王 瀾 徐增建
1. 寧波東部新城開發(fā)投資集團(tuán)有限公司 浙江 寧波 315040;
2. 寧波建工建樂工程有限公司 浙江 寧波 315200
寧波市城市展覽館工程整體造型似一臺(tái)巨型風(fēng)車。外立面采用了玻璃和青綠色的釉面陶板相結(jié)合的雙層幕墻。建筑形體復(fù)雜,玻璃及陶板面板種類眾多,加工和施工難度很大。幕墻設(shè)計(jì)到施工全程采用了數(shù)字技術(shù)等其他創(chuàng)新技術(shù),最大限度地保證了原建筑的設(shè)計(jì)效果,簡化了工程的施工步驟,有效減少了材料浪費(fèi),縮短了施工周期,降低了施工成本,對(duì)其他類似項(xiàng)目具有很好的指導(dǎo)和借鑒意義。
寧波市城市展覽館外立面由雙層幕墻組成,內(nèi)層為玻璃和鋁板幕墻,外層為陶板幕墻[1-2],幕墻總面積約18 500 m2。幕墻工程根據(jù)翼片位置分為5個(gè)區(qū)塊,主要幕墻系統(tǒng)包含:內(nèi)層曲面全明框玻璃幕墻系統(tǒng);環(huán)繞玻璃幕墻外側(cè),沿玻璃外立面環(huán)繞上升至屋頂,疏密不斷變化的曲面鱗片狀彩釉陶土板幕墻系統(tǒng);中庭鋼桁架結(jié)構(gòu)中空夾層玻璃采光頂;干掛開縫式石材幕墻系統(tǒng);鋼結(jié)構(gòu)夾層鋼化玻璃雨篷和夾層鋼化玻璃欄板等(圖1)。
圖1 寧波市城市展覽館實(shí)景
本工程外層幕墻由異形彩釉陶板呈鱗片狀排列分布,左右2塊錯(cuò)峰搭接,陶板幕墻立柱骨架為269根,每根具有唯一性。陶板面板7 459種規(guī)格,共27 883塊。陶板形狀根據(jù)造型要求專門研發(fā)定制,要求陶板安裝構(gòu)造不僅僅需要滿足x、y、z方向上三維調(diào)節(jié),而且需要板面能以一定角度旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)整體扭曲效果。內(nèi)層玻璃幕墻系統(tǒng)平面上兩相鄰板塊間外夾角區(qū)間為161°~196°,豎直方向上幕墻面板與水平面夾角區(qū)間為30°~121°,且兩方向上角度均無規(guī)律變化,存在內(nèi)傾、外傾及垂直各形式,玻璃幕墻系統(tǒng)必須滿足角度不斷變化的要求。玻璃幕墻立柱骨架為475根,均為異形多段扭轉(zhuǎn)拼接,玻璃種類有16種,1 679塊規(guī)格尺寸均不相同,要求玻璃幕墻構(gòu)造應(yīng)能適應(yīng)所有角度變化,而且必須安裝簡潔方便、安全可靠。
幕墻立面形體復(fù)雜,不斷呈內(nèi)傾、外傾變化,玻璃幕墻立柱與主體結(jié)構(gòu)連接,陶板立柱需與玻璃幕墻立柱通過鋼牛腿進(jìn)行連接,大多數(shù)立柱由2根或3根矩形鋼管上、下扭轉(zhuǎn)拼接而成,骨架均具有唯一性。現(xiàn)場(chǎng)安裝均為三維空間定位,加之主體鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜,施工誤差相對(duì)較大,給幕墻設(shè)計(jì)、加工、儲(chǔ)運(yùn)、放樣和安裝帶來了非常大的難度,無法利用傳統(tǒng)的吊籃和腳手架施工安裝。加之各幕墻構(gòu)件定義數(shù)據(jù)繁多,傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)及施工技術(shù)無法滿足要求。中庭大面積的玻璃采光頂如何實(shí)現(xiàn)遮陽、阻擋紫外線對(duì)室內(nèi)展品的損傷、節(jié)能減排也是本項(xiàng)目的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。
建筑最外表皮帶飛翼異形彩釉陶板的截面形狀、材質(zhì)特性以及表面處理方式,對(duì)建筑完成效果影響很大。通過制作工藝、生產(chǎn)成本、制作可行性、外觀耐久性等多項(xiàng)技術(shù)要求的對(duì)比,對(duì)面板材料的選擇進(jìn)行了大量的研究,最終選定了陶板作為本項(xiàng)目的面板材料。為滿足層層拼疊搭接的鱗片狀外形效果,對(duì)陶板截面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)和定制,連接固定位置采用多腔閉口形式,充分考慮了材料、強(qiáng)度和連接構(gòu)造需要。拼疊搭接位置采用單壁變截面厚板懸挑形式,保證了連續(xù)搭接層次分明、立體感強(qiáng)的外形要求,陶板截面如圖2所示。
圖2 陶板截面
為了保證陶板成品的平整度,考慮加工時(shí)陶板剛度不足、容易變形,陶板模具在飛翼位置設(shè)置了輔助空腔保證整體剛度,在燒制完成定形后再切除多余部分的腔體,陶板原始燒制截面如圖3所示。
