构造技艺成就完美建筑
时间：2020-03-30 05:25:42 来源：千叶帆 本文已影响人
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国家大剧院已经建成很多年，虽然当初因为各种原因饱受争议，但随着时间的推移，却逐渐成为大家心中的经典。作为有幸参与国家大剧院工程的一分子，我有理由为之自豪。
“驻足长安街，人民大会堂西侧，一泓碧水中，卧着半边巨蛋；微波荡漾里，侧影淡淡晶莹，这就是国家大剧院一一中国文化艺术的最高殿堂，金碧辉煌，令人神往。我有幸在生命中这段时光，参与建造了这座艺术殿堂。我们为之日夜奋斗，挫折无数之后，终于完成了这一历史重任！此时此刻，我心潮澎湃，思绪万千。工程中的一幕幕，让我浮想联翩……如果错过了参与这个重大工程，我定后悔一辈子！”这是我所写作的《天穹之路》的自序。
成就国家大剧院经典的元素很多，但屋面工程是必不可少的。尽管这几年行业里设计制造了不少同类建筑，但很少有能出其右的。一方面与国家大剧院建成后技术解密不多，多以记录工程各种过程为主有关；另一方面，在中国，许多新技术、新材料、新理论的应用都必须在被建筑市场接受，并成为标准规范之后，才会得到广泛的应用和发展。而新技术往往造价偏高，这些都导致我国帷幕的整体技术发展缓慢，与市场脱节。况且，企业的设计和研究人员为了应付繁重的工程设计任务，很难投入精力进行技术创新，导致大多数帷幕设计者固守在现成幕墙或屋面系统的框框之下。
笔者作为国家大剧院帷幕工程的设计者和施工总负责人，将从剧院屋面工程的构造工艺等方面与大家分享心得，希望对大家的工作有所借鉴。
屋盖标新立异
法国团队方案中的屋面防水系统在各交点突出钢构件支承钛装饰板，屋面分别由改性橡胶、木屑水泥板、保温棉、压型钢板等组成。按照这个方案，在压型钢板上放置保温棉，再铺上木屑水泥板，其上就覆盖一层3mm厚的改性橡胶（EPDM），作为几万平方米屋面的防水层，主结构的交叉节点向外穿出几千根直径约150mm的圆管，在改性橡胶外面做了5000余座，然后安装圆管外支架，再用螺丝可调夹持的方式固定导轨座，以此来固定装饰钛板。
理想的状态下，这似乎是一个可行的方案。但是，超级椭球必须被划分成无数块大小、角度都不一样的扇状梯形的压型钢板，只有这样才能让其能够连接起来达到底层平顺的效果，这是非常难实现的，需要高昂的成本。其次，在柔软的保温棉上放20mm厚强度及韧性都比较差的木屑水泥板，工人只要一踩就碎了，怎么施工呢？再其次，方案中只用一层3mm的改性橡胶（EPDM）作为屋面防水层，如同一张大的雨布往大剧院上一盖了事；3mm的改性橡胶也是一块块现场热压而成，随着椭球体从上到下由水平面变成垂直面，下部重力的拉伸会使上部橡胶片受力徐变，由厚变薄，由薄变穿孔。另外，需要在五千多支钢管穿出橡胶片处再进行二次防水，人为的工艺防水更容易出现问题。防水层下，没有办法对漏水处进行疏导，存在严重的渗漏隐患，使人无法相信这方法真能成为超级椭球防水屋面的建造方案。
更严重的是一些不为人们重视的非工程因素和物料因素的破坏。国家大剧院的屋面为开放式装饰层，有许多缝隙。小动物、昆虫和鸟类可以从这里钻进去，也可以从排气管道进去，老鼠和鸟类很喜欢啄食改性橡胶，它们的排泄物对改性橡胶也有很强的腐蚀作用，很容易造成国家大剧院屋面渗水。
另外，他们还细心设计了钢结构支承玻璃幕墙，球连接承托在主结构60mm厚的钢耳上，钢管通过特殊的铝型材支承玻璃单元。但每块玻璃面积很大、很重，螺钉没法阻止强大的扭力引起施转，我们没有做彻底评估就断然深入进行设计工作和做实体模型，为此我们“迷路”了八个月。
屋面建设不能漏是最基本的要求，用机械的手段是可以解决构造设计问题的，刚性防水的最大特点就是变原来的工艺性防水为构造性防水，并在相对密闭的构造表面实现钛金属板的无创外挂。刚性防水方案得先从防水材料的选择入手，采用增厚铝镁锰合金板防水层加外挂装饰系统，是解决国家大剧院屋面工程防漏的最佳选择。
构造技术先进
国家大剧院的椭球大穹体屋顶是目前我国跨度最大的完整壳体钢结构建筑，东西长轴为212.20m，南北短轴为143.64m，建筑地面高度为46.285m，地下最深处为-32.50m，周长约600m，可容纳整个工人体育场。主体钢结构由148榀放射形布置的弧形钢架组成，主体钢结构重达6750t，加上屋面重量3280t。这个总重超过10000t的庞然大物中间没有一根柱子支撑，完全靠自身结构体系来保证强度、刚度和稳定性。
