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天津美术馆幕墙项目洞石及超大跨玻璃肋全玻幕墙解析

[发布日期:2014-11-27 18:58:41]

  一、项目概况:

  天津美术馆坐落于天津市河西区友谊路与平江路交口,地处文化广场的核心位置,总建筑面积2.8万平方米,临湖而建,建筑外观简洁大方,极富现代气息,内部设施完善,既提供了永久性和临时性展览空间,也提供了公共教育与文化休闲的空间,是中国最具现代化标准的美术展览馆之一,与同处文化广场地区的天津博物馆、天津大剧院、天津图书馆、天津自然博物馆等共同构成天津城市标志性文化建筑群。

  天津美术馆由德国KSP尤根恩格尔建筑师事务所设计,整体造型犹如一块巨型的方形石材盒子搁在地面上,建筑本身就是一件巨大的艺术品。美术馆总建筑面积为2.8万多平方米,地上四层,地下一层。总展厅面积9000平方米,可同时举办多个高质量、高规格的国内外大型艺术展览及活动。

  其中,四层设有基本陈列展厅,全部为恒温恒湿封闭展柜,主要展出馆内策划的常设陈列展 ,包括精选馆藏、精品文物及重要艺术家专题展等。

  二、三层是特展厅,均为敞开式现代化展厅,适合展示丰富多样的各类当代艺术作品以及承办大型文艺类活动。

  一层展厅既可用于临时性展览,也可作为开幕式大厅举办开幕式、酒会、信息发布会等。美术馆中还有一些备展区、开放空间展区,为艺术家展现其创造力和挑战性提供了可能。

  藏品库房位于地下一层,全部为按照博物馆库房标准体系建造的恒温恒湿库房。

  二、幕墙概况

  本项目幕墙屋檐标高29.9米,主要包含石材(土耳其洞石)幕墙,石材百叶、超大的石材平移门、钢骨架全隐框玻璃幕墙、超大及大跨玻璃肋全玻幕墙铝单板幕墙、玻璃采光顶复合石材吊顶、电动排烟等幕墙形式。洞石使用面积达13000平方米。全玻幕墙高度达14.2米。

  下面主要介绍难度较大的洞石幕墙及超高的全玻幕墙。

  三、洞石幕墙

  1、洞石分布及分格设置

  本项目石材采用进口的30mm厚土耳其米白洞石,主要分布在该建筑的四个立面上。石材百叶主要分布在四个立面的玻璃幕墙及铝单板幕墙前端,作为装饰及遮阳用途。建筑师对石材的分格及凹凸效果做了严格的要求。具体如下:石材横向分格以360mm为基本模数,横向分格主要为720mm、1080mm、 1440mm、1800mm、2160mm、2520mm等,竖向分格以150mm为基本模数,竖向分格主要有150mm、300mm、450mm、 600mm等。

  这些分格间无序组合,看似杂乱无章,实则每隔几个分格就会出现上下对齐的石材接缝,又似有章可循,等循着规律往前找的时候,又发现原来并没有规律。石材在竖向上建筑师考虑了让150mm高的板块内凹15mm,在立面上形成层叠的感觉。建筑立体效果进一步凸显。建筑师正是通过这种无序组合及凹凸手法来体现石材的天然质感、状态。

  2、洞石介绍

  要设计及使用好洞石,首先得了解洞石。

  洞石,学名叫做石灰华, 英文名:(Travertine)是一种多孔的岩石,所以通常人们也叫它洞石。洞石属于陆相沉积岩,它是一种碳酸钙的沉积物。洞石大多形成于富含碳酸钙的石灰石地形,是由溶于水中的钙碳酸钙及其他矿物沉积于河床、湖底等地而形成的。由于在重堆积的过程中有时会出现孔隙,同时由于其自身的主要成分又是碳酸钙,自身就很容易被水溶解腐蚀,所以这些堆积物中会出现许多天然的无规则的孔洞。

