北京天文館營建史探賾

劉亦師

一、引論：天文館建筑及其研究意義

人類在遠古時代就開始觀察星空，形成了各種有關天象的神話傳說，成為人類精神生活的重要組成部分。從科學史的角度而言，天文學作為探索天時變化規律與人類活動關系的工具，是歷史最為久遠一門自然科學，并深刻影響了數學和物理等學科的發展①。

天文學家為了展示觀察到的天文現象，很早就制作出各種儀器（如我國的渾天儀）并在世界各地建造了不少古天文臺或觀象臺。17 世紀開始，人們嘗試建造觀眾可以進入球體中觀察天體運行的機械裝置——天球儀，著名者如布雷（étienne-Louis Boullée）設計于1784 年的牛頓紀念館和英國劍橋大學于1785 年建成的世界上首座天球儀（zodiack）。后者是直徑18 英尺（5.5m）、可容納30 人進入的空心球體，其可繞與地球自轉軸相平行的周轉動?！扒蛏隙创刀嘈】?，光從外入代表星辰。南極附近一部分球面削去，插入一平臺，觀眾便在這臺上，看假天的運行?！雹谶@一以機械為動力運轉、與光電設備密切結合的球體建筑也被稱為“球形劇院”③。這類建筑后來被不斷加以改進，其建造一直持續到20 世紀初（圖1）。

天球儀自其誕生起就旨在成為西方自然歷史博物館的組成部分，也是寓教化于游觀的重要方式之一。但是，這些天球儀存在一些難以解決的問題，如一次可容納的觀眾人數太少、機械力推動球體轉動時易起噪聲等，尤其這種裝置無法模擬行星的運行軌跡和月球盈虧等動態變化，“并不能表示觀察者在地球上所見的現象”④，難以有效實現科學教育的目的。

真正意義上的現代天文館于1920 年代初誕生于德國。在構思和設計新型天文館時，以光學儀器制造和機械設計聞名的蔡司公司（Carl Zeiss AG）的工程師一反此前以復雜機械推動球體以模擬星體運動的技術路線，而將幻燈機置于球體中心，以光學投影技術模擬星體運動，從而將問題簡化為投影儀設計和半球穹頂的設計與建造（圖2）。而且，蔡司公司開發出全新的鋼網骨架，并由具有豐富的混凝土結構工程經驗的迪威達格公司（Dywidag，全稱Dycherhoff & Widmann AG）協助，將當時剛發明不久的噴射混凝土技術應用于穹頂施工。1923 年初，蔡司公司在其耶拿總部的一幢辦公室樓頂上建成了世界上第一座鋼筋混凝土薄殼穹頂，亦即現代天文館穹頂的原型。

圖2： 耶拿實驗穹頂內景及第一具天象儀照片，1923年

耶拿穹頂一俟建成即吸引了數萬觀眾觀看“假天”表演，而人們沉浸于“星空劇場”（star theater）的休閑方式也使之成為第一次世界大戰后德國城市生活中的新亮點，預示著這一新建筑即將風靡全世界?？梢哉f，誕生于德國的現代天文館不但創造了新的建筑類型、結構體系和施工方式，同時也改變了城市的面貌及其文化景觀和休閑方式。

并且，以耶拿的穹頂實驗為起點，蔡司公司和迪威達格公司認識到這一新結構和施工方式的巨大潛力，此后10 余年間對鋼筋混凝土薄殼的多種形式進行了細致、深入的研究，形成了蔡司-迪威達格薄殼建造體系（Zeiss-Dywidag system，簡稱Z-D 體系）。除天文館外，還廣泛應用于工廠、機庫、市場、展覽館、體育館等各類無柱大空間建筑中⑤。這一過程突出地體現了德國工程師以計算和實驗為基礎進行理論建構的特點，以及對工業化和標準化的追求，對現代建筑的發展產生了深遠影響。

我國近代在科學普及運動的推動下，對肇興于德國的天文館進行過不少介紹和報道，但直至新中國成立后才最終于1957 年建成北京天文館。北京天文館既是我國現代建筑史上的名作之一，也是我國社會主義科學文化建設成就的重要體現。目前，關于天文館這一建筑類型設計及其建造方式的中文著述很少，尚無系統總結；至于北京天文館，除張開濟在其將近竣工時的設計總結⑥和陳遵媯、李元等人的回憶外⑦，甚少開掘新史料，也未見深入、具體的研究。因此，本文擬首先梳理德國學派工程師創造現代天文館的過程，討論其對此后建筑設計和社會生活的影響，并考察若干具有代表性的各國天文館，辨析其與耶拿原型在設計和施工上的異同和改進之處。在此基礎上，本文著重論述北京天文館的策劃、設計和建造過程，探討這一工程對新中國建筑業發展的啟示與意義。

