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国家大剧院外装饰面历经十年风雨后的表现——对金属屋面和玻璃采光顶的质量回访

来源:2018《建筑门窗幕墙创新与发展》  作者:王德勤  日期:2018-4-20
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  提要:在国家大剧院竣工后投入使用十年的时候,2017年的年底我对大剧院的玻璃幕墙、采光顶和金属屋面板的使用情况和面材的耐候状态进行了进行了质量回访。与管理、维护人员进行了座谈。并对金属屋面、玻璃幕墙及采光顶系统的节点构造的适应性和面板耐久性等进行了详细的探讨和分析。本文通过现场图片,对工程的关键技术进行较全面的分析和介绍。 同时文章还特别对当时在我国首次用作外装饰面层的钛金属板的性能和表现作了介绍。
  关键词:中国国家大剧院,钛金属板装饰面层,铝镁锰金属屋面板,玻璃反声罩。

  1、 引言

  最近,在国家大剧院工程竣工正式投入使用整整十年的时候,我又去了一趟国家大剧院。她对于我来说是再熟悉不过的了。在资料中很容易就能找到对她的描述:中国国家大剧院位于北京市中心天安广场西,西长安街以南,由主体建筑及南北两侧的水下长廊、地下停车场、人工湖、绿地组成,总占地面积11.89万平方米,总建筑面积约16.5万平方米(如图1.1~1.3)。

  国家大剧院中心建筑为半椭球形钢结构壳体,东西长轴212.2米,南北短轴143.64米,高46.68米,地下最深32.50米,周长达600余米。整个壳体表面由18398块钛金属板和1226块超白透明钢化玻璃共同组成,两种材质经巧妙拼接呈现出唯美的曲线,营造出舞台帷幕徐徐拉开的视觉效果。

图1.1中国国家大剧院图片

  从大剧院的金属屋面和玻璃采光顶的施工安装完成,算起来到今天也已经有12个年头了。想起当年的建设过程心情还是那样的激动,久久不能平静。我是在2005年初介入这个项目的,当时项目主体已经完成。大部分的金属屋面系统玻璃采光顶已经结束吊装,已进入到了收尾阶段。剧院的内部装饰正在紧张的进行之中。

  图1.2中国国家大剧院图片          图1.3中国国家大剧院图片

  十多年过去了,她历经了诸多次酷暑严寒,暴雨沙尘的洗礼。这对于我们安装的每一块面板、每一个节点来说都是一个质量考验。

  2、 国家大剧院投入使用十年时的质量回访

  我曾于2016年6月份,在国家大剧院已竣工十年的时候去对大剧院的金属屋面、玻璃幕墙及玻璃采光顶系统进行了检查。并与大剧院的管理、维护者进行了关于十年来使用情况的座谈和调研,同时对金属屋面系统、玻璃幕墙及采光顶系统节点构造,板块连接系统的适应性以及面板耐久性等进行了详细的探讨和分析。

图2.a中国国家大剧院內视照片        图2.b中国国家大剧院內视照片

  2.1、 针对玻璃幕墙、采光顶和金属屋面的质量回访

  此次回访,由国家大剧院行政部的相关管理人员对金属屋面及玻璃幕墙在使用中的情况作了较为详细介绍。在充分肯定其使用性能的基础上,也对在使用过程中出现一些问题的处理方案和办法做了实地讲解。

图2.1.1钛金属板与玻璃幕墙接口  图2.1.2钛板装饰面与湖水收口   图2.1.3使用十年后的钛板装饰面

  在深入座谈中我们了解到,在个别中空玻璃内有过结露现象,已及时进行了更换。金属屋面部位在使用过程中未出现过任何问题;玻璃采光顶在胶缝处增加了防水胶带进行过密封处理,现已彻底解决了乌鸦等鸟类在玻璃采光顶的顶部啄食密封胶的现象。使用情况很好。在玻璃幕墙和金属屋面上使用的硅酮结构胶、密封胶性能良好,未出现过质量问题。