圖3 陶板原始燒制截面
陶板釉面顏色和光澤度的選擇直接影響建筑最終完成效果,為此制作了大量的材料顏色小樣比對(duì),最終采用了青綠色的釉面陶板,使得建筑與周邊景觀協(xié)調(diào)自然,同時(shí)意在延續(xù)和發(fā)揚(yáng)寧波的“青瓷”文化。
立面陶板呈參數(shù)化排布,豎向和左右間距均在不斷變化,加之陶板尺寸較小,安裝工藝對(duì)整體效果和施工進(jìn)度影響非常大。按照常規(guī)的連接安裝工藝,每塊陶板均需要獨(dú)立安裝固定,每塊陶板一般需要4個(gè)連接固定點(diǎn),2根橫梁。安裝效率低,材料成本和人工成本高,而且大量的連接點(diǎn)和骨架的布置會(huì)影響到陶板的室內(nèi)視覺效果。本工程用2根鋁合金方管穿入陶板空腔,將上下2塊或3塊陶板串成一個(gè)安裝單元,采用M5不銹鋼機(jī)械螺栓間隔相連,既不影響立面效果,又能很好地滿足串聯(lián)陶板單元的受力要求。通過此構(gòu)造措施,將27 883塊異形陶板,組成了13 453個(gè)陶板單元,大大簡化了施工步驟,減少了一半安裝橫梁,大大縮短了現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間[2]。
陶板幕墻鋼管橫梁前端設(shè)置通長鋼板帶,鋼板帶斷續(xù)開設(shè)長孔,水平可調(diào),每個(gè)陶板單元上下設(shè)置2個(gè)安裝固定點(diǎn),固定點(diǎn)角碼連接件垂直面和水平面上各設(shè)置2個(gè)豎直向一定長度的橢圓孔,實(shí)現(xiàn)前后、上下及角度可調(diào)。這4個(gè)孔的左右布置間距和橫梁鋼板帶上的開孔間距必須協(xié)調(diào),以保證陶板連接件上至少有2個(gè)螺栓孔和橫向鋼板帶的螺栓孔相重疊,滿足陶板單元在橫向鋼板帶上任意點(diǎn)位的連接安裝和角度調(diào)節(jié)需求。陶板單元兩點(diǎn)安裝三維可調(diào)技術(shù)的運(yùn)用,減少了一半橫梁和連接固定件,大大加快了陶板的安裝進(jìn)度,縮短了施工工期,在降低材料成本的同時(shí)降低了人工成本,從而降低了工程造價(jià)。
曲面玻璃幕墻傳統(tǒng)做法是在玻璃與型材接觸位置設(shè)置可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)接頭,在角度變化多、變化范圍大的時(shí)候轉(zhuǎn)換模具多,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)復(fù)雜,造價(jià)相對(duì)較高。本工程內(nèi)層玻璃幕墻系統(tǒng)采用平板玻璃來擬合整體異形的曲面輪廓,玻璃板塊間夾角變化值范圍廣,將玻璃與骨架間接觸位置的三元乙丙橡膠條設(shè)計(jì)為弧形,使得玻璃與膠條接觸面為弧面,從而使得玻璃能夠繞膠條實(shí)現(xiàn)允許角度值范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn),滿足所有玻璃板塊間的夾角要求,順利達(dá)到擬合曲面幕墻輪廓設(shè)計(jì)的要求。為了保證膠條與玻璃接觸面積及受力均勻,將膠條設(shè)置為實(shí)心結(jié)構(gòu),邵氏硬度適當(dāng)降低,控制在50~60之間,保證在玻璃安裝時(shí)具有一定的壓縮量,使得玻璃和膠條完美貼合,現(xiàn)場(chǎng)安裝簡便,不需要調(diào)節(jié),節(jié)約了成本,加快了施工進(jìn)度。具體構(gòu)造如圖4所示。
圖4 陽角明框玻璃幕墻弧形橡膠條連接構(gòu)造節(jié)點(diǎn)
展覽館中庭頂部為大面積中空夾層玻璃采光頂,改善了室內(nèi)自然采光要求,同時(shí)帶來了節(jié)能問題和紫外線輻射的問題。通過在玻璃下側(cè)懸掛聚四氟乙烯PTFE網(wǎng)格膜,開孔率20%,不僅起到了遮陽作用,避免陽光直射到室內(nèi),使大廳光線充足而柔和,阻擋了紫外線對(duì)室內(nèi)展品的照射,同時(shí)可以起到防墜落作用。
PTFE網(wǎng)格膜面積約占玻璃采光頂面積3/5,外輪廓造型同采光頂平面,除周邊與邊線交接處為異形多邊形外,標(biāo)準(zhǔn)分格為9 900 mm×4 500 mm的板材錯(cuò)縫排布。為方便安裝,將膜材與矩形鋼管框架在地面按照設(shè)定的預(yù)應(yīng)力張拉完成,形成安裝單元,每個(gè)單元板塊上設(shè)置6個(gè)角碼連接件,安裝時(shí)整體吊裝到設(shè)計(jì)標(biāo)高位置與下鋼梁鋼結(jié)構(gòu)支座采用螺栓連接固定即可,避免了每塊膜材在高空安裝張拉的煩瑣施工工藝,安裝方式簡單、方便、快捷,膜材平整度高。