二、“耶拿奇觀”：德國學派與新建筑類型和新結構形式之創出

1913 年底，德國慕尼黑博物館決定新建一座球形劇院，要求以沿軌道移動的電燈泡代替太陽、月亮和各行星，并據此委托蔡司公司提出光學照明和機械設計方案。由于第一次世界大戰爆發，這一工作延宕至1919 年才正式開始。負責此項目的蔡司公司總工程師鮑爾斯菲德（Walther Bauersfeld，1879—1959）創造性地提出采用投射法的技術路線，用4 年時間設計出這種特殊的投影設備——天象儀。為了將星體的影像投射到半球穹頂上，鮑爾斯菲德首先以自然界中面數最多的正20 邊形為對象，將其頂角削去處理為20 個正六邊形和12 個正五邊形組成的擬似球形體，亦即最趨近球體的幾何組合體（圖3）。在這種空間幾何分析的基礎上，鮑爾斯菲德發明了由32 個⑧放映鏡頭組合而成的球形投影儀（恒星球），球心是一個500 瓦的放映燈泡，放映鏡頭則分區投射4500顆恒星和銀河在夜空的位置⑨，在天幕上組成完整的星空⑩?！疤?、月亮和各行星由3 組不同的馬達控制，能根據演示需要按4 分鐘、1 分鐘和7 秒鐘展示全年的星體運行軌跡，也能展現前后5000 年間的星空景觀”?。這具世界上最早的天象儀采用的設計原則——將恒星和太陽、月亮及行星分別投影等，一直沿用至今?（見圖1）。

圖1： 芝加哥的阿特伍德天體球剖面示意圖，1911年

圖3： 正20面體經切削后與球體相切之示意圖，鮑爾斯菲德手稿，1920年代初

1923 年初，為了測試天象儀原型機的演示效果，鮑爾斯菲德開始嘗試建造一個造價合理、形式上盡量完美的半球穹頂，作為天象儀的投影界面，以準確反映恒星在夜空的相對位置。實際上，他在設計天象儀時已開始構思半球穹頂的材料和建造方式，即采用了和天象儀設計類似的方法，即將正20 面體（各面均為正三角形）向外投射到球體表面，從而將球體分割為20 個面積相等的區域，再對每一區域進一步細分成尺度更小的三角形。為了建造一個直徑16m 的半球穹頂，鮑爾斯菲德經過比較確定K 值（細分數）為16，即對球體表面最初形成的20 個空間三角形的各邊再加以16 等分?（圖4）。因此，整個球體被分割成5120 個空間三角形、共7680 條邊（實際所需者為此半數），并通過計算確定其長度：“將近4000 根鋼片分為50 種長度，但絕大部分標準件長約60cm”?。

圖4： 三角形各邊細分及其投影到空間表面的關系簡圖

這種鋼片組成的穹頂是西方建筑史上未有先例的新式結構體系，整個鋼片網具有很高的剛度和整體性，不但能支撐自身重力，甚至可承受多名工人在網架上同時施工作業。鮑爾斯菲德在設計中體現出其機械設計的豐富經驗和創造力，不但細致地考慮到鋼桿件間的連接構造，也嚴謹地計算出全部桿件的空間位置及其長度，并采用當時靜力學分析的主流理論——彈性理論計算出網架各點的受力情況（圖5）。這說明，在這一穹頂正式建造之前，工程師依據理論分析和數學計算已洞悉其構件尺寸、構造方式和受力情況，這也是德國工程學派研究和實踐的重要特征。

圖5： 鮑爾斯菲德手稿中對鋼片網各部件之計算及鋼片連接節點設計圖，1921年

鋼片網架設計完成后，鮑爾斯菲德原擬以固定在網架內的石膏板，擬合成穹頂內表面，但因石膏板不能防水而放棄。為了快速建成一個造價低廉的穹頂外圍護結構，鮑爾斯菲德向與蔡司公司一直有合作關系的迪威達格公司求助，在其總工程師迪辛格（Franz Dischinger，1887—1953）的建議下，采用當時發明不久的噴射混凝土技術，“在鋼網架里面固定擬合成球面的木模板，在其上分層薄噴混凝土以避免混凝土在較陡的坡面流失，數天內水泥固結后即可撤去木模板，再對混凝土底面進行涂刷即可得到理想的投影界面”?。

最終，一個直徑16m 的穹頂在1923年春正式建成，其混凝土殼體平均厚度不足8cm，再在穹頂外部覆以金屬板作為飾面層。這座穹頂原本為檢測天象儀而建，但對公眾開放后，其星空劇場吸引來大批民眾和媒體，在短短兩個月內接納了50000 名觀眾?，被稱為“耶拿奇觀”（Wonder of Jena）（圖6）。這種前所未見的新建筑不但帶來新的娛樂方式，并使德國工程技術和文化生活再次得到全世界的關注和肯定，“人造的夜空既可靠又壯麗……星空劇院帶來的歡樂顯然對沉浸在國家軍事上的失敗及東部的土地損失中的人民非常有吸引力?！?

圖6： 排隊進入耶拿實驗穹頂的民眾，1923年

蔡司公司樓頂上的這座臨時建筑是現代建筑史上第一座鋼筋混凝土薄殼建筑，不但采用了鋼桿件網架這種既有很強現代性的新結構，創造出新的無柱空間形式，帶來了對空間的新感知和體驗，并且應用了新施工方式，預示著其將得到建筑界的廣泛關注和應用。例如，距離耶拿不遠的包豪斯學校學生曾在格羅皮烏斯、阿道夫·邁耶（Adolf Meyer）、納吉（László Moholy-Nagy）、希爾博賽瑪（Ludwig Hilberseimer）等人帶領下，前去參觀耶拿實驗穹頂和柏林等地興建的天文館建筑。他們不約而同地關注到鋼筋混凝土薄殼的結構骨架——施工過程中即將被隱藏的鋼網架（圖7）。這種全新的結構形式和空間體驗呼應著20 世紀后半葉崛起的空間網架結構，成為推動現代主義建筑發展的一股潛流。

