用石头来展现建筑奇特的非线性空间曲面-----中央美院美术馆的板岩屋面的工程技术
时间:2015-04-22 16:36来源:环球幕墙 点击:
| 1、引言 石头，作为建筑材料在人类早期就已经得以应用。一种可以用作墙面、屋面的天然板状石头也早已被人们所认识，并应用于民间建筑中。如石头寨的房屋建筑基本上都是以石头为主要材料建成的（如图1.1、1.2）。但用板状石头为主要材料做墙面、屋面的美术馆是近年来才出现的，我们叫这样的板状石头为板岩。  那么，什么是板岩呢？板岩的定义是：具有板状结构，基本没有重结晶的岩石，是一种变质岩，原岩为泥质、粉质或中性凝灰岩，沿板理方向可以剥成薄片。板岩的颜色随其所含有的杂质不同而变化。使用这种板岩石材作为面装饰材料的建筑就是我们本文要介绍的公共建筑项目，中央美院美术馆。 1.1、工程概况 中央美院美术馆是由日本建筑大师矶崎新（ARATA ISOZAKI）设计，新的美术馆位于北京的望京花家地南街8号中央美院内，校区用地的东北角，建筑占地面积3546 平方米，总建筑面积14777平方米，其中地上9032平方米，主要为艺术展厅。地下5725平方米，是藏品库、设备用房、办公用房等构成。美术馆为地上四层、地下二层的框架结构建筑。 美术馆的整个建筑是由三块自由且不规则的弧面架构而成，外表的幕墙和屋面为板岩石材材料，把刚性石材做成柔性曲面，表现了质朴敦厚、内敛包容的本质特点。于2008年年底投入了使用。 “它的最大亮点就是不论你站在哪一个角度看看上去都显得非常特别。”（如图1.1.1~1.1.4）这是中央美院院长潘公凯先生对美术馆的赞赏。   1.2 、工程特点及处理方案 中央美院美术馆是非线性建筑幕墙的具体体现。建筑的整体是由三块不规则的非线性曲面在空间架构而成的，是一种近些年来才兴起的，典型的非线性建筑幕墙。用曲线、曲面作为非线性的一个重要形式，以建筑幕墙为载体来展示美术馆建筑的魅力！ 对非线性建筑探索，是上世纪60年代发生的非线性科学理论在建筑设计上的反映，受到模糊理论、混沌学、耗散结构理论、非标准数学分析等学科的启发。 其最重要的技术手段在于依靠计算机强大的运算能力来解决各种综合性复杂问题，包括分析影响参数、 指导建筑施工等等。 美术馆建筑外表的幕墙材料和屋面材料为天然板岩石材。全部石材是通过转接系统固定在1mm厚的原色锤纹铝镁锰板上。在这个项目我们采用了无穿透技术将表面的装饰板岩与支撑结构有机的连接成整体。 在建筑顶部设置了三块平面多功能玻璃采光顶。 玻璃采光顶采用了半隐框的安装形式，用8+15A+（6+1.14PVB+6）钢化夹层中空Low-e玻璃。玻璃表面进行了磨砂处理，室内加遮阳系统。在采光顶结构的室内侧设置了接露槽和导水系统，确保玻璃采光顶的防水性能。 由于外部的建筑造型所致，该项目的金属屋面部分与建筑幕墙部分没有一个明确的分界线。如果按国家标准来区分幕墙和屋面，就是与水平面大于75°的为建筑幕墙，小于75°的为屋面。幕墙与屋面从节点设计到强度计算以及材料的使用，都有着很大的差异。为确保项目的安全性能和使用性能，我们在设计中根据本工程项目的实际情况进行整体设计，不论是幕墙还是屋面、采光顶将其有机地结合在一起，综合考虑技术指标。 2、 非线性板岩石材幕墙、屋面的设计 2.1、主体支撑结构 本工程的主体结构是地下2层到地上3层均为钢筋混凝土结构。