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宁夏大剧院幕墙设计技术要点解析

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拾荒者 | 2019-10-5 20:59
  【摘   要】 :宁夏大剧院幕墙设计,总体思路充分考虑幕墙的功能性和经济性。遵循原建筑立面效果,花瓣部位幕墙系统设计和金属屋面系统设计是本项目的设计重点,从幕墙系统构造考虑防水和抗位移能力是设计难点。花瓣部位开缝双曲面石材的安装和防水设计,也是设计的重要环节。

  【关键词】 :双曲面石材、金属屋面、设计难点、解析

  作者:北京港源建筑装饰工程有限公司

  吴治刚、温明、刁飞宙、许昌得、张东辉

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  宁夏大剧院是银川公共文化设施建设史上规模最大、功能最齐全、设施最先进大型剧院建筑,建成后将成为富有地域特色的标志性建筑。其建筑创意的核心理念为花开盛世——和谐,吉祥,希望。建筑物造型新颖,下方上圆,状似荷花瓣的立面板块环绕中心穹顶,融合了时代精神与民族传统文化特色。

一.工程概述   


  1.1 宁夏大剧院工程情况概述

  宁夏大剧院工程设计单位为杭州中联?程泰宁建筑设计研究院。建筑设计标准为大型甲等剧院,采用钢筋混凝土框架剪力墙结构体系,其主体结构耐久年限为100年,耐火等级为1级,抗震烈度设防为8度。项目总占地约5.4公顷,总用地面积29510㎡,总建筑面积为48610㎡,其中地下一层(局部三层)14152㎡,地上六层34458㎡,建筑檐口高度35.48m,最高点56.6m。观众厅总人数1586座,外幕墙面积约50000平方米。宁夏大剧院外型轻盈靓丽,360度全景照明,夜晚的大剧院灯光效果有“清音入红澜,芙蓉出绿波”的美誉!

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大剧院效果图


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大剧院实景图


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大剧院夜景图


  1.2 幕墙的组成及其主要幕墙系统介绍

  宁夏大剧院幕墙工程主要幕墙系统包括:花瓣位置石材幕墙系统、花瓣位置玻璃幕墙系统、屋面扇形直立锁边系统、穹顶直立锁边系统、穹顶外装饰格栅系统、整体防水体系、入口穆斯林风格造型门头系统等。

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二.花瓣外侧背栓石材幕墙系统

  2.1 系统的主要特点

  双曲面造型花瓣,采用背栓石材开缝处理,并且花瓣背向地面方向倾47.25°-82.52°。

  采用异形石材,拼接出双曲面花瓣造型,石材选用慧鱼背栓连接,配合铝合金挂件系统。

  2.2 主要材料

  石材幕墙主立柱选用100×60×6mm钢方管,转角位置选用120×100×6mm钢方管,均按双跨梁力学模型计算,钢横梁选用L50×5mm角钢,材质均为Q235B,表面均热镀锌处理。石材选用30mm厚花岗岩,表面六面防护处理。开放式石材接缝,内部采用1.5mm镀锌钢板防水封堵。钢架穿透防水部分,采用德泰盖片防水体系。

  2.3 重点难点分析

  2.3.1 花瓣石材造型复杂,如何解决石材的深化设计、下料加工、现场定位安装等问题。

  2.3.2 主体钢结构已经安装完成,如何处理好幕墙焊接施工,不影响主体钢结构的安全。

  2.3.3 花瓣内部钢架不可避免的要穿透防水钢板,在主体钢结构正常变形范围内如何解决防水问题。

326EBDC98.jpg275546883.jpg宁夏大剧院现场结构照片

  2.4 解决方案

  2.4.1 考虑到工程的特殊性,本工程花瓣部分主体结构为全钢结构,位移变形较大。选用背栓式可三维调节石材连接系统,不但很好的解决了石材板块安装精度的问题,而且通过铝合金挂件系统开模,解决了因石材纵向曲率变化,产生的挂件角度不同带来的石材面板不均匀受力问题,化解和安装困难也避免了幕墙石材板块铝挂件之间刚性接触,降低了幕墙使用过程中的摩擦噪音。

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花瓣背栓石材幕墙三维图


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花瓣背栓石材幕墙标准竖节点


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花瓣背栓石材幕墙标准横节点


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石材挂件三维节点


E493E378D.jpg石材背栓放大节点  

B53E1C1A1.jpg石材背栓现场照片

  2.4.2 经过运用建模辅助软件犀牛(带grasshopper插件),对曲面的进行分析和石材尺寸和订单处理。

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犀牛建模石材曲面外皮模型


  2.4.3 经过模型分析,得到结论石材的曲率,按照曲率来区分平板和双曲石材板。由于曲线的线变,导致石材的尺寸是完全的唯一化,所以采用软件建模分析生成数据就显示出在加工翻样图中的优势。

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用grasshopper插件进行分析单曲、双曲板判定及板块的数据收集

  2.4.4 模型建好后,经过软件处理获取了大量的信息数据,包括面板的拟合数据、测量控制定位点、材料加工数据等。

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石材曲面分析图


  2.4.5 先通过软件获取四边形板一点到另外三点组成面的最大值,筛选出可以做平板的板块;4点不共面的翘角高差在10mm之内的,可按平板处理。筛选之后再对双曲面版进行分析,获得各种参数,并配合绘制加工图。

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模型中计算板块选取




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板块数据分数结果


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板块数据分析图


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现场安装完成的石材照片


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石材花瓣安装完成整体图


  2.5 主结构不可焊接的解决方案        

  2.5.1 为了不对主结构钢梁整体稳定性产生影响,结构工程师要求幕墙不可在主体钢结构上进行二次焊接。为此,开发设计了三维抱箍转接可调节支座,避免幕墙支座焊接对主体结构的不良影响。