圖7： 包豪斯的主要成員希爾博賽瑪對柏林天文館施工時的影像記錄

不止于此，由于預見到鋼筋混凝土薄殼屋頂的應用潛力，鮑爾斯菲德和迪辛格二人合作下開展了針對矩形平面的筒殼和半橢圓形薄殼結構的研究，同樣以薄膜理論和彈性計算為工具建立分析模型，將成果應用于蔡司公司的新建辦公樓和一系列無柱大空間市場的建造上。此后，迪辛格主持了力學和經濟性能更突出的雙曲薄殼的研究（圖8），不斷創造出新的建筑形式。以筒殼、半橢圓形殼和雙曲薄殼為代表的鋼筋混凝土薄殼結構體系，是以耶拿的實驗穹頂為地點發展而來的，被統一稱為“蔡司-迪威達格”結構體系（簡稱Z-D 體系），曾在1920 年代至1960 年代的全球建筑業中占據重要地位。Z-D 體系還具施工快捷、受力合理、節省材料等優點，在1930 年代以降逐漸風行各國。同時，蘇聯工程師和建筑師從1930 年代開始對Z-D體系進行了不少重要改進和修正，隨之使薄殼結構成為社會主義陣營國家在工業和民用建筑中廣泛應用的結構形式，我國亦莫能外?。

圖8： 迪辛格指導的迪威達格公司雙曲薄殼荷載試驗，1931年

現代天文館的產生與天象儀的設計和薄殼結構的建造密不可分，其設計、實驗和實踐等過程均體現了德國工程學派擅長的數學計算和理論建構等特征，集中了光學、機械設計、建筑結構等不同領域的智慧而總其大成。因此可見，現代天文館之最先誕生于德國絕非偶然。而且，類似鋼桿件網架和筒殼結構的計算，本來是建筑師陌生而工程師熟悉的領域。在天文館設計中，建筑師和工程師開展合作，使建筑空間布置與薄殼結構設計相得益彰，創造出不同的建筑形態，也指出了現代建筑發展的一種重要趨向。

三、20 世紀前半葉世界各地天文館的建造經驗

耶拿實驗穹頂被拆除后，耶拿市隨即于1924 年組織了一場天文館設計競賽。包豪斯學派的重要成員阿道夫·邁耶也參與了此次競賽，他的設計方案剔除了冗余裝飾，有很強的現代主義風格（圖9）。值得注意的是，這一方案中的穹頂采用了拋物線形外觀，說明在其內部還有一層球形穹頂——天象儀的投影面必須為半球形，其直徑則可根據設計條件在18～30m 之間選取。耶拿天文館的競賽展現出天文館設計中采用雙層穹頂的趨勢，一方面促生出更加豐富的建筑形象，另一方面也有利于穹頂內部（天象廳）的保溫及聲學處理，進一步優化星空劇場的觀演效果。邁耶的設計雖未被選為實施方案，但其造型卻影響了數年后莫斯科天文館的設計。

圖9： 邁耶參與耶拿天文館競賽的方案，1925年

在耶拿天文館竣工前，德國的數座城市如德累斯頓、杜塞爾多夫、柏林、萊比錫等，相繼建成了各自的天文館。它們都是獨立建筑，主體部分為天象廳，兼容一定的展廳、辦公或科研用房作為附屬功能，外觀上則以隆起的穹頂統率全局，但間或也將穹頂包裹在古典主義風格的坡屋頂下（圖10）。天文館的選址多與博物館接近或作為博物館的一部分如慕尼黑等，但也常選取在植物園、動物園旁邊，如柏林天文館即選擇與動物園毗鄰而建，有利向市民尤其兒童普及自然科學知識?。

圖10： 萊比錫天文館剖面示意圖，二戰期間被毀

一戰結束初期，蘇聯和德國在1920年代通過開展涉及軍事、經濟、文化等諸方面的密切交流。1926 年11 月，蘇聯的意識形態理論家、馬列主義研究院院長梁贊諾夫（David Riazanov）訪問柏林時參觀了剛竣工的柏林天文館，在親身體驗了星空劇場后，他意識到天文館內的表演既是破除迷信和向民眾宣貫唯物主義宇宙觀的有效工具，也有助激發少年兒童的遠大理想——“我們要在學習勞動中生長，開拓走向遼遠星球的道路”，此后這句話成為蘇聯少年宮常見的標語?。并且，他認為天文館的星空劇場能生動展示不同維度的星空景象，“這對領土廣闊的蘇聯而言是十分有用的功能”?，能起到增強社會凝聚力和促進愛國主義思想等作用。因此，他向蘇共中央提議在莫斯科建設一座天文館，指出可參照柏林將其選址與西郊動物園附近，并擴建為包括動物園、博物館和圖書館的大型博物館園區?。梁贊諾夫后來向蔡司公司采購一具當時最先進的天象儀，并委托其負責建造莫斯科天文館的球形穹頂。

莫斯科天文館的設計由甫從呼捷瑪斯（即莫斯科高等技術與藝術學院，Vkhutemas）?畢業的巴爾西（M. Barshch）和西尼亞夫斯基（M. Sinyavsky）主持。莫斯科天文館的初始設計完成于1927 年春，并迅即由《近代建筑》雜志刊出?。其圓形平面的主體為2 層，底層為入口門廳、展廳和小講演廳，二層為天象廳。天象廳為雙層穹頂，外層為拋物線形（圖11），外覆金屬保護層。其他功能空間如樓梯、辦公、儲藏等或突出于圓形主體之外，或以水平帶狀體塊與主體形成對比（圖12）。初始方案經修改，采用內徑25m 的半球穹頂，可容納500余皮椅（原設計1440多座）。

