用石頭來展現建筑奇特的非線性空間曲面-----中央美院美術館的板巖屋面的工程技術
時間:2015-04-22 16:36來源:環球幕墻 點擊:
| 1、引言 石頭，作為建筑材料在人類早期就已經得以應用。一種可以用作墻面、屋面的天然板狀石頭也早已被人們所認識，并應用于民間建筑中。如石頭寨的房屋建筑基本上都是以石頭為主要材料建成的（如圖1.1、1.2）。但用板狀石頭為主要材料做墻面、屋面的美術館是近年來才出現的，我們叫這樣的板狀石頭為板巖。  那么，什么是板巖呢？板巖的定義是：具有板狀結構，基本沒有重結晶的巖石，是一種變質巖，原巖為泥質、粉質或中性凝灰巖，沿板理方向可以剝成薄片。板巖的顏色隨其所含有的雜質不同而變化。使用這種板巖石材作為面裝飾材料的建筑就是我們本文要介紹的公共建筑項目，中央美院美術館。 1.1、工程概況 中央美院美術館是由日本建筑大師磯崎新（ARATA ISOZAKI）設計，新的美術館位于北京的望京花家地南街8號中央美院內，校區用地的東北角，建筑占地面積3546 平方米，總建筑面積14777平方米，其中地上9032平方米，主要為藝術展廳。地下5725平方米，是藏品庫、設備用房、辦公用房等構成。美術館為地上四層、地下二層的框架結構建筑。 美術館的整個建筑是由三塊自由且不規則的弧面架構而成，外表的幕墻和屋面為板巖石材材料，把剛性石材做成柔性曲面，表現了質樸敦厚、內斂包容的本質特點。于2008年年底投入了使用。 “它的最大亮點就是不論你站在哪一個角度看看上去都顯得非常特別。”（如圖1.1.1~1.1.4）這是中央美院院長潘公凱先生對美術館的贊賞。   1.2 、工程特點及處理方案 中央美院美術館是非線性建筑幕墻的具體體現。建筑的整體是由三塊不規則的非線性曲面在空間架構而成的，是一種近些年來才興起的，典型的非線性建筑幕墻。用曲線、曲面作為非線性的一個重要形式，以建筑幕墻為載體來展示美術館建筑的魅力！ 對非線性建筑探索，是上世紀60年代發生的非線性科學理論在建筑設計上的反映，受到模糊理論、混沌學、耗散結構理論、非標準數學分析等學科的啟發。 其最重要的技術手段在于依靠計算機強大的運算能力來解決各種綜合性復雜問題，包括分析影響參數、 指導建筑施工等等。 美術館建筑外表的幕墻材料和屋面材料為天然板巖石材。全部石材是通過轉接系統固定在1mm厚的原色錘紋鋁鎂錳板上。在這個項目我們采用了無穿透技術將表面的裝飾板巖與支撐結構有機的連接成整體。 在建筑頂部設置了三塊平面多功能玻璃采光頂。 玻璃采光頂采用了半隱框的安裝形式，用8+15A+（6+1.14PVB+6）鋼化夾層中空Low-e玻璃。玻璃表面進行了磨砂處理，室內加遮陽系統。在采光頂結構的室內側設置了接露槽和導水系統，確保玻璃采光頂的防水性能。 由于外部的建筑造型所致，該項目的金屬屋面部分與建筑幕墻部分沒有一個明確的分界線。如果按國家標準來區分幕墻和屋面，就是與水平面大于75°的為建筑幕墻，小于75°的為屋面。幕墻與屋面從節點設計到強度計算以及材料的使用，都有著很大的差異。為確保項目的安全性能和使用性能，我們在設計中根據本工程項目的實際情況進行整體設計，不論是幕墻還是屋面、采光頂將其有機地結合在一起，綜合考慮技術指標。 2、 非線性板巖石材幕墻、屋面的設計 2.1、主體支撐結構 本工程的主體結構是地下2層到地上3層均為鋼筋混凝土結構。