但法国团队方案在设计钢结构时没有考虑屋面系统的支撑结构，必须重新设计二次结构系统，即檩条系统。在设计二次结构时，为了使主钢架受力合理，不产生节间荷载，必须沿主钢架和冠状方向布置二次檩条网；为了能拟合光滑的曲面屋面，每条次檩必须弯成双向弧形，且每条次檩的长度和弧度各不相同。这就意味着，支承二次檩条的牛腿既要有足够的强度，还要能够随屋面的曲率变化调整角度，自由伸缩。除此之外，还要使每单元内次檩必须既能刚接固定，又能滑动连接，使屋面各处可免受移位的限制，避免应力产生导致屋面防水层被破坏。
施工完毕的钢结构不能焊接，我们必须想办法夹持二次结构，这是中国建筑设计与外围护结构设计分离的通病，这种状况每年使国家损失数以十亿计的人民币，也损失许多劳动力和工期，损害了环境……
模型直观、真实、可靠
应业主要求，我们选择大剧院第六、七、八层钛板与玻璃交界处为对象制作了一个实体模型，为了方便观察，我们使它离地1.2m，侧看像一个大A字，一侧按法国设计师的设计图纸如实制作；一侧按我们设计的方案制作，钢结构按大剧院钢结构原型的最外层1：1如实制作，其中包括钢横梁的铸钢接头、螺丝连接，也包括6mm超厚钢板、牛腿等。施工过程也模拟国家大剧院制定的施工方案的模式，以便取得施工经验，总结设计零部件制作、安装程序办法的教训，改进措施，为将来正式施工打下基础。通过结构和节点对比、力学模型模拟、淋水实验等，最终选择了我们设计的方案，从此，我们开始了更为艰巨的任务。
模型是真实的缩影，能以最直观的方式呈现最真实的效果，特别是在建筑设计、工程实施前期，建筑模型提供了一个可事前直观评估建筑设计产品的机会。实体模型通常选择建筑最具代表性的部分，以真实材料按1：1制作，用以测试各种数据及考量设计加工和施工安装工艺。
设计的屋面采用软防水方案，选用改性橡胶（EPDM）作防水层，设计改进后的屋面采用刚性防水方案，用加强铝镁锰合金板防水。根据两种方案制作的模型经淋水试验均不漏水。但改性橡胶耐用性差，易受各种因素影响损坏；铝镁锰合金耐用时间长，且造价相对低。因此，业主委员会选用了刚性防水屋面。在模型的基础上，在清华大学建筑玻璃与金属结构研究所的技术支持下，我们又对刚性防水方案的屋面系统的细节作了进一步强度试验、耐候试验，经过推敲研究后，使方案更加完善。
模型完成并确定方案后，国家大剧院业主委员会做出了如下评价：“由法国ADPI公司负责设计的国家大剧院屋面工程方案存在不少技术问题（特别是软防水屋面系统不能满足屋面防漏要求），使工程难以付诸实施。（某公司技术人员）经过一年多不断努力，反复修改，终于设计出能确保防漏、减轻荷载、降低成本、便于施工的硬防水屋面系统方案，现场实体模型以及各种实验充分证明了该设计方案的科学性、先进性和可行性，解决了屋面工程中各个环节的技术难题。修改方案得到了业主、APDI公司及总承包联合体的充分肯定……”
关于透明玻璃幕
法国团队设计的玻璃幕墙方案过于理想化、幕墙化。玻璃穹顶是用1126片大小不同、倾角各异的平板超白玻璃拟合成的椭球曲面，底部为不钢化的中空夹胶超白玻璃，每片面积近10m2，最大单件重约800kg。原设计中玻璃的支承系统结构复杂，且受力不合理；玻璃尺寸角度不一，难以与铝合金框吻合；外侧玻璃用胶与框粘合极不安全；采用胶条密封难以保证不漏水等众多问题，具体如下：
（1）由于角度千变万化，预制支承框技术要求过于苛刻，难以满足公差要求。
（2）根据模型实践的结果，最终可能因玻璃缝影响美观，也造成安装困难。
（3）铝框截面复杂、形状不同，在交接位置难以拼接合框，严重影响加工周期。玻璃合框不牢靠，降低了防水性能和安全度。
（4）振动、静荷载以及材料的变形等因素均可使支承边移位，玻璃容易失去支承，造成危害。
（5）荷载传递路线过于复杂，对支承梁产生附加扭矩。
（6）防水性能无法保证。第一道（湿）密封在玻璃外片与轨道之间，直接影响屋面防水性能；柔性连接的轨道忽略了大部分玻璃作为采光顶的功能，在承载往复荷载时将引起较大的振动和转动位移，严重损伤湿式密封的粘接，造成密封被破坏，导致防水失效；相邻玻璃不在同一平面内，第三道密封只能采用中间开缺口的办法调节角度，但中间开缺口影响胶条的受力性能，特别是温度和变形难以承担。