3层以上为型钢曲面钢结构，弯曲的钢柱主要是“H”形型钢，在竖向结构的顶部钢结构与多榀鱼腹式钢桁架梁连接，按设计要求形成了异形双曲面钢结构的壳体，钢构件之间采用了高强螺栓定位焊接的方案。（如图2.1.1~2.1.2）  由于该项目的屋面和墙面的外装饰面板采用了30mm厚的青石板岩，按石材自重和转接件的重量，每平方米就又增加近10Kg的长期荷载。为确保建筑的安全，在钢结构梁柱外又增加了二次钢檩条。钢檩条在起到增强主体结构稳定性的同时，对底层镀锌钢板硬防水层的固定、“T”型角码和铝镁锰板防水板的安装起到非常重要的作用。（如图2.1.3~2.1.4）  2.2、金属屋面系统的构造 建筑的整体外形是由多个不规则的双曲面体形有机顺滑的集合成一个不规则的异型体。主体结构为钢结构支撑系统，其外表的幕墙材料和屋面材料为天然板岩石材,其防水功能层是由直立锁边的铝镁锰金属屋面板构成的。 由于其体型和功能的要求，对金属屋面来说，其设计与施工的难度很大，必须结合实际工程情况采取特殊的、能够适应本项工程的结构，节点设计和施工工艺方案才能顺利完成本项工程。本工程屋面系统的构造如下：（自下而上） 主体支撑钢结构；可进行双向调整的连接角码；二次钢檩条；底层硬质防水镀锌钢板（厚度为1.5mm）；聚乙烯防潮隔层；防水板T型支座系统；双层50mm保温棉；铝镁锰金属屋面板（锤纹板），厚度为1.0mm，高直立锁边；转接件，铝合金材质的连接装置；弧形铝支撑管；转接件，铝合金材质的背栓石材连接装置；面层石材为30mm厚的天然板岩。 2.3、 底层硬质防水板、防潮、隔声、保温层的设计： 2.3.1、屋面底板的做法有很多 ，可以用软防水、用压型钢板以及聚安脂硬泡等。但由于本工程的金属屋面为不规则的双曲面，这些做法都无法解决双曲扇形面伸缩变形的问题。采用1.5mm厚的镀锌钢板根据曲面的走向铺设成硬防水层（如图2.3.1.1~2.3.1.2）。不但解决了扇形排版问题，同时也为安装过程中施工人员提供了可靠的安全踏板，避免在施工时损坏下层底板。  根据异型双曲金属屋面的生产经验，结合本项目的特点，我们在金属屋面系统的外层，选用高直立锁边铝镁锰金属面层防水板，在底层采用1.5mm厚的镀锌钢板做底层的防水层，用双层防水的方案来确保屋面系统的防水性能。 为了保证二次防水和提高钢板的平面外刚度，在节点设计时确定了在左右两块钢板之间折直角边，并加盖“Ω”型钢槽（如图2.3.1.1）。上下两块钢板在安装时上板压下板边180mm，来保证其防水性能。 2.3.2、防潮层： 在金属屋面的使用过程中，为防止室内潮气进入玻璃棉，在玻璃棉的下侧加贴隔气、隔潮、反射热辐射的铝箔隔气层，和聚乙烯防潮隔气层。厚度≮9μm。为防止室外潮气进入玻璃棉，常在玻璃棉的外侧加贴防水透气膜，起隔潮防潮作用。但在本项目具体施工时考虑到,这样复杂的双曲面外形采用防水透气膜在安装过程中无法保证其完整性。同时考虑到防水透气膜是易燃物，在施工过程中容易引起火灾，故此取消了采用防水透气膜的设计。 2.3.3、玻璃棉保温层： 根据招标图纸和招标技术文件的要求，在进行屋面保温隔热计算后，最终确定保温层为100mm厚超细玻璃棉，容重为24kg/m3，玻璃棉的导热系数为0.036K(W/m°C)。