3層以上為型鋼曲面鋼結構，彎曲的鋼柱主要是“H”形型鋼，在豎向結構的頂部鋼結構與多榀魚腹式鋼桁架梁連接，按設計要求形成了異形雙曲面鋼結構的殼體，鋼構件之間采用了高強螺栓定位焊接的方案。（如圖2.1.1~2.1.2）  由于該項目的屋面和墻面的外裝飾面板采用了30mm厚的青石板巖，按石材自重和轉接件的重量，每平方米就又增加近10Kg的長期荷載。為確保建筑的安全，在鋼結構梁柱外又增加了二次鋼檁條。鋼檁條在起到增強主體結構穩定性的同時，對底層鍍鋅鋼板硬防水層的固定、“T”型角碼和鋁鎂錳板防水板的安裝起到非常重要的作用。（如圖2.1.3~2.1.4）  2.2、金屬屋面系統的構造 建筑的整體外形是由多個不規則的雙曲面體形有機順滑的集合成一個不規則的異型體。主體結構為鋼結構支撐系統，其外表的幕墻材料和屋面材料為天然板巖石材,其防水功能層是由直立鎖邊的鋁鎂錳金屬屋面板構成的。 由于其體型和功能的要求，對金屬屋面來說，其設計與施工的難度很大，必須結合實際工程情況采取特殊的、能夠適應本項工程的結構，節點設計和施工工藝方案才能順利完成本項工程。本工程屋面系統的構造如下：（自下而上） 主體支撐鋼結構；可進行雙向調整的連接角碼；二次鋼檁條；底層硬質防水鍍鋅鋼板（厚度為1.5mm）；聚乙烯防潮隔層；防水板T型支座系統；雙層50mm保溫棉；鋁鎂錳金屬屋面板（錘紋板），厚度為1.0mm，高直立鎖邊；轉接件，鋁合金材質的連接裝置；弧形鋁支撐管；轉接件，鋁合金材質的背栓石材連接裝置；面層石材為30mm厚的天然板巖。 2.3、 底層硬質防水板、防潮、隔聲、保溫層的設計： 2.3.1、屋面底板的做法有很多 ，可以用軟防水、用壓型鋼板以及聚安脂硬泡等。但由于本工程的金屬屋面為不規則的雙曲面，這些做法都無法解決雙曲扇形面伸縮變形的問題。采用1.5mm厚的鍍鋅鋼板根據曲面的走向鋪設成硬防水層（如圖2.3.1.1~2.3.1.2）。不但解決了扇形排版問題，同時也為安裝過程中施工人員提供了可靠的安全踏板，避免在施工時損壞下層底板。  根據異型雙曲金屬屋面的生產經驗，結合本項目的特點，我們在金屬屋面系統的外層，選用高直立鎖邊鋁鎂錳金屬面層防水板，在底層采用1.5mm厚的鍍鋅鋼板做底層的防水層，用雙層防水的方案來確保屋面系統的防水性能。 為了保證二次防水和提高鋼板的平面外剛度，在節點設計時確定了在左右兩塊鋼板之間折直角邊，并加蓋“Ω”型鋼槽（如圖2.3.1.1）。上下兩塊鋼板在安裝時上板壓下板邊180mm，來保證其防水性能。 2.3.2、防潮層： 在金屬屋面的使用過程中，為防止室內潮氣進入玻璃棉，在玻璃棉的下側加貼隔氣、隔潮、反射熱輻射的鋁箔隔氣層，和聚乙烯防潮隔氣層。厚度≮9μm。為防止室外潮氣進入玻璃棉，常在玻璃棉的外側加貼防水透氣膜，起隔潮防潮作用。但在本項目具體施工時考慮到,這樣復雜的雙曲面外形采用防水透氣膜在安裝過程中無法保證其完整性。同時考慮到防水透氣膜是易燃物，在施工過程中容易引起火災，故此取消了采用防水透氣膜的設計。 2.3.3、玻璃棉保溫層： 根據招標圖紙和招標技術文件的要求，在進行屋面保溫隔熱計算后，最終確定保溫層為100mm厚超細玻璃棉，容重為24kg/m3，玻璃棉的導熱系數為0.036K(W/m°C)。