大型空间复杂结构双曲面金属板幕墙系统设计
大型空间复杂结构双曲面金属板幕墙系统设计
——黑龙江省文化产业示范区中国木雕、冰雪画文化艺术馆
广东金刚幕墙工程有限公司 陈 鹏
摘要：本文通过对黑龙江省文化产业示范区中国木雕、冰雪画文化艺术馆双曲面屋面系统的设计分析，阐述了空间复杂双曲面金属板幕墙系统的设计重点、难点及解决方案，即如何通过建筑曲面的分析优化，对曲面造型的合理划分及系统构造的合理选取来实现空间曲面板安装的三维调整及建筑造型的完美呈现。
关键词 双曲面；三维调整；不锈钢蜂窝板；模型优化
1 建筑设计
黑龙江省文化产业示范区中国木雕、冰雪画文化艺术馆是黑龙江文化产业示范区群力部分的重点项目,是哈尔滨市城建百个大项目之一。位于哈尔滨市群力新区024地块,北临群力第五大道,东临景江西路。总建筑面积:17169.41平方米。建筑层数与总高度:建筑地下一层,地上三层,建筑总高度为21.22米。为多层公建。本工程结构形式地下为框架结构,地上为钢结构异形框架。建筑的设计使用年限为50年. 本工程抗震设防烈度为6度.
艺术馆建筑形体概念从枯木融冰的意象出发，用符号语言诠释木雕艺术馆和冰雪画博物馆的文化内涵。建筑形体两端简洁中部突变，生成具有动感的整体形象，此时建筑不再是单纯的功能性工程，揉合多种性格特征形成艺术化形象，这种独特的形象将成为标志性城市雕塑。
艺术馆室内中庭空间高耸，通过顶部开口，柔和曲面墙体与天空的广袤背景展开对话，此种向往自然的语言如波浪般起伏凝固在建筑外部。时辰四季的变化将不同色彩与质感的光线引入中庭，在曲墙上撒下变幻的阴影形成大自然赋予的光之雕塑。三个中庭具有不同的性格特征，中部中庭开阔，气势磅礴迎接各方来客；南部中庭静谧，成为木雕展厅一部分，人在这个空间安静的观看、感受、思考。北部中庭活跃，与动态交通结合，因为人自己的游走，空间中静止的空气、光影开始流动，赋予这个中庭不同的性格特征，隐喻冰与雪安静外表之下蕴含能量。
图1 木雕艺术馆整体鸟瞰图及正面人视图
2 幕墙设计
本工程主要幕墙系统包括：不锈钢蜂窝板双层屋面、立面玻璃幕墙、玻璃采光顶、背墙面SRC板幕墙、端部不锈钢穿孔蜂窝板幕墙等。对于大型空间复杂结构双曲面金属板幕墙系统，需要解决的重点难点是：
a.建筑外形造型复杂，需整体建模优化分析；
b.选取适合本工程特点的屋面系统；
c.保证各项功能所采取的技术措施；
d.为实现建筑造型及效果，外层面板的技术保证措施。
2.1建筑造型量化分析及系统选取
图2 木雕艺术馆整体建模分析
通过对木雕艺术馆整体建模分析，我们可以看出：屋面造型呈现扭曲状态；屋面量化后有大量双曲面；屋面曲率变化程度大；蓝色与红色区域为屋面曲率突变程度大的区域。对整体模型通过计算机模拟优化，第一步是把双曲面尽量优化为单曲面，即尽量减少双曲面的数量；第二步是对单曲面分区域尽量使用同一半径，以减少曲面板块的种类及数量。
本工程选取PVC防水屋面系统+嵌缝式双曲面不锈钢蜂窝板装饰面层的幕墙体系
图3 木雕艺术馆屋面幕墙系统标准节点图
以下对本系统做详细分析，本屋面系统从外到内各层构造及其功能如下：
屋面幕墙系统装饰层：
15mm厚不锈钢蜂窝板-------装饰面层
圆管及方管-------------不锈钢蜂窝板受力层主次龙骨
屋面幕墙系统功能层：
1.5mm厚PVC防水卷材-------主要防水层
0.6mm厚平板镀锌板--------卷材基层
125压型钢板0.8厚镀锌板---卷材受力层
80x60x5mm钢方通次檩条-------压型钢板受力层
热、反射隔热膜-----------隔热层
50mm厚玻璃纤维棉---------吸音层
150mm岩棉加铝箔贴面------防火保温层
防水隔气膜---------------防水隔气层
HV-125压型钢板-----------岩棉受力层
120x60x5mm钢檩条--------上层屋面系统受力层
主体钢结构---------------屋面系统受力层
2.2大型空间复杂结构双曲面金属板幕墙系统设计分析
屋面幕墙系统功能层设计分析