圖11： 莫斯科天文館剖面圖，1927年

圖12： 莫斯科天文館軸側示意圖，1928年第8期蘇聯《莫斯科建設》封面

1929 年建成的莫斯科天文館是德國之外最早建成的現代天文館之一，也是蘇聯建筑界即將轉由社會主義現實主義思想主導之前，最后采用現代主義風格建造的大型公共建筑之一。自此，莫斯科天文館成為蘇聯“傳播自然科學知識、在廣大的各階層的人民中作反迷信的宣傳，同時也為了有系統地輔助學校教育”?的天文學教育中心。1930 年代和1940 年代，其天象廳不遠處又建起一座小型天文臺和天文廣場，這種建筑布局和管理方式也是之后北京天文館籌備和建設時的重要參考對象。

1920 年代中期德國多地建起天文館后，吸引了絡繹前往歐洲訪游的美國富商的注意，隨之將這一新建筑類型和休閑方式引入大洋彼岸。從1920 年代末開始，美國主要城市如芝加哥、洛杉磯和紐約等相率建造了一批以捐資人姓名命名的天文館。其中，最早建成的阿德勒天文館（Adler Planetarium）位于芝加哥面向密歇根湖的北島北端，也是1933 年芝加哥博覽會場址的一部分。阿德勒天文館平面為正12邊形，采用集中式布局分為上下兩層，天象廳同樣位于上層，附屬功能如售票廳、講堂等全部位于底層，于1930 年建成營業（圖13）。

圖13： 阿德勒天文館首層平面圖，圓形的天象廳居中布置，1928年

1933 年，位于洛杉磯好萊塢山南坡的格里菲斯天文臺（Griffinth Observatory）動工興建，1935 年竣工營業。該天文臺功能較為復雜，除天象廳外，還包含兩個天文臺，分別放置蔡司公司制作的大口徑天文望遠鏡和觀測太陽結構的太陽望遠鏡，創造了天文館和天文臺合建的新模式。因此，格里菲斯天文臺在造型上出現了一大兩小共3 個穹頂（圖14），同時八角形門廳獨立出來，成為整幢建筑的交通樞紐（圖15），居中布置著名的傅科擺（Foucault Pendulum）。格里菲斯天文臺的建筑細部裝飾體現了當時代流行的裝飾藝術風格（Art Deco），集中于入口正門、墻面檐口周匝及八角形門廳的青銅頂等部位（圖16）。

圖15： 格里菲斯天文臺首層平面，1933年

圖16： 格里菲斯天文臺門廳外望，可見正門裝飾及前景之傅科擺

應該注意到，無論阿德勒天文館還是格里菲斯天文臺，雖然都采購了蔡司公司的天象儀，但二者的天象廳穹頂施工方式均非Z-D 體系，而是用了當時在美國流行的由若干道徑向鋼肋和環向鋼箍組成的鋼骨架，再搭建模板、澆灌混凝土，因此殼體厚度和建材的耗費遠比Z-D 體系大（圖17）。直至1933 年，蔡司公司派其工程師特底斯科（Anton Tedesko，1903—1994年）到美國協助即將建造的紐約海登天文館（Hayden Planetarium），才建成了美國首座以Z-D 薄殼體系建造的天文館。特底斯科后來加入美國籍，此后20 年間在美國建造了60 多座Z-D 薄殼建筑，被稱為“美國鋼筋混凝土薄殼之父”?。

圖17： 格里菲斯天文臺天象廳施工過程中照片，1933年

海登天文館平面為布局緊湊的方形，居中劃出一個正八邊形空間，其底層作為太陽系星體運行演示館，上層則為742 座的天象廳（圖18）。在正八邊形周邊很緊湊地布置陳列隕石、繪畫等展品的展廳，地下室則用作空調制冷等設備用房。海登天文館的穹頂建造方式和施工步驟已大不同于10 年前鮑爾斯菲德式鋼片網。當時圓形截面的鋼筋已取代了之前矩形截面的鋼片并得到廣泛應用，而且鋼片網經噴射施工被埋入混凝土中，用鋼量已嫌太大。在海登天文館施工中，特底斯科指揮施工隊先用木模板搭建好穹頂曲面，在木板外側用無頭釘固定石棉覆層（兼做吸聲及防水），再在外層鋪設鋼筋網，最后噴射混凝土??；炷翚んw頂部僅厚7cm，而水泥固結后，撤去木模板和無頭釘，石棉本身已與混凝土殼體結合為一，此即外穹頂（圖19）。而內穹頂則以鋼片網構成自承重的半球形骨架，但以穿孔金屬薄板固定在內側作為天象儀的投影界面，使星空劇場的聲音能被附著在外側穹頂的石棉覆層吸收，從而保證穹頂內混響時間和音效最佳，在德國天文館施工技術的基礎上又有進步。

圖18： 海登天文館竣工時鳥瞰照片，其屬于紐約自然歷史博物館，1935年

圖19： 海登天文館外層穹頂施工過程，右下為鋪設帶曲度的木模板，左上為覆于木模板上的黑色石棉層（吸聲兼防水層）。石棉層外鋪設鋼筋網，再噴射混凝土。1935年

第二次世界大戰之前，“世界上除了德國有10多座天文館外，其他國家如蘇聯、美國、意大利、法國、比利時、日本、瑞典等共有12 座”?，其中亞洲只有日本在1935 年和1936 年建造了大阪和東京兩座，但均置于博物館或報社大樓頂層，并非獨立的天文館。二戰期間戰火損毀了不少天文館，至1950 年代初僅存27 座，“而英國當時還尚未建成一座”?。

四、北京天文館的設計與建造（1954—1957 年）

1.民國時期學者對西方天文館建筑的引介

我國近代的天文學家和科普工作者很早就關注到德國天文館的建設風潮，而且親身觀摩并將建筑格局和觀摩經歷向國內讀者介紹。最早的記述追溯至1925 年《東方雜志》的一則報道?，提及其天象廳“頂為半圓形，內涂白堊，四周布置自然風景……參觀之人，坐于室內，恍如游身宇宙，二三刻鐘之久，可見數十年后各星運轉之狀?！?