為保證工程質量，達到節能的目標，在深化設計中采用的玻璃棉制品是經高溫熔融，由高速離心設備制成無機纖維后，再加入特制粘結劑和防塵油經擺動帶鋪氈并通過特殊設備改變纖維排列結構，最后經固化定型而成的新型輕質保溫材料。 輕質保溫材料具有如下特點： 1）、耐腐蝕性能：此種玻璃纖維棉性能穩定持久，且對鋼材腐蝕有抑制作用，不會與鋼板間發生任何電化學反應，據有關標準的規定測定，保溫棉等PH值為7.1。 2）、防火性能：根據中國國家標準 GB50016及中國國家防火建筑材料監督檢驗測試中心的檢測判定，保溫棉不燃性(A級)合格。 3）、環保性能：玻璃纖維較細，不含渣球(0%--GB/T5480.5)，使玻璃棉的導熱系數較低，對人體皮膚刺激較小。 4）、抗潮濕性能：保溫棉在溫度49C，相對濕度90%，常壓下通過ASTME84測試，吸濕量低于2%,如本產品被漬濕，干燥后保溫性能完全恢復。 2.4、 鋁鎂錳金屬屋面板的設計： 防水是屋面系統最基本也是最重要的功能，它的好壞直接影響著工程的形象和聲譽。正因如此，屋面系統的防水性能是金屬屋面最為值得關注的方面。 普通壓型金屬板采用的是螺釘穿透式固定，釘孔處僅靠螺釘下的橡膠墊片密封。隨著墊片的老化及屋面板受風壓反復作用，墊片的密封性能將大打折扣，并導致漏水。而且由于屋面存在成千上萬個釘孔，其施工質量也受工人素質及技術水平的制約而難以保障。一旦出現問題，漏水點的查找也十分困難，不易補救。 根據本工程的特點，我們在金屬屋面系統的外防水層，選用高直立鎖邊鋁鎂錳金屬面層防水錘紋板，板型為弧形變截面板（如圖2.4.1）。用這樣的板型來保證實現雙曲面的順滑連接。特別是在曲面形狀復雜的位置，采用兩塊扇形板對接就可以實現球體表面的雙曲面造型。在底層采用1.5mm厚的鍍鋅鋼板做底層的防水層，用雙層防水的方案來確保屋面系統的防水性能。  2.4.1、防水性能分析 本工程采用的是直立鎖邊屋面板型，板肋直立，使得其排水斷面幾乎不受板肋影響，所以有效排水截面較普通板型更大，加之板肋較高65mm，更能保證屋面板在坡度平緩情況下的防水性能，同時鋁合金的彈性模量小，對雙向彎曲的屋面適應性更強。 本方案鋁合金屋面系統采用先進的直立鎖邊固定方式，從根本上杜絕了傳統螺釘穿透固定方式帶來的漏水隱患。直立鎖邊屋面板的固定，首先是將鋁合金固定座用高強不銹鋼螺釘固定于鍍鋅檁條上翼緣，再將屋面板扣在鋁合金固定座的梅花頭上，最后用電動鎖邊機將屋面板的搭接邊咬合在一起。由于采用了直立鎖邊固定方式，屋面沒有螺釘外露，整個屋面不但美觀、整潔，而且杜絕了成千上萬個螺釘孔造成的漏水隱患。另外該屋面系統可配合獨有的鋁合金或不銹鋼配件，使得客戶可以方便地在屋面板上設置裝飾板而無需用穿透屋面板，因而不會留下任何漏水隱患。 此板型的另一個優點是防毛細作用，體現在直立鎖邊系統的板肋上。板肋小邊上的特制凹槽在咬邊后形成的空腔擴大了板肋的隙縫，防止毛細現象的發生，阻絕水分通過毛細作用進入室內，以更好的達到屋面的防水功能。 2.4.2、 吸收熱脹冷縮性能的分析 能有效吸收屋面由于熱脹冷縮而產生的橫向變形和由于底部結構的不均勻沉降而產生的垂直變形。金屬面板的固定座和下部的保溫材料及鋼檁條跟隨主體結構上下運動，而板面的折邊可以吸收大量的形變。在沿板肋的縱向，板更有足夠的撓度吸收可能產生的豎向形變。 