为保证工程质量，达到节能的目标，在深化设计中采用的玻璃棉制品是经高温熔融，由高速离心设备制成无机纤维后，再加入特制粘结剂和防尘油经摆动带铺毡并通过特殊设备改变纤维排列结构，最后经固化定型而成的新型轻质保温材料。 轻质保温材料具有如下特点： 1）、耐腐蚀性能：此种玻璃纤维棉性能稳定持久，且对钢材腐蚀有抑制作用，不会与钢板间发生任何电化学反应，据有关标准的规定测定，保温棉等PH值为7.1。 2）、防火性能：根据中国国家标准 GB50016及中国国家防火建筑材料监督检验测试中心的检测判定，保温棉不燃性(A级)合格。 3）、环保性能：玻璃纤维较细，不含渣球(0%--GB/T5480.5)，使玻璃棉的导热系数较低，对人体皮肤刺激较小。 4）、抗潮湿性能：保温棉在温度49C，相对湿度90%，常压下通过ASTME84测试，吸湿量低于2%,如本产品被渍湿，干燥后保温性能完全恢复。 2.4、 铝镁锰金属屋面板的设计： 防水是屋面系统最基本也是最重要的功能，它的好坏直接影响着工程的形象和声誉。正因如此，屋面系统的防水性能是金属屋面最为值得关注的方面。 普通压型金属板采用的是螺钉穿透式固定，钉孔处仅靠螺钉下的橡胶垫片密封。随着垫片的老化及屋面板受风压反复作用，垫片的密封性能将大打折扣，并导致漏水。而且由于屋面存在成千上万个钉孔，其施工质量也受工人素质及技术水平的制约而难以保障。一旦出现问题，漏水点的查找也十分困难，不易补救。 根据本工程的特点，我们在金属屋面系统的外防水层，选用高直立锁边铝镁锰金属面层防水锤纹板，板型为弧形变截面板（如图2.4.1）。用这样的板型来保证实现双曲面的顺滑连接。特别是在曲面形状复杂的位置，采用两块扇形板对接就可以实现球体表面的双曲面造型。在底层采用1.5mm厚的镀锌钢板做底层的防水层，用双层防水的方案来确保屋面系统的防水性能。  2.4.1、防水性能分析 本工程采用的是直立锁边屋面板型，板肋直立，使得其排水断面几乎不受板肋影响，所以有效排水截面较普通板型更大，加之板肋较高65mm，更能保证屋面板在坡度平缓情况下的防水性能，同时铝合金的弹性模量小，对双向弯曲的屋面适应性更强。 本方案铝合金屋面系统采用先进的直立锁边固定方式，从根本上杜绝了传统螺钉穿透固定方式带来的漏水隐患。直立锁边屋面板的固定，首先是将铝合金固定座用高强不锈钢螺钉固定于镀锌檩条上翼缘，再将屋面板扣在铝合金固定座的梅花头上，最后用电动锁边机将屋面板的搭接边咬合在一起。由于采用了直立锁边固定方式，屋面没有螺钉外露，整个屋面不但美观、整洁，而且杜绝了成千上万个螺钉孔造成的漏水隐患。另外该屋面系统可配合独有的铝合金或不锈钢配件，使得客户可以方便地在屋面板上设置装饰板而无需用穿透屋面板，因而不会留下任何漏水隐患。 此板型的另一个优点是防毛细作用，体现在直立锁边系统的板肋上。板肋小边上的特制凹槽在咬边后形成的空腔扩大了板肋的隙缝，防止毛细现象的发生，阻绝水分通过毛细作用进入室内，以更好的达到屋面的防水功能。 2.4.2、 吸收热胀冷缩性能的分析 能有效吸收屋面由于热胀冷缩而产生的横向变形和由于底部结构的不均匀沉降而产生的垂直变形。金属面板的固定座和下部的保温材料及钢檩条跟随主体结构上下运动，而板面的折边可以吸收大量的形变。在沿板肋的纵向，板更有足够的挠度吸收可能产生的竖向形变。 