  洞石是因为石材的表面有许多孔洞而得名,其石材的学名是凝灰石或石灰华,商业上,将其归为大理石类。人类对该石材的使用年代很久远,最能代表罗马文化的建筑——角斗场就是洞石原杰作。

  洞石的色调以米黄居多,又使人感到温和,质感丰富,条纹清晰,促使装饰的建筑物常有强烈的文化和历史韵味,被世界上多处建筑使用。由美国贝聿铭建筑事务所设计的位于北京西单路口中国银行大厦的内外装修,就选择了意大利罗马洞石,共用了20000㎡。为什么不叫它大理石,是因为它的质感和外观与传统意义上的大理石截然不同,装饰界索性就约定俗成。关于它的形成一般认为是在大气条件下从含碳酸盐泉水(通常是热泉)中沉淀成的一种钙质材料。具体的形成是含有地氧化碳的循环地下水带走厂溶液中的大量的钙质碳酸盐,当地下水到达泉水表面时,一些二氧化碳释放出来并凝聚在钙质碳酸盐的沉积层中,形成了少见的气泡(孔洞),从而有了洞石。和海洋中的石灰石沉淀不同的是,凝灰石大多在河流或湖泊、池塘里快速沉积而成,这一快速的沉积使有机物和气体不能释放,从而出现美丽的纹理,但不利的是它也会产生内部裂隙的分层,使它在与纹理方向一致的强度削弱。凝灰石因为有孔洞,它的单位密度并不大,适合作覆盖材料,而不适合作建筑的结构材料、基础材料。在以前人们曾用洞石大量作为建筑的基础材料和结构材料,但有了混凝土后,现在已不多用了。洞石除了有黄色的外,还有绿色、白色、紫色、粉色、咖啡色等多种。我国河南也有洞石发现和产出。

  洞石主要应用在建筑外墙装饰和室内地板、墙壁装饰。

  洞石一般有白洞石和米黄洞石之分,颜色有深浅两种,有的称黄窿石、白窿石,英文名称为travertine,直接翻译为凝灰石或石灰华。其主要特点是碳酸盐矿物在沉积过程中有气体存在,形成很多孔洞而得名。各类一般有罗马洞石、伊朗洞石和产自土耳其等地的洞石。罗马洞石颜色较深,纹理较明显,材质较好;健康洞石颜色较浅,质地酥松,强度较差。该类石材可以被抛光,具有明显的纹理特征,弯曲强度呈各向异性,垂直纹理方向(强向)的弯曲强度在6MPa左右,部分超过 7MPa;平行纹理方向(弱向)的弯曲强度为4MPa左右,材质和花纹不同有时在5MPa左右;有时有极低的不超过2Mpa;乱纹方向介于其中,此时的纹理在厚度方向。

  3、洞石的优点

  3.1、洞石的岩性均一,质地软硬度小,非常易于开采加工,比重(密度)轻,易于运输,是一种用途很广的建筑石料;

  3.2、洞石具有良好的加工性、隔音性和隔热性,可深加工应用,是优异的建筑装饰材料;

  3.3、洞石的质地细密,加工适应性高,硬度小,容易雕刻,适合用作雕刻用材和异型用材;

  3.4、洞石的颜色丰富,纹理独特,更有特殊的孔洞结构,有着良好的装饰性能,同时由于洞石天然的孔洞特点和美丽的纹理,也是做盆景、假山等园林用石的好材料。

  4、洞石的缺点

  4.1洞石因其成因存在孔洞,这既是洞石的优点,也是洞石的缺点。由于孔洞的存在,造成洞石结构不连续、不饱满、不致密,因而弯曲强度较之花岗岩普遍较低。由于孔洞的存在,造成洞石容易吸水,较之花岗岩吸水率高,强度减弱。