1932 年，中國天文學會的創始人高魯從德國游覽回國后，將其到耶拿天文館觀摩的經歷撰寫為《假天——假天就是一架天象儀》，以“假天”命名天象儀或天象廳，“假天的妙處有時竟能超出乎真天”。?文中附具天象廳的剖面圖（圖20）和天象儀的構造簡圖，有利人們了解這種新建筑及其主要設備的基本情況。他尤其在文中指出天象儀設計精巧，“不僅可為通俗天文學之試驗，并可稱為天文教育必需之用品”，指出天文館在科學普及和大眾教育方面具有巨大潛力，“入假天之室，如入學校，如進劇場，增加參觀的人興趣百倍”?。

圖20： 天象廳結構及主要設備示意圖

天文學會的另一位耆宿張鈺哲也在1932 年撰文論述天象儀的工作原理和歐美最新建成的天文館情況，除圖文更豐富外，還明確提出天文館是啟發民智、破除迷信和“補助通俗教育的利器”，“比諸動植物博物館實在是尤其不可缺少”，在文末還展望“于國都所在地設立一座假天院，也孰曰不宜?！?此外，1930 年代還出現了一批介紹歐美天文館建設最新進展的文章。天文館作為一種造型獨特的新建筑類型，得到不少讀者的關注，因此一些期刊曾以天文館為封面（圖21），使天文館的形象逐漸深入人心。應該看到，中華人民共和國成立前關于天文館的文章，多為介紹歷史背景和資產設備等內容，很少提及建筑設計本身，只有個別文章因直接節錄翻譯自西方雜志，才會吐露出若干工程細節?。而且在政治動蕩、內外交困的局面下，根本沒有建設毫無經濟效益的天文館的可能。但不應忽視的是，近代中國天文學工作者頗注意收集西文資料，如后來參與籌建北京天文館的李元提到中華人民共和國成立前他在上海的舊書攤上“偶然購得紐約天文館的參觀指南，使我對于一個完整的現代的天文館有所了解”?，這些資料也是之后北京天文館籌備和設計過程中的重要參考。

圖21： 近代中國天文學者對西方天文館的介紹

2.北京天文館建館籌備與設計原則之確定

1949 年以后，天文學家們一方面繼續向國內讀者普及天文常識并宣傳天文館建設的必要性；一方面配合著新中國科學和文化政策的推行，為籌建新中國第一座天文館進行了多方面的積極努力。這一時期，介紹天文館知識的文章將焦點轉向蘇聯的成就，尤其是已運營20 多年的莫斯科天文館的建筑特征、表演內容、管理方式及其文化、社會影響等，作為新中國將來建設天文館所學習的范例。例如，李元在1953 年的文章《莫斯科假天館》中，詳細記述了該館各層的布局和星空劇場的表現，并介紹館內外的科學活動，指出“莫斯科假天館一直是蘇聯傳播進步的天文知識的中心……我們希望不久的將來，在祖國首都北京，會建立起我們自己的假天館，開展我們這方面的有意義的事業，而莫斯科假天館正是我們學習的最好榜樣?！?

除莫斯科天文館外，蘇聯在二戰結束后還興建了使用蔡司天象儀的斯大林格勒天文館和列寧格勒天文館，以及十多個小型天文館。后來參與北京天文館籌備的卞德培根據1956 年莫斯科天文館和其他蘇聯天文館的參觀經歷，撰文詳細記述莫斯科天文館的星空表演和科普工作等情況，并描述剛建成的斯大林格勒天文館建筑（圖22）：

圖22： 斯大林格勒天文館施工過程照片，1950年代初

“在斯大林格勒市中心的和平街盡端，它的圓銅屋頂上，聳立著一個高大的和平女神……從設計到正式開幕總共用去3 年時間。天文館內外都極富麗堂皇。主樓是一座三層建筑物，除地下為食堂等外，底層為展覽廳、教室等，上層才是表演人造星空的天象廳。斯大林格勒也有一個較大的天文廣場和設備相當完善的天文臺?！?

1950 年代初關于蘇聯天文機構、蘇聯天文館的研究和譯介后被匯編為《蘇聯天文學的輝煌成就》?。與李元一樣，卞文也提到“蘇聯天文館的工作方式、方法，特別是它們的具有高度思想性的工作，將是我們新中國天文館的最好的學習榜樣?！?。

1953 年初，中國科學院派出各專業專家組成的考察團訪問蘇聯，其中天文學代表張鈺哲回國后寫成《蘇聯天文學專業考察報告》，重提他20 多年前的建議，即在首都興建一座大型天文館，并組織草擬了《關于建立北京假天館（天文館）的計劃》的報告，交中科院并報中央討論?。恰在此時東德因與我國有貿易逆差，主動提議我國購買蔡司公司（其總部耶拿位于東德境內）的天象儀作為外貿補償。在此形勢下，中科院從全國調集精干力量組成北京天文館籌備委員會，“中國科學院負責撥款，北京市政府負責撥地，北京市科普協會負責配備人員，全國科普協會負責具體工作總協調”，但從開始就明確了“天文館成立時，科學院將天文館移交到全國科普協會領導”?。