  顶部可开启部位表现良好;金属屋面部位的局部钛板表面有少量的污染。钛板边部折角处没有出现任何裂纹现象;玻璃之间的密封胶性能良好;顶部清洗用喷淋系统未曾使用。屋面的清洗主要是采用蜘蛛人的人工清洗方案;自动清洗设备也未曾安装使用。

图2.1.4国家大剧院內视照片,拍摄于2017年11月 图2.1.5国家大剧院外视照片,拍摄于2017年11月

  我于2017年11月底又一次来到大剧院,对顶部的玻璃采光顶和屋面板的使用情况和面材的耐候状态进行了观察,认为该部分的工作状态良好,没有出现任何异常现象,能确保金属屋面系统和玻璃采光顶及玻璃幕墙的各项物理性能的实现。

  2.2、 回顾工程建设时的情况

  还记得当年对国家大剧院的方案设计褒贬不一,在众多的说法和报道中有过这样一段描述:在1999年,安德鲁领导的巴黎机场公司与清华大学合作,经过两轮竞赛三次修改,在中国国家大剧院国际竞赛中36个设计单位的69个方案中夺标。1999年7月,获选为最终的建设方案。

  安德鲁曾说"我想打破中国的传统,当你要去剧院,你就是想进入一块梦想之地"。安德鲁这样形容他的作品――巨大的半球仿佛一颗生命的种子。"中国国家大剧院要表达的,就是内在的活力,是在外部宁静笼罩下的内部生机。一个简单的'鸡蛋壳',里面孕育着生命。这就是我的设计灵魂:外壳、生命和开放。"

图2.2.1钛板与玻璃幕墙接口,拍摄于2017年11月    图2.2.2钛金属板装饰面层,拍摄于2017年11月

  在大剧院设计图纸需要进一步深入论证,当时的朱镕基总理接见了他。安德鲁匆忙出发,急切中,竟然穿了两只不同的鞋,谈话过程中,朱总理突然将眼睛往地上看。窘迫的安德鲁以为朱总理看到了他两只鞋子不同的"熊样",结果,朱总理一字一顿对他说:我们接受你的设计,会承担非常巨大的压力。我们给你这块土地,是中国最珍贵的黄金之地。全中国人民都会来品评你的作品。只要有51%的人赞同你的作品,你就成功了。

  在调整方案时,考虑国家大剧院与天安门广场和人民大会堂的关系,两次将用地范围扩展,扩到人民大会堂南侧路。这样大剧院南移70m,对改善周围环境起到了关键作用。

  国家大剧院是国家兴建的重要文化设施,也是一处别具特色的景观胜地。

  今天,如梦作为新北京十六景之一的地标性建筑,国家大剧院造型独特的主体结构,一池清澈见底的湖水,以及外围大面积的绿地、树木和花卉,不仅极大改善了周围地区的生态环境,更体现了人与人、人与艺术、人与自然和谐共融、相得益彰的理念。

 图2.2.3中国国家大剧院的夜景照片         图2.2.4中国国家大剧院的夜景照片

  每当夜幕降临,透过渐开的“帷幕”,金碧辉煌的歌剧院尽收眼底。壳体表面上星星点点、错落有致的“蘑菇灯”,如同扑朔迷离的点点繁星,与远处的夜空遥相呼应,使大剧院充满了含蓄而别致的韵味与美感。

  壳体外围环绕着水色荡漾的人工湖,总面积达3.55万平方米。湖水如同一面清澈见底的镜子,波光与倒影交相辉映,共同托起中央巨大而晶莹的建筑。人工湖水域的设计理念来自京城水系,为北京城中心地区增添了一处灵动水景。人工湖水池采用水循环系统去除浊物,冬季不结冰,夏季不长藻。宁静清澈的水面和静谧宏大的椭球壳体下,笼罩着充满无限生机与活力的五彩斑斓的艺术世界。

图2.2.5中国国家大剧院的外景照片             图2.2.6国家大剧院主要设计者:保罗 安德鲁

  十多年过去了,在设计圈里只要一提到国家大剧院的设计,人们就不会忘记保罗·安德鲁(Paul Andreu)的名字。但对于我来说,更能让我想起的人是我国异型建筑幕墙(词条“建筑幕墙”由行业大百科提供)和金属屋面的先行者,幕墙节点和构造设计的奇才罗忆先生。