金屬屋面系統利用板的折邊變形和板肋空隙來制調整熱脹冷縮。對每塊400mm寬的金屬屋面板，可調節的量可達5mm，在總的可調整量內完全可以吸收該方向的結構位移。 2.4.3、透氣性能的分析 空氣中總是含有一定量的水份的，水份的含量即濕度在一年四季甚至每天都在變化，有時高有時低，這些水份都是以氣態方式存在，但高濕度的熱空氣在遇到冷的界面時，空氣中的水份就會由氣態變為液態，形成冷凝水。屋面板上下的空氣交換有助于使屋面板上下的空氣濕度保持一致，避免一側的濕度過高在遇溫度突變時產生冷凝現象，尤其是要防止屋面板底的濕度太高。有時在翻開一些壓型鋼板屋面時，會發現板的表面沒有被銹蝕，但板底已銹跡斑斑，這就是由于在板底的濕汽太多又排不出去，加速了壓型鋼板的氧化腐蝕。 本方案采用的板型，其板肋的搭接既可防止雨水和毛細水的浸入，但又不妨礙空氣的自然流通，使屋面板底的空氣能夠流動，屋面系統就如同可以呼吸換氣一樣，不會將濕氣悶在板下部。 2.4.4、板的長度方向吸收熱脹冷縮性能的分析 屋面板和鋁合金固定座采用機械咬合的方式來連接，屋面板通過機械咬合力扣合在鋁合金固定座的梅花頭上，但屋面板仍可以在鋁合金固定上面自由滑動，此種連接方式可充分吸收屋面板由于熱脹冷縮在縱向產生的變形。避免產生溫度應力。 2.5、金屬屋面板的排版設計 本工程幕墻和屋面外形是一個不規則形狀，這就給金屬屋面板的排版設計工作增添了很大的難度。金屬屋面板的排版設計是否可行，屋面板對曲面的順滑覆蓋是保證屋面板能自由伸縮及防水的關鍵，因而分析屋面板鋪設在曲面上的效果，并根據分析結果制定相應的排板方案決定著整個屋面工程的成敗。為了確保其使用功能必須對不規則的外形進行詳細的分析，這樣才能完成合理的排版設計。 根據建筑圖紙，建立精確的三維模型，并將三維模型分為三大區域。使之自然形成了不規則的8個分區（如圖2..5.1）。在每個分區中的板型都是根據所在位置的不同而產生變化的。 對雙曲形狀金屬屋面在排版設計時需要考慮以下幾個問題: a)由于屋面雙向彎曲，如使用直板,會出現扭曲甚至無法安裝的情況,在此情況下,使用扇形板或局部使用扇形板將是最好的解決辦法。 b)由于屋面板鋪設方向不能沿著曲面的徑向，因此在沿著屋面板側向會有較大的偏移,尤其是板的中部,如果出現這種偏移,且偏離距離過大,將需要板有很好的柔韌型,并可能需要采用異性板。 c)由于屋面雙向彎曲，在屋面板的中部會出現橘皮效應(中部增寬)。直立鎖邊的壓型板由于帶肋,每片板可以在中間拉大5-10mm，可以有效解決此問題。若結合扇形板寬度變化的特點，能更好地解決此問題。  在板型的分布上，有的分區全部都由扇形彎弧板組成。有的分區是由扇形彎弧板與弧形板組合而成，有的分區是由扇板、弧板、直板相互組合成形的。但在每個分區中只能有一個坡度不同的排水走向。（圖2.5.2、2.5. 3）  技術的突破： 三維曲面的圓滑過度，用大角度可調整的節點技術將板塊擬合成曲面。使功能層的鋼結構，保溫防水及底部鋼板硬防水層和弧形鋁鎂錳直立鎖邊板與面材的石材板塊有機的結合，實現了理想的空間曲面。 2.6板巖石材與金屬屋面板的連接系統的設計： 美術館建筑外表的幕墻材料和屋面材料為天然板巖石材。全部石材是通過轉接系統固定在1mm厚的原色錘紋鋁鎂錳板上。在這個項目我們采用了無穿透技術將表面的裝飾板巖與支撐結構有機的連接成整體。 