《建館計劃》包含了對建筑設計方面得到幾條要求：“1）定出規模、面積和地址，要選在風景優美、交通便利之處；2）設計；3）興工建筑；4）安裝儀器”?。天文館的選址工作在北京市副市長、市人民政府文化教育委員會（市文委）主席吳晗的主持下，由中科院、都市計劃委員會和設計單位等多方參與討論，經過反復比較，采納了北京天文館館長陳遵媯的主張，選定西郊現址。陳遵媯認為該地不但環境開闊、風景優美，區位環境與莫斯科天文館（原型是柏林天文館）很相似，“面對動物園，有人多、青少年多，正好向他們普及天文知識?！倍?，天文館和已竣工的蘇聯展覽館（今北京展覽館）也遙相呼應，外觀上“一個是尖塔，一個是圓頂，整體布局也很好”?，構成了北京西郊的新輪廓線，將來“更可以形成一個首都的文化娛樂中心”?（圖23）。

圖23： 從西東望建成后的天文館，可見蘇聯展覽館的尖塔和遠處西直門城樓，1957年

同時，陳遵媯對當時普遍使用的“假天館”名稱提出不同看法，認為“假天”（即天象儀和天象廳）雖然無可置疑地將在新建筑中扮演最主要的角色，但“只用這一種手段來普及天文知識是不夠的”，而應參照蘇聯的經驗，舉辦展覽和科學講座并組織各種天文愛好小組的活動等。因此，“假天館”的名稱無法涵蓋新建筑的全部功能，應改之以“天文館”，而且它“不應當是天文電影院，而應該是沒有圍墻的天文學?！?。為此，全國科普協會召開過三次常委會議專題討論名稱事宜，最終于1954 年確定了“天文館”的名稱?。

經過市文委和科學院、全國科普協會等多次討論，明確了北京天文館需以莫斯科天文館為樣例，其建筑功能包括天文館、天文臺、氣象臺和氣象廣場等主要部分，以及部分辦公用房、宿舍和車庫等，既融合星空劇場和科學研究，同時兼顧休閑娛樂與科普工作。依據這些原則，張開濟領導的北京建筑設計院第二室開始了建筑設計工作。

3.北京天文館的設計

1954 年秋天文館項目在比較討論選址問題的同時，就同步開始了設計工作。當年10 月中旬北京市副市長吳晗召開了一次關于天文館設計問題的市文委聯合辦公會，出席者除全國科普協會和中科院的代表外，還有都市計劃委員會和北京市建筑設計院的專家如梁思成、華攬洪、朱兆雪、張開濟等參與討論。經討論明確了其性質為文化設施，“除工作人員的必要辦公室外，不得附設其他機關辦公用房”，同時在布局上“因此項建筑在我國系首次建造，設計時應留出20%面積，作為后備面積用?！睍h要求設計單位抓緊于11 月初完成設計草圖，盡快開始備料，“其他設計中的具體事，俟草圖制出后再討論決定?！?

1954 年底，天文館選址確定在西郊后，設計院也按期制定出幾種比較方案。1955 年1 月，吳晗再次主持討論天文館設計的市文委聯席會議，在比選設計院的幾種方案后，提出“基本上以市設計院提出的第一方案為基礎……基建面積按市設計院第一方案的5600m2進行設計。在設計使用方面應多加考慮，不必過分追求裝飾”。全部基建投資限制在120 億元，“其中該館的主體——圓形大廳的建筑投資不超過100 億元”?。這些就是此后實施方案深化時遵循的基本原則。

在具體設計上，張開濟將基址分作兩個相互獨立區域，辦公等附屬用房位于東區，天文館、天文臺和氣象臺則集中布置在西區，且遵照市文委的設計原則使其留有發展余地，以期“將來把這一游覽區進一步擴大為一個天文公園”（圖24）。由于地段南側因鐵道穿行造成噪聲，因此天文館主體建筑只得盡量靠北布置，使門廳與天象廳（圓形大廳）直接相連，唯為使天象廳穹頂能在正門入口處也能凸顯出來，故將天象廳地坪提升10 級臺階（圖25）。天文館的主入口朝向北側道路，與道路另側的動物園和蘇聯展覽館相對。

圖24： 北京天文館總平面圖

圖25： 北京天文館首層平面圖

由于在設計開始之前就積極提供了天象儀和耶拿天文館等技術資料，而且莫斯科天文館和剛竣工不久的斯大林格勒天文館都相繼寄來建筑圖紙和照片，張開濟及其設計團隊已對天文館的建筑設計和施工有詳細的了解。而且，設計團隊在同陳遵媯、李元、卞德培等人協助下獲取了西方國家天文館設計的技術資料。張開濟在設計時顯然研究過美國的格里菲斯天文臺?和海登天文臺，北京天文館以天象廳大穹頂隆起統率水平舒展的兩翼的布局形制，與格里菲斯天文臺頗類似。而且二者均以八角形門廳為交通樞紐通向兩翼及主軸線上的天象廳，且門廳均居中安置高懸垂下的傅科擺（圖26）。不同的是，格里菲斯在穿過門廳之后還要經過一個較小的、扁平矩形展廳才得進入天象廳，而北京天文館則因地段限制取消了這種過渡，使主要流線更短捷，而將陳列和講演功能獨立布置在東、西兩翼。