图2.2.7罗忆先生为大剧院玻璃幕墙设计的球铰接节点     图2.2.8罗忆先生在国家大剧院金属屋面施工现场

  罗忆先生在国家大剧院的玻璃幕墙和金属屋面的设计中,他用过人的智慧,设计出了可适应多向变形的组合式球铰接节点等多项新型特殊的节点和构造,很好的实现建筑师的设计理念和外观要求,得到安德鲁的肯定和赞扬。同时他为后来的异形建筑幕墙的节点、构造设计提供了参考。

  3、 装饰面层--钛金属板

  3.1、钛金属板的基本特点

  在这里想说说国家大剧院装饰面层的材料——钛金属板。

  钛金属外观似钢,具有银白色的金属光译,是一种过渡金属,在过去一段时间内人们一直认为它是一种稀有金属。钛并不是稀有金属,钛在地壳中约占总重量的0.42%,是 铜、镍、铅、锌的总量的16倍。在金属世界里排行第七,含钛的矿物多达70多种。钛的强度大,密度小,硬度大,熔点高,抗腐蚀(词条“腐蚀”由行业大百科提供)性很强;高纯度钛具有良好的可塑性,但当有杂质存在时变得脆而硬

  钛的比重仅是铁的1/2,却像铜一样经得起锤击和拉延。钛有很强的耐酸碱腐蚀能力,在海中浸5年不锈蚀,钢铁在海水中则会腐蚀变质。用钛合金为船只制造外壳,海水无法腐蚀它。

  纯钛是银白色的金属,它具有许多优良性能。钛的密度为4.54g/cm3,比钢轻43% ,比久负盛名的轻金属(词条“轻金属”由行业大百科提供)镁稍重一些。机械强度却与钢相差不多,比(词条“铝”由行业大百科提供)大两倍,比镁大五倍。钛耐高温,熔点1942K,比黄金高近1000K ,比钢高近500K。

  钛属于化学性质比较活泼的金属。加热时能与O2、N2、H2、S和卤素等非金属作用。但在常温下,钛表面易生成一层极薄的致密的氧化保护膜,可以抵抗强酸甚至王水的作用,表现出强的抗腐蚀性。因此,一般金属在酸的溶液中变得千疮百孔而钛却安然无恙。

图3.1.1钛金属装饰面板的工程样板            图3.1.2已经安装的钛金属装饰面板

  纯钛金属板作为建筑室外装饰材料可以抵抗诸多的大气中携带的有害成分对装饰面层的污染,抗腐蚀性极强,能够常年保持建筑物的外观效果。

  有人给钛金属板总结了十大特性:

  ◆ 密度小,比强度高: 金属钛的密度为4.51g/cm3,高于铝而低于钢、铜、镍,但比强度位于金属之首。

  ◆ 耐腐蚀性能: 钛是一种非常活泼的金属,其平衡电位很低,在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介质中很稳定,如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。

  ◆ 耐热性能好: 新型钛合金可在600℃或更高的温度下长期使用。

  ◆ 耐低温性能好: 钛合金的强度随温度的降低而提高,但塑性变化却不大。在-196-253℃低温下保持较好的延性及韧性(词条“韧性”由行业大百科提供),是低温容器,贮箱等设备的理想材料。

  ◆ 抗阻尼性能强: 金属钛受到机械振动、电振动后,与钢、铜金属相比,其自身振动衰减时间最长。

  ◆ 无磁性、无毒: 钛是无磁性金属,在很大的磁场中也不会被磁化,无毒且与人体组织及血液有好的相溶性,所以被医疗界采用。

  ◆ 抗拉强度与其屈服强度接近:钛的这一性能说明了其屈强比(抗拉强度/屈服强度)高,表示了金属钛材料在成形时塑性变形差。由于钛的屈服极限与弹性模量的比值大,使钛成型时的回弹能力大。

