)公司，2007。

台中大都會歌劇院新建工程規劃設計報告書-結構設計，OveArup&Partners,Ltd.,2007 台中大都會歌劇院新建工程施工指引，OveArup&Partners,Ltd.,2009 美聲涵洞台中國家歌劇院應許未來，天下文化，謝宗哲，2014 台中大都會歌劇院新建工程結構曲牆設計及施工工法的發展過程，大矩聯合建築師事務所，2015