圖26： 北京天文館八角形門廳正中的傅科擺

張開濟在設計總結中提到門廳與天象廳直接相連的平面布局時，雖未提及格里菲斯天文臺的原型，但吐露了他的擔心：

“由于前面部分門廳的體積較大，又是八角形的體形，所以從正面看來尤其是正立面圖的圖紙看來容易使人誤會，以為這大圓頂就在這門廳上部，而不是在它的后面。我們也說不出這樣有什么不好，但是總感覺是一個問題，想另做處理?！?/p>

之所以有這些顧慮，除平面布局上缺少過廳銜接而易造成視錯差外，還因為格里菲斯天文臺的天象廳位于俯瞰山谷的南坡，其遺世獨立的建筑形象具有顯著特征。但北京天文館位于平原的城市繁華地段，需作為重要的文化設施需要融入城市環境和市民的日常生活中（圖27），且能與周邊建筑相互映照、熠熠生輝，此后半個多世紀的使用表明這種設計是成功的。

圖27： 城市日常生活中的北京天文館，1960年代

另一處與格里菲斯天文臺的不同之處，是張開濟遵照市文委提出的“不必過分追求裝飾”原則，在立面、正門和窗戶等處不像前者那樣大事裝飾，外立面力求簡單，“莊重拘謹也許有余，新穎活潑可能就很不夠了”。為節約計，全部立面采用擬似石材的淺褐色斬假石為飾面手段，也因此形成其獨特的格調，惜近年因裝修噴涂假石漆而被遮掩。

4.德國技術援助與天象廳施工

北京天文館由北京市建工局第四公司負責施工。天文館的基建工程于1955 年10 月24 日陰歷寒露日正式開始動工，先著手辦公樓和宿舍樓的建設，而北京天文館的主體——建筑面積3586m2的天象廳則委托給蔡司公司設計和制作構件，直到1956 年6 月才開始施工。實際上，1920年代蔡司公司和迪威達格公司就對鋼骨架穹頂和Z-D 薄殼體系注冊了一系列專利，此后一直通過收取專利費和派員指導設計和建造在海外拓展業務，一直延續到1950 年代。

北京天文館天象廳也是雙層球形穹頂，外層穹頂直徑25m、內層穹頂23m，跨度與莫斯科天文館一致，能容548 個座位。蔡司公司的卡爾博士負責穹頂的結構設計，采取的技術方案與1923 年鮑爾斯菲德的耶拿實驗穹頂并無二致：外層穹頂用“7992 條8cm 厚、22cm 寬的鋼片鉸接組合起來，在許多水平環形鋼片間再用鋼片斜角連接成包含許多三角形的環帶”。這種鋼桿件半球骨架能很好地擬合曲面，具有很高精度，“全部鋼片網的構件都是德國制造的準確性達到1/20cm”。

但是，鮑爾斯菲德自己就說過1924年以后Z-D 體系的一個主要改進方向就是尋找替代這種耗鋼量大的建造方式，而在美國的施工實踐中已廣泛使用圓形截面鋼筋布筋，在工序上也發生改變，如海登天文館在1930 年代就采用先以木模板搭建穹頂曲面再于其上布筋。但在北京天文館的設計中之所以仍采用當時已過時且耗費更大的技術方案，可能部分因為那時中國工人對穹頂施工不熟悉，“一般圓頂的模板一向（是）艱巨的工作，不但要耗費大量工料，還很難獲得高度準確性”。采取鋼片網結構則因半球形網架已支立，可相對方便地在其內側用“8#鉛絲扎上5cm 厚的木絲板作為噴射砼的模板，亦作為圓頂的保溫層”，最后在外層覆以紫銅面材?？梢?，這種結構施工雖然耗費大但可確保施工精度，是不得已的技術路線選擇。

為了搭設這些木模板，在德國施工專家的建議下，施工部門在工地又搭建起一種活動腳手架，“共用木料40m3，鐵活4t，由48 種不同構件組成。本身重量達28t，工料費達11373.02 元”，明顯耗費過大。施工部門對比當時國內普遍采取的杉篙綁扎活動腳手架甚至滿堂紅腳手架，前者總費用僅621.52 元，后者也不過5916元。這也說明當時東德對我國的建筑技術援助存在著與我國實際技術經濟水平不一致的地方，普遍耗費較大（圖28）。

圖28： 天文館施工過程中照片，可見天象廳外側穹頂鋼片網已搭建完，其內可見造價高昂之活動腳手架。1956年

天象廳的外層穹頂被支撐在圓形的鋼筋混凝土圈梁上，圈梁則坐落在圓筒形的磚砌體上。外層穹頂因外形陡峭必須采用噴射混凝土方式施工，為此特地向聯邦德國訂購了一臺水泥噴漿機，并由德國施工專家對工人展開培訓，每班組10 人合作施工?！八玫脑O備主要有空氣壓縮機和水泥槍（包括有噴嘴的軟管）兩種機械”，前者設在靠近建筑物的院內場地上，水泥槍則置于高出地坪約3.5m 的腳手架馬道上（圖29）。

圖29： 外貿購買的噴射混凝土水泥槍及其噴嘴斷面圖，1956年

按東德專家的要求，每日噴射完的混凝土必須進行小心養護，是以每天落日前混凝土必須達到初凝，因此11 月初施工時每天下午4 點就停止施工進行養護，無法提高施工速度；11 月中旬天氣驟冷后又進行蒸汽養護作業，也導致了造價上升——每立方米混凝土的造價高達63.61元，“單就殼體結構的單項工程單位價格而言，這是比較昂貴的”。但是，北京天文館畢竟是我國首個大規模使用噴射混凝土進行施工的工程，施工過程中東德專家經常到場示范和指導，施工部門在操作中也積累了不少經驗和教訓，確定了相應的施工流程并總結出各種技術要點，“這對今后采用噴射法施工是有很大好處的”（圖30、圖31）。