  ◆ 换热性能好:金属钛的导热系数虽然比碳钢和铜低,但由于钛优异的耐腐蚀性能,所以壁厚可以大大减薄,太表面不结垢也可减少热阻(词条“热阻”由行业大百科提供),使钛的换热性能显著提高。

  ◆ 弹性模量低:钛的弹性模量在常温时为106.4GMPa,为钢的57%。

  ◆ 吸气性能:钛是一种化学性质非常活泼的金属,在高温下可与许多元素和化合物发生反应。钛吸气主要指高温下与碳、氢、氮、氧发生反应。

  3、2国家大剧院外装饰层钛金属板的支撑结构

  本工程的主体结构是半椭球形钢结构壳体,其壳体结构由一根根弧形钢梁组成。东西长轴212.2米,南北短轴143.64米,高46.68米,地下最深32.50米,周长达600余米。 (如图2.1.1~2.1.2)

图3.1.3已经安装的双道弧形铝支撑管           图3.1.4主体结构是半椭球形钢结构壳体

  由于该项目的屋面的外装饰面板采用了0.44mm厚的太金属板,按设计的建筑外形要采用18398块钛金属板和1226块超白透明钢化玻璃共同组成,两种材质经巧妙拼接呈现出唯美的曲线。这如果按照传统的方案就要有上千个点穿透屋面系统,这将很难保证大穹顶防水性能。

  为此,国家大剧院的穹顶屋面系统,在国内首次引进了“铝镁锰直立锁边金属屋面”系统。其最大的特点是,外层装饰板支承结构不是穿透屋面固定在主体结构上,而是用连接夹具(词条“夹具”由行业大百科提供)直接连接固定在铝镁锰板的立边上。实现了无穿透式连接,很好的实现了屋面系统的各项物理性能,特别是对防止屋面漏水起到了决定性的作用。(如图2.1.3~2.1.4)

  3、3、金属屋面系统的构造

  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工程。屋面系统的构造如下:(自下而上)

  图3.3.1建设过程中国家大剧院施工现场                  图3、3、2钛金属板的安装照片

  主体支撑钢结构;可进行双向调整的连接角码;二次钢环形檩条;底层硬质防水镀锌钢板(厚度为1.5mm);防潮(词条“防潮”由行业大百科提供)隔气层;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0.9mm,高直立锁边;转接件铝合金材质的连接装置;双道弧形铝支撑管;转接件,成型后的钛金属装饰板。

  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(词条“钢板”由行业大百科提供)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。

图3、3、3 镀锌钢板加盖“Ω”型钢槽            图3、3、4现场铺设的钢板硬防水层

  为了保证二次防水和提高钢板的平面刚度,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3、3、3)。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。

  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(词条“热辐射”由行业大百科提供)铝箔隔气层,和聚乙烯防潮隔气层。

  3、4 球体外表面的清洗

  大剧院外装饰面的清洗方案,在初期设计时是采用机器人自动清洗设备和清洗用喷淋系统对钛金属板的表面和玻璃采光顶的表面进行清洗。由于各种原因自动清洗设备未曾安装使用。顶部清洗用喷淋系统也未曾使用。屋面的清洗主要是采用蜘蛛人的人工清洗方案;

图4、4音乐厅内玻璃体反声罩在安装调试       图4、4音乐厅内玻璃体反声罩在安装调试

  金属屋面和玻璃采光顶清洗的顺序是自上而下,从中间往外的原则。使用玻璃清洁工具及清洁剂依次清洗室内外玻璃幕墙,对钛金属装饰面层板块和玻璃采光顶的玻璃板块,利用高压水和专用清洗剂逐一进行清洗。确保一次性清洗干净;

  使用潮湿清洁布及便携式吸尘器,人工清洁钢结构架上的尘土,污渍尘土积结处需用工具刷加入清洁剂进行处理,在日常的维护清洗时应防止对面板的二次污染。

  4、 音乐厅内玻璃反声罩的设计制作

  音乐厅的天花板被打造成一件抽象的现代艺术作品,形状不规则的白色浮雕像一片起伏的沙丘,又似海浪冲刷的海滩。天花板上看似凌乱的沟槽实际上经过了特别的声学设计,使声音能够被扩散反射,更加均匀、柔和。精美的天花板其实是特制的声扩散装饰板。