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抱箍件立体图


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抱箍件立体图


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现场钢龙骨抱箍件安装情况图


  2.6 德泰盖片聚脲涂层防水系统

  为解决花瓣内部钢龙骨穿透防水钢板的问题,对防水位置进行了特殊设计,在保证接口部位能满足位移和温度变形的同时,采用了专业的防水材料得泰盖片和聚脲防水涂层,克服了钢性防水材料的漏水和噪音等问题,很好的保证了幕墙的防水性能。

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花瓣内侧钢架穿透防水钢板节点


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钢板柔性防水体系照片


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柔性防水盖片照片


三.屋面穹顶开放式铝单板幕墙

  3.1  幕墙系统主要特点

  本系统主要位于38到56米高的造型顶部,开放式铝板做法,主龙骨通过不锈钢连接件固定在直立锁边屋面系统上,铝单板外装饰圆形铝合金装饰管。

  3.2  主要材料

  根据结构计算,幕墙主立柱选用80×80×4mm钢方管,按简支梁力学模型计算,钢横梁选用80×80×4mm钢方管,材质均为Q235B,表面均热镀锌处理。铝单板选用3mm厚铝合金板,表面氟碳喷涂处理。铝单板外装饰φ200×3mm铝合金开模圆管,表面氟碳喷涂处理,采用不锈钢连接系统连接到主次龙骨上。

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穹顶位置现场照片

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屋面钢架现场照片

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穹顶铝单板幕墙标准横节点

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穹顶铝单板幕墙立体图

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穹顶铝单板幕墙标准竖节点


  3.3 重点难点分析

  双曲面造型的实现是设计中的难点,这其中包括直立锁边屋面的曲率,铝板幕墙的曲率以及外装饰圆管的弯弧方案。

  3.4 曲面解决方案

  3.4.1为保证整体的美观性,根据分析,因直立锁边屋面体系主要是功能性用途,并不外露,所以此体系可以采用直板拟合曲面。而开放式铝板幕墙和水平圆弧装饰条涉及外立面美观效果,需要分析曲率,以保证曲面圆弧过渡自然美观。

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穹顶铝板曲率分析图

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穹顶铝板编号图

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分析板块选取

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用软件进行数据分析

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铝板三维尺寸加工图

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直立锁边穹顶完成照片

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穹顶铝板现场安装照片


四.主入口花瓣隐框玻璃幕墙


  4.1幕墙系统主要特点

  主入口顶部大花瓣隐框玻璃幕墙, 分别选用160系列和80系列钢框架玻璃幕墙,幕墙花瓣外挂圆形竖向装饰条,并外挂大型铜花图案。

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主入口花瓣幕墙施工过程照片


  4.2 幕墙系统主要材料

  花瓣造型窗隐框幕墙部分,主立柱选用80×80×6方钢管,固定在主体钢结构梁上,钢梁按简支梁力学模型计算,简支梁跨度3600mm,材质均为Q235B,表面均热镀锌处理。玻璃选用6+1.52pvb+6mm钢化夹胶玻璃。

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正门入口系统大样图


  4.3 幕墙系统难点分析

  考虑到工程的特殊性,花瓣部分主体结构为全钢结构,位移变形较大,并且隐框玻璃幕墙背向倾斜向地面,与地面夹角为47.66°-78.13°,有效保证玻璃安全和确保装饰条美观的连接是设计重点。

  4.4 幕墙系统难点解决方案

  隐框幕墙选用定距压板式副框连接,解决了玻璃板块位移和安装变形的问题。由于花瓣玻璃向外倾斜,角度超过75°,在每块玻璃的十字连接位置增加一个不锈钢十字节点构件,以保证在背斜玻璃结构胶失效的情况下,玻璃仍然有可靠连接不会脱落。

  装饰条采用开模铝型材,通过在玻璃缝隙中伸出的不锈钢连接件固定,保证连接结构外形轻盈美观,圆弧线条造型与花瓣流线吻合。

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花瓣幕墙横剖节点图

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花瓣位置幕墙纵剖图

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花瓣隐框幕墙现场照片



五.穆斯林造型门头系统   


  5.1幕墙系统主要特点

  宁夏大剧院的东西南北四个门头,采用的穆斯林式造型,外墙面采用陕西白麻石材,内吊顶采用表面喷涂石材花纹铝板吊顶,吊顶铝板为正面和侧面两个弧形拱交汇而成,充分展现穆斯林风格。

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西门头现场照片


  5.2幕墙系统主要材料

  吊顶内龙骨采用200×150镀锌方钢和80×60×5方钢,50×50×5角钢纵横交错布置,其中80×60×5方钢采用弯弧处理,铝板采用3mm厚铝板表面真石漆喷涂处理。

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吊顶钢龙骨安装照片


  5.3 穆斯林造型门头系统难点分析

  由于吊顶铝板是两个曲面交接而成,所以铝板的下单和分格成为了本系统的难点,虽然铝板为单曲铝板,但是曲面切割流线造型仍然需要准确的标注和表达。   

  5.4 穆斯林造型门头系统解决方案

  经过运用建模辅助软件草图大师、犀牛建模分析,用于对曲面的进行订单处理。准确的完成铝板交缝处造型的对接。准确的加工尺寸,给现场安装创造了良好的条件。

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西门头吊顶完成照片


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六.结束语   

  本文通过对此项目工程案例中的保温、遮阳、防水构造设计阐述,提出了在幕墙保证幕墙美观的同时必须以结构安全为本,实用耐久为前提进行幕墙设计,以达到预期结果。在设计过程中得到了很多公司同仁的支持,使得一些新的技术及工法在此工程得以应用。

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