圖30： 建工局四公司施工噴射混凝土現場照片

圖31： 民主德國專家卡爾博士（右）和庫尼斯工程師（左）在施工現場指導施工

內層穹頂是天象儀直接投影的界面，其結構與外層穹頂類似也是鋼片網結構，但購買東德生產的白色麻布作為幕布。內穹頂的鋼片鉸接處相隔一段距離固定木板，白麻布自后面被釘牢在木板上，“以上作法所構成之球形體，其半徑偏差不得大于1.5cm”。內外穹頂的這種施工精度要求在當時不啻為尖端建造技術。為了解決室內聲學問題，在內穹頂鋼片網外鋪3層5cm 厚的玻璃棉，其上并鋪油紙一層防水，共同用作吸聲層。這種處理方法與美國天文館采用的穿孔吸聲法截然不同。

天象廳的兩層穹頂間留有大約70cm的間隙，其南入口門上方的圈梁處設有檢修口，容人側身而入，并可利用內層穹頂附設的爬梯直上頂部，并與外層穹頂的天窗相通。這些設施至今仍可正常使用（圖32、圖33）。

圖32： 北京天文館剖面圖，1956年?？梢娞煜髲d內穹頂上的爬梯和與外穹頂天窗相通的爬梯

圖33： 北京天文館天象廳內穹頂的爬梯和鋼片網，鋼片網下為聲學處理層和幕布

在天文館主體建筑以外，其西側高11m多的天文臺也同時進行施工。其為磚混結構，頂部也是一個圓形穹頂，但因天文觀測要求需設置可以開關的天窗，直徑約8m。設計團隊考察了紫金山天文臺的穹頂設計，將之設計成木肋穹頂、外覆金屬板，由蘇州的廠家加工完成后送京安裝到頂部，其天窗可通過滑車組進行開閉。這部分的造價每平方米不過150 元。（圖34）

圖34： 北京天文館的天文臺部分施工過程照片，1956年

1957 年5 月天象廳施工完畢，6 月17 日舉行了我國第一次星空劇場演出。繼之為慶祝建軍節30 周年，在8 月1 日向6000 多名解放軍官兵舉辦10 場表演，并最終在當年國慶前兩天正式向群眾開放。從此，“北京天文館就成為我國天文館事業的開端，也進入了世界天文館行列”，天文館的建筑形象和其中舉辦的各種科普的活動照片不斷出現在各種媒體上，成為“黨重視科學教育的重要體現”和我國社會文化事業快速發展的縮影。正式對外開放后數天，蘇聯成功發射世界上首顆人造衛星（10 月4 日），因此北京天文館又添加了觀測和收集人造衛星軌跡數據的任務，也理所當然地成為科普教育和政治宣傳的重要場所，“有力地顯示出社會主義制度的無比優越性?！?/p>

五、結語

現代天文館是德國工程師于1920 年代初動蕩的環境中創造出來的新建筑類型，而且同時發展出一整套與之相配的新結構設計理論和施工方法。這一過程中，德國工程師開展各專業密切協同，凸顯出德國學派重視計算和實驗及理論建構等若干典型特征。天文館建筑和Z-D 薄殼體系被迅速傳播到世界各地，不但改變了城市的物質和文化景觀，也大大推動了現代建筑尤其是鋼筋混凝土建筑的發展，而且蘇聯和美國的工程師在天文館的設計理論和施工方面做了不少改進，使天文館從最初以經營性為主演進為融合觀演、博覽和科研等多功能的現代科普機構。

北京天文館是二戰結束以后亞洲興建的第一座大型天文館，其設計和施工都不可避免地帶有強烈的意識形態色彩。它的設計比照莫斯科天文館進行，但也默而不宣地取法了美國的先例。北京天文館的重要的文化屬性和象征意義決定了設計中的技術路線選擇。首先，作為主體的天象廳選擇了技術先進且已頗為成熟的鋼筋混凝土薄殼結構，而未加考慮當時同時從蘇聯引進、但存在技術瑕疵的建造技術，如替代材料或雙曲磚拱結構、裂環結構等。這種對成熟、可靠技術的路徑選擇是北京天文館得以建成并矗立至今的重要前提。其次，北京天文館的建造是“中國與民主德國技術合作的一個結晶品”，但也因遵從外國專家的建議而造成了很大浪費，如天象廳外層穹頂的鋼片網結構就屬于落后技術，之后再未出現在中國現代建筑的發展中。但是，在此施工過程中的Z-D 薄殼體系以及首次出現的噴射混凝土技術則得到非常廣泛的應用，并在數年后首都國慶工程中大放異彩。北京天文館60 余年的歷史證明它是深得幾代北京市民喜愛的文化設施，也是集中反映新中國現代建筑設計思想和技術發展的重要案例。

注釋

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⑧ 根據計數方法不同，恒星球分31個或32個放映鏡頭之說，但其分區投射恒星在星空的位置及亮度的設計原則是一致的。

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圖片來源

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圖17：Los Angeles Public Library

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圖21：《科學畫報》，1935年底8 期封面

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圖27：北京天文館提供

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圖31：北京天文館提供

圖32：北京市城建檔案館

圖33：作者拍攝，2022年

圖34：北京天文館. 北京天文館五十年（1957—2007）.內部資料.