金属屋面系统利用板的折边变形和板肋空隙来制调整热胀冷缩。对每块400mm宽的金属屋面板，可调节的量可达5mm，在总的可调整量内完全可以吸收该方向的结构位移。 2.4.3、透气性能的分析 空气中总是含有一定量的水份的，水份的含量即湿度在一年四季甚至每天都在变化，有时高有时低，这些水份都是以气态方式存在，但高湿度的热空气在遇到冷的界面时，空气中的水份就会由气态变为液态，形成冷凝水。屋面板上下的空气交换有助于使屋面板上下的空气湿度保持一致，避免一侧的湿度过高在遇温度突变时产生冷凝现象，尤其是要防止屋面板底的湿度太高。有时在翻开一些压型钢板屋面时，会发现板的表面没有被锈蚀，但板底已锈迹斑斑，这就是由于在板底的湿汽太多又排不出去，加速了压型钢板的氧化腐蚀。 本方案采用的板型，其板肋的搭接既可防止雨水和毛细水的浸入，但又不妨碍空气的自然流通，使屋面板底的空气能够流动，屋面系统就如同可以呼吸换气一样，不会将湿气闷在板下部。 2.4.4、板的长度方向吸收热胀冷缩性能的分析 屋面板和铝合金固定座采用机械咬合的方式来连接，屋面板通过机械咬合力扣合在铝合金固定座的梅花头上，但屋面板仍可以在铝合金固定上面自由滑动，此种连接方式可充分吸收屋面板由于热胀冷缩在纵向产生的变形。避免产生温度应力。 2.5、金属屋面板的排版设计 本工程幕墙和屋面外形是一个不规则形状，这就给金属屋面板的排版设计工作增添了很大的难度。金属屋面板的排版设计是否可行，屋面板对曲面的顺滑覆盖是保证屋面板能自由伸缩及防水的关键，因而分析屋面板铺设在曲面上的效果，并根据分析结果制定相应的排板方案决定着整个屋面工程的成败。为了确保其使用功能必须对不规则的外形进行详细的分析，这样才能完成合理的排版设计。 根据建筑图纸，建立精确的三维模型，并将三维模型分为三大区域。使之自然形成了不规则的8个分区（如图2..5.1）。在每个分区中的板型都是根据所在位置的不同而产生变化的。 对双曲形状金属屋面在排版设计时需要考虑以下几个问题: a)由于屋面双向弯曲，如使用直板,会出现扭曲甚至无法安装的情况,在此情况下,使用扇形板或局部使用扇形板将是最好的解决办法。 b)由于屋面板铺设方向不能沿着曲面的径向，因此在沿着屋面板侧向会有较大的偏移,尤其是板的中部,如果出现这种偏移,且偏离距离过大,将需要板有很好的柔韧型,并可能需要采用异性板。 c)由于屋面双向弯曲，在屋面板的中部会出现橘皮效应(中部增宽)。直立锁边的压型板由于带肋,每片板可以在中间拉大5-10mm，可以有效解决此问题。若结合扇形板宽度变化的特点，能更好地解决此问题。  在板型的分布上，有的分区全部都由扇形弯弧板组成。有的分区是由扇形弯弧板与弧形板组合而成，有的分区是由扇板、弧板、直板相互组合成形的。但在每个分区中只能有一个坡度不同的排水走向。（图2.5.2、2.5. 3）  技术的突破： 三维曲面的圆滑过度，用大角度可调整的节点技术将板块拟合成曲面。使功能层的钢结构，保温防水及底部钢板硬防水层和弧形铝镁锰直立锁边板与面材的石材板块有机的结合，实现了理想的空间曲面。 2.6板岩石材与金属屋面板的连接系统的设计： 美术馆建筑外表的幕墙材料和屋面材料为天然板岩石材。全部石材是通过转接系统固定在1mm厚的原色锤纹铝镁锰板上。在这个项目我们采用了无穿透技术将表面的装饰板岩与支撑结构有机的连接成整体。 