透射型輻射制冷膜是一種新型的節(jié)能材料,不同于傳統(tǒng)的隔熱膜、遮陽膜和輻射膜,其由有機(jī)高分子材料、無機(jī)功能材料等構(gòu)成,利用高選擇性紅外輻射窗口,將物體的熱量通過特定波段(8~13 μm波長)的紅外電磁波傳遞至建筑外,能夠在保持較高可見光透過率、滿足人體室內(nèi)采光需求的同時(shí),實(shí)現(xiàn)不耗能、晝夜利用輻射持續(xù)高效制冷的目的。
在采光頂玻璃外側(cè)滿鋪輻射制冷膜,將室內(nèi)熱量通過膜表面以紅外輻射的形式向空氣中傳遞,實(shí)現(xiàn)在不消耗能源的情況下24 h持續(xù)對(duì)室內(nèi)進(jìn)行降溫,使玻璃表面的溫度低于周邊環(huán)境溫度,將室內(nèi)自然采光需求、人體舒適度和節(jié)約能源有機(jī)地統(tǒng)一起來,實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能。同時(shí)具有阻擋紫外線和近紅外線、減少太陽輻照得熱的效果,可降低室內(nèi)溫度,節(jié)省空調(diào)用電量,提高人體舒適度(圖5)。
圖5 輻射制冷超材料(薄膜)的組成與制冷機(jī)理
本工程雙層幕墻形體復(fù)雜,角度變化繁多,無法利用常規(guī)腳手架和吊籃安裝面板。為了簡化現(xiàn)場(chǎng)工作量,所有幕墻立柱均在工廠參數(shù)化加工組裝完成,現(xiàn)場(chǎng)直接吊裝,面板安裝時(shí)利用幕墻系統(tǒng)立柱在兩層幕墻中間空腔搭設(shè)安裝平臺(tái),在中間空腔位置安裝玻璃面板和陶板,玻璃在室外側(cè)安裝,陶板在背面安裝,安裝方法安全、簡單、方便、快捷。
基于該項(xiàng)目的重要性及整體的復(fù)雜性,整個(gè)工程包括土建鋼結(jié)構(gòu)、室內(nèi)精裝修、外幕墻及景觀等均全過程采用BIM技術(shù),其中幕墻工程因其高標(biāo)準(zhǔn)、高要求更是BIM技術(shù)應(yīng)用的重中之重。方案設(shè)計(jì)階段通過幕墻、鋼結(jié)構(gòu)、土建、安裝和景觀專業(yè)模型的整合,進(jìn)行各專業(yè)的碰撞檢查和協(xié)調(diào)設(shè)計(jì),利用BIM模型對(duì)玻璃面板進(jìn)行面積及曲率等各種分析后,最終采用平板擬合曲面、單曲擬合雙曲面造型,大大降低了工程造價(jià)。幕墻設(shè)計(jì)階段利用BIM技術(shù)輔助施工圖設(shè)計(jì),利用模型導(dǎo)出骨架線模三維圖,通過對(duì)模型的剖面導(dǎo)出二維剖面圖以及玻璃與陶板的立面分格圖,確保了施工圖的直觀性及準(zhǔn)確性。加工儲(chǔ)運(yùn)階段根據(jù)分類后的構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì),批量提取加工數(shù)據(jù),提交加工廠加工?,F(xiàn)場(chǎng)安裝階段根據(jù)BIM模型,提供現(xiàn)場(chǎng)骨架三維放樣數(shù)據(jù)信息。正因?yàn)锽IM技術(shù)的成功應(yīng)用,才保證了項(xiàng)目的順利實(shí)施。
寧波城市展覽館是寧波市政府重點(diǎn)項(xiàng)目,外形靈動(dòng)自然,幕墻形體復(fù)雜,施工難度大。設(shè)計(jì)、施工過場(chǎng)中采用了BIM技術(shù)等16項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù),保證了整體效果,節(jié)省了工程造價(jià),2019年運(yùn)行以來獲得了一致好評(píng),2020年獲得國優(yōu)裝飾精品工程獎(jiǎng)、科技創(chuàng)新工程獎(jiǎng)、優(yōu)秀設(shè)計(jì)獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。陶板單元技術(shù)通過小拼大的構(gòu)造工藝,實(shí)現(xiàn)了板塊單元式安裝,將四點(diǎn)固定有效地簡化為兩點(diǎn)固定,解決了復(fù)雜曲面上的安裝點(diǎn)不共面問題。適應(yīng)任意點(diǎn)位的連接裝置,應(yīng)用范圍更加廣泛,適用于各種形式幕墻骨架的連接,具有很高的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。