第一层次：屋面檩条的布置，其与主钢结构的连接支座可实现竖直面的调整功能。在主体钢结构上下，按短轴方向间距1.5米布置钢檩条，钢檩条与主体钢结构之间一端采用焊接，另一端采用螺栓连接并与主体钢结构之间留有20mm的空隙以保证钢檩条能自由伸缩变形。
图4 木雕艺术馆主体钢结构轴侧图
第二层次：对于主要防水层的设计，我们综合考虑了多种因素。如果采用传统的直立锁边板的做法，有以下难处：
A、技术方面
屋面造型独特，曲率突变，造成面板材料需要扭曲受力，安装完成后存在应力，不利于屋面板咬合密闭防水；
热胀冷缩条件下，面板进行伸缩运动，面板咬合位置受力不均匀，影响面板的自由伸缩，造成屋面防水节点的功能失效，甚至造成屋面板的局部破坏；
上层装饰板的荷载需要施加在屋面板板肋上，使屋面板的受力情况更加复杂。
B、施工方面
工艺复杂，需按以下顺序施工：钢结构误差测量——现场与理论评估——理论模型调整——计算机排板下料——现场复核尺寸——现场支座预装——单元屋面板试装 ——单元调整——单元安装——各单元安装——装饰板骨架安装——装饰面板安装
与通常工程比较增加了计算机下料、现场预拼装等环节，需要较长的时间，施工周期加长。
另外，施工精度要求高。针对此种大型复合型屋面的建筑工程，对建筑外观有极强的建筑效果要求，能够很好的展现设计意图。一定要从结构角度把握掌控误差问题，解决好不同专业间的误差消化问题，从各个层面解决精度问题。支座的安装是否平顺直接影响屋面板的安装质量，屋面板层的精度又影响到装饰层的安装。针对本工程复杂的造型更加有很大的难度，调整到最佳效果需要耗费一定的时间。
由此我们采用了PVC防水屋面系统，该系统有以下优点：采用PVC柔性卷材，施工工艺简单快捷，简短施工周期，并且可以很好的适应建筑造型。钢结构支撑穿出屋面，与上层装饰层骨架进行机械连接，并做防冷桥处理，装饰层骨架间机械连接，避免焊接产生防火隐患。穿出屋面位置，卷材上翻并在卷材外部增加二次防水，保证屋面的整体防水性能。
PVC防水卷材做为屋面防水层，即聚酯纤维内增强型聚氯乙烯（PVC）防水卷材，其具有以下特点：
1、PVC防水卷材拉伸强度高，伸长率好，热尺寸变化率小。
2、具有良好的可焊接性，接缝热风焊接后与母材成为一体。
3、具有良好的水汽扩散性，冷凝物易排释，留至基层的湿气、潮气易排出。
4、耐老化、耐紫外线照射、耐化学腐蚀、耐根系渗透。
5、良好的耐高低温性和耐侯性，使产品适应不同环境的温度变化，产品的 使用温度范围在-40℃~90℃，在我国广大地区均可使用。
6、使用寿命长（屋面25年以上），且无环境污染。
7、颜色的表面反射紫外线照射，PVC防水卷材表面吸收热量少，温度低。
8、优异的柔韧性和伸展性、拉伸强度高 、极佳的尺寸稳定、机械强度高、 耐侵蚀性、耐根系渗透性、耐候性和抗紫外线性、抗冰雹性。
9、 较宽的幅面，减少了产品的搭接接缝，有效的保证了工程质量，同时降低了材料的消耗，节约了工程的成本。
确定了PVC作为屋面的防水功能层之后，接着是上面的不锈钢蜂窝板装饰层的设计。本系统从主体钢结构上伸出钢管支座，用于连接不锈钢蜂窝板的次龙骨。伸出的钢管支座由上卷的PVC卷材包裹，并在四周用耐候胶密封。钢管支座的长度可根据建筑完成面到钢结构的距离确定，长短不一。
屋面幕墙系统装饰层设计分析
本建筑外装饰材料建筑师要求是不锈钢的效果，对此，我们有两种选择，一种是不锈钢单板，另一种是不锈钢蜂窝板。如果用不锈钢单板做，如2mm厚的不锈钢板，可以采用多点无模成型的数控机械设备加工成双曲面。不过通过实际调查研究及样板制作，我们发现，对于这种多点无模成型的数控机械设备国内只有极少厂家配有，而且它比较适合工业制造，本建筑的面板曲率较多，不太适合工程上的批量生产。最重要的是，这种多点无模成型的数控机械设备加工成的双曲面不锈钢板，很难进行二次加工，回弹比较大，无法定形，最终我们选择采用不锈钢蜂窝板。
图5 多点无模成型数控机械加工设备
加工曲面不锈钢蜂窝板采用常温复合生产工艺，其生产工艺流程如下：