（7）等压仓设计不成立。第二、三道干式密封间采用等压设计。在玻璃的十字交接处，经向、纬向铝合金框架、铝合金压板、盖板不可能连续。而仅仅通过密封条的热熔连续，不可能形成密封等压仓。
根据我们多年的经验，要将这些问题一一解决，是一个艰难的过程。玻璃部分必须重新设计，首当其冲的是玻璃的钢化问题。法方坚持采用不钢化玻璃，理由是钢化玻璃存在光畸变，影响外观效果。他们认为，大剧院建成后四周有水池，即使玻璃破碎掉下也无大碍。但玻璃不钢化违反我国相关规范中的强制性条文，何况是在如此重大的工程中。而且，在施工过程中，未经钢化的超大面积玻璃极易破碎，可能造成伤人惨案，这是绝对不允许的。果然，在模型的加工制作和安装过程中，尽管工人们小心翼翼地抬，破损率仍远远超过正常范围。因此，我们坚持“在中国建造的工程就要遵照中国的规范，玻璃必须钢化”的主张得到了业主和监理的支持。
的确，一般的钢化玻璃存在光畸变的问题，我们也有必要解决这个实际问题，使国家大剧院外墙玻璃避免出现各种因光畸变引起的折射、光斑、微裂纹等。我们与协作加工单位认真交待工程的重要性及问题所在，随后技术人员改进钢化玻璃的工艺和设备，生产出“纯平无斑”的钢化玻璃。法国人惊讶了，这在世界上是绝无仅有的啊！当大家戴上偏光镜仔细察看完成钢化的玻璃后，终于信服并同意改用钢化玻璃。
我们在原方案的基础上进行很多次的改进优化，提出了一套又一套方案，新方案解决了原设计中存在的受力不合理、防水难以保证的问题，但工艺仍然较复杂，制作工序也比较烦琐。多次做模型，多次推翻自己的方案后，在各个过程方案的基础上，精心研究，详细讨论，最终采用的玻璃幕墙方案颇具特色。
多功能万向玻璃幕墙支撑结构是1054个方向可调的球头连接转盘，与钢结构上挑出的1054条牛腿相连，这样玻璃通过铰接形式支承在铝合金梁上，光滑拟合了椭球曲面。在节点的选材上，综合考虑安全和美观的要求，主受力件球头螺栓采用高强合金钢40Cr，型号为316的不锈钢连接转盘按12。不同十字交叉角度分成12类（每类变化1°）。铝合金梁采用6061T6，表面进行氟碳喷涂处理，具体构造策略如下：
（1）玻璃框：可调动的“双保险”体。不论现场的安装、零件的加工以及角度变化均采用同一种零部件、同一种安装方式，同时不受角度变化的影响，节省了工艺成本，降低了施工难度。
（2）防水：硅酮胶三重防水。
（3）玻璃连接：多向、变角度可调节器。支承牛腿将玻璃荷载直接传到主结构上，构件之间设计了弹性伸缩，用以调整腹板与球头之间的距离，且能适应屋面变形。优点是安装灵活、施工方便，且定位准确。
（4）十字连接件与力的传递：通过一对上下转盘上的两个支臂来调整三维夹角，解决了主钢架牛腿与玻璃外表面间夹角不断变化的问题。十字连接件通过球头把力传递给牛腿，直接作用在主梁上，受力合理，安全可靠。
（5）正确安装好各支承梁，调整尺寸、角度：放上玻璃，用压块压住中空玻璃，中间用螺栓与铝合金腹板紧密连接。采用可调垫块以满足两块玻璃之间的水平夹角要求，从而满足大剧院整体玻璃曲面的外观。玻璃框在各边调好固定后，不会产生位移，比传统的单一粘接方法牢固、安全可靠。玻璃的各边可以平放在铝合金承重平面上（微调块），均匀受力。
（6）等压仓：在压紧块与清洗支座间做一小通道。利用清洗轨道向外开一单向小孔，达到等压目的。每条玻璃边布置压簧、拉簧各一件，确保仓内与室外实时等压。
屋面中央是两条渐开曲线包围的6700m2的玻璃穹顶，由1126块不规则四边形超白中空夹层玻璃拟合而成，配置为8mm+1.52PVB胶片+8mm+15mmA+12mm。为保持超白玻璃晶莹剔透不变色，且不易自爆，玻璃采用半钢化处理，并在外侧12mm玻璃的表面喷涂了纳米材料，便于清洗。
保持了建筑师保罗·安德鲁设计的国家大剧院外观，并吸取了其设计精华，再根据北京的气候特征，我们提供了最先进的技术，确保了整个建筑体系的结构安全及防水可靠，在满足装饰、保温、隔热、消防、避雷、通风、隔声和吸音等苛刻条件的同时，降低了原预算33%的造价。
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