天然板岩石材与金属屋面板的连接主要采用了弧形铝支撑管转接技术，用这套转接系统能将各种不同方向的屋面板直立肋边，通过弧形铝支撑圆管转换成板岩石材板布设时所需要的方向和位置。 转接件在屋面板上安装，起到转接横向铝管的作用。转接件采用铝合金型材加工而成，转接件为两件，满足其转角要求（如图2.6.1~2.6.4）。   2.7、板岩石材在幕墙和屋面上的排版分布设计 石材为30mm厚的天然板岩。灰绿色调，表面肌理为鳞片形式，板岩的上下为瓦片式搭接，水平的相邻板块缝隙宽度为3~6mm。板岩表面的不规则的纹路使建筑有浑然天成的风化石的感觉。石材的表面进行了水性养护处理。对板岩的边部切口断面进行了磨光处理。为增加安全度在板岩的底面增加了一层附着纤维丝网，处理的方法是用胶将丝网与板岩粘接成整体。   由于板岩石材所覆盖的墙面和屋面均为曲面，这就使得在石材板块分割时必须考虑到用平板来拟合曲面的问题，为了实现建筑设计时的理念板岩之间的整体顺滑拼接是极为重要的。按照建筑设计的要求我们将板岩的分割基本尺寸确定为600mm长，300mm、400mm、600mm三种尺寸的宽度，在下料时板块的长度尺寸变化控制在10mm范围内，宽度尺寸变化控制在50mm范围内（如图2.7.1~2.7.4）。 在设计过程中我们充分考虑到了整体曲面对单片石材分割的影响，在石材板块下料时每一片石材在保证基本尺寸的同时其形状都有所变化。这样石材板块的互换性就大大的降低了，同时为了能够按设计分布图中的要求顺利的安装，我们对每片石材都对应的进行了编号。我们深知，这时的麻烦是为了更好的实现整体建筑的艺术效果，是值得的。 3、多功能玻璃采光顶的设计 这个项目值得一提的还有位于建筑顶部的三块平面多功能玻璃采光顶。 玻璃采光顶采用了半隐框的安装形式，用8+15A+（6+1.14PVB+6）钢化夹层中空Low-e玻璃。玻璃表面进行了磨砂处理，室内加遮阳帘（如图3.1~3.4）。  在一次记者采访时，中央美院院长潘公凯先生赞赏的说“天窗做得很新奇，白天自然光晚上灯光照射，天窗分成许多层，有钢化玻璃、隔热层、防紫外线玻璃、磨砂玻璃等，人还可以爬进去换灯。” 玻璃采光顶和金属屋面的连接部位是最容易产生漏水的区域，对此部位在设计和施工中作为重点控制的部位。屋面的防水性能经过了淋水试验和当年的雨季渗漏观察，未出现渗漏情况。 为了防止采光顶出现漏水的现象，在采光顶玻璃面板施工安装完成之后进行了淋水试验和超规范的蓄水试验。试验的方法是在玻璃采光顶的区域，在边缘立起400mm高的阻水档板，使得玻璃采光顶的玻璃面与档板之间形成一个水池，并在水池中注入平均水深150mm的水。放置72小时后，在室内观察采光顶和采光顶的边部有无渗水、漏水现象的试验方法。美术馆的采光顶顺利的通过了这项试验。 在实际工程中，人们对大型的采光顶和金属屋面在雨季的渗水、漏水现象已经习以为常了，这种现象实际是在设计和施工过程中“不到位”和“不重视”再加上“抢工期”等多种因素造成的。如果每个项目都能象中央美院美术馆项目的采光顶和金属屋面这样，通过严格检查和试验程序后进行验收。把漏水现象消灭在设计和施工过程中，就会大大的减少屋面渗水现象的发生。 我在近期去美术馆回访时，了解美术馆的玻璃采光顶和金属、石材屋面在使用过程中的防水性能。