加工图纸（三维图）——生产工艺图纸转换——备料——折边（含可调节的弧线折边模具）——数控划线切割——不锈钢板开平————复合（含调模、上胶、展蜂窝芯）后加工成型——成品检验
常温复合工艺除了能够加工平板蜂窝板外，还能加工制作各种类型的蜂窝板，如单曲、双曲、不规则板等，工艺比较灵活。
本工程不锈钢蜂窝板屋面分格，采取的是按短轴（数字轴）斜向72度角的方向以600mm的间距从建筑犀牛模型中切出一条条建筑剖面线，形成不锈钢蜂窝板600mm方向的分格线。600mm方向的分格线取出之后，就得到一条条门字型的线条，对这些线从背立面标高10.875m的基准线(SRC板与金属墙面的交界线）开始向两端按1200mm的距离等分，相邻两块面板错缝30至300mm不等，再将这些等分点依次连接起来就得到不锈钢蜂窝屋面板的横向分格线。板块大小均为1200X600mm左右。
图6 木雕艺术馆表皮分格三维模型图
不锈钢蜂窝板1200mm方向的铝圆管龙骨按不锈钢蜂窝板分格线布置，由建筑表皮线得到的分格线向内偏移120mm就得到了不锈钢蜂窝板1200mm方向的铝圆管次龙骨中心线。从主体钢结构及主檩条上伸出钢管支座，用于连接不锈钢蜂窝板的铝合金主龙骨。铝合金主次龙骨之间通过专用的铝合金夹具连接，并通过角码进行微小误差调节。
不锈钢蜂窝板连接及自身支座的三维调整与角度调整。连接装饰面板的铝合金副框是一个类似合页的组件，面板可绕此副框合页轴有一定角度的转动，由此可实现装饰面板拼出有一定曲度的整体屋面。相邻板块之间25mm的缝隙及可转动副框设计，能有效消除装饰面板的加工误差和安装误差。
图7 面板角度调整三维示意图
我们选取屋面部分区域，其理论板块大部分均为双曲面板。 对理论双曲面板块我 们进一步分析其曲率大小。选取其中的一块双曲面不锈钢蜂窝板，对其两边的曲线拱高测量分析。如图所示，对于不锈钢蜂窝板长边拱高H1、短边拱高H2及第四点到其它三点面的距离h有以下二种情况：
1)H1＜3mm，且H2＜2mm时， h ＜3mm时，不锈钢蜂窝板可用平板代替；
2） 其他情况时，不锈钢蜂窝板按实际曲面加工。
图8 局部面板分格图
图9 双曲面板三维示意图
本工程存在大批量的异形板（如单曲带弧边板、双曲面板等），主要是从以下三方面进行技术处理及生产处理:加工图的转换：施工单位提供三维空间图，采用专用设计软件进行转换，避免了一般通用的CAD软件转换效率低，正确率不高； “单曲面板四边弧线的加工”依靠特殊的折边设备及板块裁剪设备；“双曲面板的加工”依靠特殊的复合成型加工模具。用专用软件进行三维模型图中板块的分割将三维图中对角线来控制板块的尺寸及精确度。
10 双曲面板三维加工下料示意图
3 结束语
大型空间复杂建筑越来越受到建筑的青睐，其空间复杂造型往往能实现建筑师对新奇建筑追逐的梦想。随着空间三维加工及施工技术的发展，复杂空间造型的建筑也越来越多，越来越受到人们的欢迎，而实现其建筑效果的双曲面幕墙设计自然也就越来越普及。大型空间复杂结构双曲面金属板幕墙工程，以往一般是通过施工现场做模板或其它现场放样等工艺实现，但对于大面积、大体量的双曲板，这样做大大增加了人力、物力及时间，无法满足业主的造价及工期要求，显然不合适了。通过新技术的应用，以设计为核心，指导生产加工和施工安装。
本文通过对黑龙江省文化产业示范区中国木雕、冰雪画文化艺术馆双曲面金属幕墙的设计分析，从整体建模—模型优化—幕墙系统合理选取及面板材料选取--面板划分—双曲面板加工—制作安装，等步骤介绍了一种大型空间复杂结构双曲面金属板幕墙系统设计方法及思路。
黑龙江省文化产业示范区中国木雕、冰雪画文化艺术馆以其负责的建筑造型，完美的建筑效果给我们以极大的视觉冲击。在整个项目设计施工中也遇到了很多问题，通过分析研究，特别是在工厂做其中最复杂的一块1：1样板，把大量问题暴露在工厂研究解决，大大减少了现场施工的困难。黑龙江省文化产业示范区中国木雕、冰雪画文化艺术馆的建成，必将标志着哈尔滨市又一新地标的诞生，并且为大型空间复杂结构双曲面金属板幕墙系统的设计及施工提供可借鉴的空间。