天然板巖石材與金屬屋面板的連接主要采用了弧形鋁支撐管轉接技術，用這套轉接系統能將各種不同方向的屋面板直立肋邊，通過弧形鋁支撐圓管轉換成板巖石材板布設時所需要的方向和位置。 轉接件在屋面板上安裝，起到轉接橫向鋁管的作用。轉接件采用鋁合金型材加工而成，轉接件為兩件，滿足其轉角要求（如圖2.6.1~2.6.4）。   2.7、板巖石材在幕墻和屋面上的排版分布設計 石材為30mm厚的天然板巖。灰綠色調，表面肌理為鱗片形式，板巖的上下為瓦片式搭接，水平的相鄰板塊縫隙寬度為3~6mm。板巖表面的不規則的紋路使建筑有渾然天成的風化石的感覺。石材的表面進行了水性養護處理。對板巖的邊部切口斷面進行了磨光處理。為增加安全度在板巖的底面增加了一層附著纖維絲網，處理的方法是用膠將絲網與板巖粘接成整體。   由于板巖石材所覆蓋的墻面和屋面均為曲面，這就使得在石材板塊分割時必須考慮到用平板來擬合曲面的問題，為了實現建筑設計時的理念板巖之間的整體順滑拼接是極為重要的。按照建筑設計的要求我們將板巖的分割基本尺寸確定為600mm長，300mm、400mm、600mm三種尺寸的寬度，在下料時板塊的長度尺寸變化控制在10mm范圍內，寬度尺寸變化控制在50mm范圍內（如圖2.7.1~2.7.4）。 在設計過程中我們充分考慮到了整體曲面對單片石材分割的影響，在石材板塊下料時每一片石材在保證基本尺寸的同時其形狀都有所變化。這樣石材板塊的互換性就大大的降低了，同時為了能夠按設計分布圖中的要求順利的安裝，我們對每片石材都對應的進行了編號。我們深知，這時的麻煩是為了更好的實現整體建筑的藝術效果，是值得的。 3、多功能玻璃采光頂的設計 這個項目值得一提的還有位于建筑頂部的三塊平面多功能玻璃采光頂。 玻璃采光頂采用了半隱框的安裝形式，用8+15A+（6+1.14PVB+6）鋼化夾層中空Low-e玻璃。玻璃表面進行了磨砂處理，室內加遮陽簾（如圖3.1~3.4）。  在一次記者采訪時，中央美院院長潘公凱先生贊賞的說“天窗做得很新奇，白天自然光晚上燈光照射，天窗分成許多層，有鋼化玻璃、隔熱層、防紫外線玻璃、磨砂玻璃等，人還可以爬進去換燈。” 玻璃采光頂和金屬屋面的連接部位是最容易產生漏水的區域，對此部位在設計和施工中作為重點控制的部位。屋面的防水性能經過了淋水試驗和當年的雨季滲漏觀察，未出現滲漏情況。 為了防止采光頂出現漏水的現象，在采光頂玻璃面板施工安裝完成之后進行了淋水試驗和超規范的蓄水試驗。試驗的方法是在玻璃采光頂的區域，在邊緣立起400mm高的阻水檔板，使得玻璃采光頂的玻璃面與檔板之間形成一個水池，并在水池中注入平均水深150mm的水。放置72小時后，在室內觀察采光頂和采光頂的邊部有無滲水、漏水現象的試驗方法。美術館的采光頂順利的通過了這項試驗。 在實際工程中，人們對大型的采光頂和金屬屋面在雨季的滲水、漏水現象已經習以為常了，這種現象實際是在設計和施工過程中“不到位”和“不重視”再加上“搶工期”等多種因素造成的。如果每個項目都能象中央美院美術館項目的采光頂和金屬屋面這樣，通過嚴格檢查和試驗程序后進行驗收。把漏水現象消滅在設計和施工過程中，就會大大的減少屋面滲水現象的發生。 我在近期去美術館回訪時，了解美術館的玻璃采光頂和金屬、石材屋面在使用過程中的防水性能。