  天花板使用纤维石膏成型板制成,材质厚重,能够有效地防止低频吸收,增强厅内的低频混响时间,使低音效果(如管风琴、大管、大提琴等)更加具有震撼力和感染力。为达到声效的完美,在顶棚的下面还悬挂了一面龟背形状的集中式反声板,俗称“龟背反声板”或叫“玻璃反声罩”,它的作用是将声音向四面八方散射。

  图4、1大剧院音乐厅的全景照片                 图4、2音乐厅内玻璃体反声罩在调试中照片

  音乐厅内玻璃体反声罩的设计与施工是在大剧院工程整体工程的后期了。记得当时我在负责大剧院屋面工程的后期收尾工作。接到指挥部的通知,要求我们用一个月的时间完成音乐厅内玻璃体反声罩的设计与制作安装施工全部工作。当时对于我来说,以前从来没听说过有这样的东西。由于时间工期很急,抓紧一切时间,只用了一周的时间就完成了结构和面板的整体设计及下料。

  当时我按照声学专家的要求,将反声罩设计成了半椭球体双曲面的点支式玻璃吊顶,上部平面为椭圆形,由倒A字形钢梁与交叉,钢丝绳交织成一整体稳定结构平面,下部凸面为半椭球面,双层钢化夹层玻璃通过不锈钢夹具固定在结构平面外的竖直撑杆上,撑杆通过双向十字交叉钢丝绳连接成一个稳定的椭球面。整个结构完成后可以用钢丝绳升降,并能固定在任意的位置。有良好的整体刚度和稳定性

图4、3音乐厅内玻璃体反声罩在调试中           图4、4音乐厅内玻璃体反声罩在安装调试

  玻璃体反声罩的外形尺寸为长轴17200MM,短轴11600MM,拱高1400MM。反声罩共使用了大小88块双曲面玻璃,玻璃的配置是10+1.14pvb+8半钢化双曲面夹胶玻璃。按照声学的要求16片玻璃上开了700MM直径的大圆孔。玻璃与索结构的固定采用了穿孔式不锈钢四爪沉头驳接系统。这是当时最新颖的剧场反声装置。经过十多年的使用仍能保持最佳的效果。

  5、结束语

  由于社会经济有了进一步的提高,建筑业快速蓬勃发展。建筑外围护结构形式在不断的改进,也使得异形建筑外围护结构的样式和数量有了很大的增加,促进了幕墙行业设计和施工水平的普遍提高,促使墙面材料的多样化和加工技术的提升。

  在国家大剧院竣工后投入使用十年的时候进行相关的质量回访,还有一个重要的目的就是要总结我们对幕墙和金属屋面的设计、加工、施工技术是否能经得起时间的磨砺。在总结的基础上,对外围护结构的特点进行分析,提供给同行们共同探讨以促使幕墙和金属屋面设计和施工技术进一步的提高。

  参考文献

  [1] 《国家大剧院》,国家大剧院工程业主委会, 2011年编著图书

  [2] 《外围护幕墙、屋面施工图设计说明书》,国家大剧院项目,2004.04

  [3] 罗忆,国家大剧院钛饰金属屋面,《全国铝门窗幕墙行业年会论文集》 2005.03

  [4] 王德勤 ,异型金属屋面和幕墙的设计,《中国建筑防水(词条“建筑防水”由行业大百科提供)》, 2012 第7期,总241期,07-11页

  [5] 王德勤,双曲面玻璃幕墙节点设计方案解析,《幕墙设计》,2014-2期

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专家介绍

 王德勤

铝门窗幕墙委员会专家组

工作单位:北京德宏工程技术科研中心

技术职称:教授级高工

专业:门窗幕墙标准编制、建筑玻璃与金属结构设计与研究

专长:大型金属屋面、双曲面索结构点支承玻璃幕墙的产品开发、节点设计、施工技术研究与应用。在国内是最早进行点支式玻璃幕墙研发、推广人之一。

原文地址:http://www.52mqw.com/info/2018-4-20/44460-1.htm
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