项目的物业管理人员对采光顶和屋面的防水、保温、采光、隔声等性能给予充分的肯定。特别是对防水性能。在七年多的使用过程中未发生过渗水、漏水的现象，对馆内艺术品的保护起到重要的作用。 在回访过程中我们时刻能感觉到美术馆这片板岩石材幕墙能用她特有的建筑艺术语言与老校长徐悲鸿先生的铜像对话；她与“外星飞船”在一起能让人感觉到那么自然……（图3.5~3.6）  4、后记 美术馆建成后我很少去过了，有时偶尔路过会在外面看看，不过每次看到都会想起当年抢工期时的场景。 近日，我去了一趟久别了的中央美院美术馆。我到了中央美院的校门时以为门卫会不让进，我就先在围墙处拍了几张照片之后向大门走了过去。心里已经想好了该怎么说。到了大门，我没有看门卫就一直向校园内走，我在等门卫喊我，可人家没有拦我，我又观察了一下才知道大门是随便进的。紧张的心情总算放下了。因为，当年在美术馆施工的时候美院的大门管理很严格不能随便进出的。 到了美术馆的墙下，看到一块块的长满锈斑的石板。第一感觉是整体外墙面和竣工时一样的沉稳，质朴，敦厚。在上下板岩之间有规律的水平搭接线上还可以看到在八年前安装时为校准精度用的基准点，在板岩石材一层压一层的叠压水平线上未出现任何由于板块或节点变形而引起的板块错位。每一层的叠压线还是那么的整齐充满了韵律。（图4.1~4.2） 令我感到惊讶的是在外墙面的各别板岩表面出现了铁锈斑，在建成初期由于板岩的外表面是作了门面防护液处理的，是对石材表面作了严格的防护的，经过七八年的雨水和气候的侵蚀，在石材的表面有含铁的包裹体出现了氧化现象，并经过雨水的冲刷在这一区域的石材表面出现条形的铁绣斑。  由于铁锈斑痕是天然形成的，在墙面的分布非常自然，没有任何人为的造作感，整体外墙在它的点缀下，显得更加质朴，沉稳而且还增加了许多岁月的沧桑感。可以联想到美术馆内艺术的沉淀（图4.1~4.4）。我想这个效果在当年建筑大师矶崎新先生在设计时是没有想到的。随着时间的增长在美术馆外墙面这块硕大的青石表面会出现更加丰富的纹理变化。我觉得这是美术馆项目外墙板岩（水沉岩）选用的最大意外收获。他给今后追求这种沧桑感效果的设计师们提供了样板。  最近，我看了中国美术馆副馆长谢小凡先生关于中央美术馆在建设过程中的回忆《参悟细节，沉淀精髓——谢小凡之展览美术馆小记》一文。文章中介绍了他和美术馆的故事，也把我带回了和他一起奋战在施工一线现场的回忆中。当时他是业主、是甲方，我们是外墙的设计施工方。工程竣工已多年了，由谢小凡先生的启发我在近日又一次的回到了中央美院美术馆，再激动了一下。 真的应该将这个项目中的很多关键环节介绍给大家，给幕墙工程师们以启发和借鉴，为异形石材幕墙、屋面的建设作出贡献。将项目建设过程中的体会与大家共同分享。 参 考 文 献 [1] 《建筑幕墙》，中华人民共和国家标准, GB/T 21086-2007 [2] 《外围护幕墙设计说明书》，中央美院美术馆项目，2007.04 [3] 谢小凡，《参悟细节，沉淀精髓——谢小凡之展览美术馆小记》,《城市.环境.设计》 2014 [4] 王德勤 ,异型金属屋面和幕墙的设计，《中国建筑防水》, 2012 第7期，总241期，07-11页 全文摘自2015全国铝门窗幕墙行业年会论文集《不锈钢板幕墙设计、施工要点》，作者孟根宝力高，王晓明。 |