項目的物業管理人員對采光頂和屋面的防水、保溫、采光、隔聲等性能給予充分的肯定。特別是對防水性能。在七年多的使用過程中未發生過滲水、漏水的現象，對館內藝術品的保護起到重要的作用。 在回訪過程中我們時刻能感覺到美術館這片板巖石材幕墻能用她特有的建筑藝術語言與老校長徐悲鴻先生的銅像對話；她與“外星飛船”在一起能讓人感覺到那么自然……（圖3.5~3.6）  4、后記 美術館建成后我很少去過了，有時偶爾路過會在外面看看，不過每次看到都會想起當年搶工期時的場景。 近日，我去了一趟久別了的中央美院美術館。我到了中央美院的校門時以為門衛會不讓進，我就先在圍墻處拍了幾張照片之后向大門走了過去。心里已經想好了該怎么說。到了大門，我沒有看門衛就一直向校園內走，我在等門衛喊我，可人家沒有攔我，我又觀察了一下才知道大門是隨便進的。緊張的心情總算放下了。因為，當年在美術館施工的時候美院的大門管理很嚴格不能隨便進出的。 到了美術館的墻下，看到一塊塊的長滿銹斑的石板。第一感覺是整體外墻面和竣工時一樣的沉穩，質樸，敦厚。在上下板巖之間有規律的水平搭接線上還可以看到在八年前安裝時為校準精度用的基準點，在板巖石材一層壓一層的疊壓水平線上未出現任何由于板塊或節點變形而引起的板塊錯位。每一層的疊壓線還是那么的整齊充滿了韻律。（圖4.1~4.2） 令我感到驚訝的是在外墻面的各別板巖表面出現了鐵銹斑，在建成初期由于板巖的外表面是作了門面防護液處理的，是對石材表面作了嚴格的防護的，經過七八年的雨水和氣候的侵蝕，在石材的表面有含鐵的包裹體出現了氧化現象，并經過雨水的沖刷在這一區域的石材表面出現條形的鐵繡斑。  由于鐵銹斑痕是天然形成的，在墻面的分布非常自然，沒有任何人為的造作感，整體外墻在它的點綴下，顯得更加質樸，沉穩而且還增加了許多歲月的滄桑感?？梢月撓氲矫佬g館內藝術的沉淀（圖4.1~4.4）。我想這個效果在當年建筑大師磯崎新先生在設計時是沒有想到的。隨著時間的增長在美術館外墻面這塊碩大的青石表面會出現更加豐富的紋理變化。我覺得這是美術館項目外墻板巖（水沉巖）選用的最大意外收獲。他給今后追求這種滄桑感效果的設計師們提供了樣板。  最近，我看了中國美術館副館長謝小凡先生關于中央美術館在建設過程中的回憶《參悟細節，沉淀精髓——謝小凡之展覽美術館小記》一文。文章中介紹了他和美術館的故事，也把我帶回了和他一起奮戰在施工一線現場的回憶中。當時他是業主、是甲方，我們是外墻的設計施工方。工程竣工已多年了，由謝小凡先生的啟發我在近日又一次的回到了中央美院美術館，再激動了一下。 真的應該將這個項目中的很多關鍵環節介紹給大家，給幕墻工程師們以啟發和借鑒，為異形石材幕墻、屋面的建設作出貢獻。將項目建設過程中的體會與大家共同分享。 參 考 文 獻 [1] 《建筑幕墻》，中華人民共和國家標準, GB/T 21086-2007 [2] 《外圍護幕墻設計說明書》，中央美院美術館項目，2007.04 [3] 謝小凡，《參悟細節，沉淀精髓——謝小凡之展覽美術館小記》,《城市.環境.設計》 2014 [4] 王德勤 ,異型金屬屋面和幕墻的設計，《中國建筑防水》, 2012 第7期，總241期，07-11頁 全文摘自2015全國鋁門窗幕墻行業年會論文集《不銹鋼板幕墻設計、施工要點》，作者孟根寶力高，王曉明。 |