  4.2洞石主要成分为碳酸钙,容易被水溶解腐蚀,更容易被酸性物质腐蚀,因而洞石不宜用于存在酸雨环境地区及海洋地区的建筑外立面

  4.3洞石存在大量的纹理、泥质线、泥质带、裂纹等天然缺陷,这种材料的性能均匀性很差。尤其是弯曲强度的分散性非常大。

  4.4洞石存在纹理,弯曲强度呈各向异性,各向强度偏差较大。

  4.5洞石耐冻融性很差,不宜用在寒冷地区、严寒地区及年温差变化较大地区。

  5、洞石幕墙设计采取的有效措施

  考虑到洞石存在的缺点,在洞石幕墙设计时采取了以下措施,确保洞石幕墙的安全性、功能性。

  5.1洞石除正面外,其余五面均采取了洞石石砾及环氧胶粘剂修补孔洞。较大的孔洞采用洞石石砾及胶粘剂相结合的方式修补孔洞;较小的孔洞直接用胶粘剂修补。

  5.2洞石六面采用合适的防水剂做防护。防水剂应不会使洞石变色及污染。选择防水剂时,应做一定数量的实验,确保防水剂不会污染洞石。

  5.3洞石背面粘帖纤维网格布,加强洞石的强度,减少洞石破裂的概率及增加洞石破裂后的安全度。

  5.4洞石纹理设计尽量沿水平方向布置,因该项目水平向石材宽度较大,最大达2520mm,竖向高度较小,最小150mm,最大600mm。充分利用洞石垂直纹理方向的弯曲强度,取长弃短。

  5.5在选材上,尽量选用强度高,重力密度大的洞石,确保洞石的强度及致密性,提高洞石的冻融能力。

  5.6洞石进场前按批次按比例取样做弯曲强度检测,不合格的批次坚决不让进场使用。

  5.7设计连接节点形式上采用石材背栓做法。增强了连接的可靠性及安全性。背栓孔严格检查,发现背栓孔位置有孔洞的坚决废弃,或采取移位重新打孔,或更换石材板块。设计没有采取石材边部连接形式,避免了洞石边部强度较弱,容易崩边破坏,从而造成幕墙安全失效的隐患。

  6、洞石在外墙上的使用建议

  随着近几年玻璃幕墙不断发生的事故,幕墙的安全性进入公众视野,人们也越来越关心幕墙的安全功能。上海及江苏地区先后出台了相应的管理办法及地方标准。禁止或限制使用玻璃幕墙,特别是隐框玻璃幕墙。有鉴于此,考虑到幕墙的安全功能,洞石幕墙也应有一定的适用范围、一定的使用限制。

  6.1洞石不宜用在学校、幼儿园、托儿所、医院、老年人居住的建筑的外墙上。

  6.2洞石不宜用在商场、火车站、飞机场、展览馆、大剧院、办公楼等人员流动性较大的建筑的外墙上。

  6.3洞石不宜用在丁字路口正对马路的外墙上。

  6.4洞石不宜用在高层及超高层建筑外墙上。

  6.5洞石不宜用在污染严重、存在酸雨环境地区及海洋环境地区。

  6.6洞石不宜用在寒冷地区、严寒地区及年温差变化较大地区。

  6.7洞石用在外墙上时,洞石的单块面积宜小于花岗岩的面积;且长短边应根据洞石的纹理考虑确定。

  6.8洞石与钢骨架的连接形式应考虑洞石的边部强度较弱的缺点。

  6.9洞石的吸水率应低于花岗岩。

  6.10洞石用在外墙上时,应检查每批洞石的弯曲强度,不合格的严禁使用。

  6.11洞石用在外墙上时,应有一定的加强措施,确保洞石幕墙的安全。

  6.12洞石用在超高层外墙上时,应组织专家进行可行性论证,论证可行时方可采用,并采取可靠的安全措施。

  6.13协会有关专家提出对洞石的要求:

  因洞石自身材质性较差,总体而言不推荐用于幕墙。如果建筑设计非用不可,则至少应考虑以下最低要求:

  6.13.1用于幕墙的石板,每批都应进行抗弯强度试验,其试验值应符合以下要求:

  幕墙高度不超过80m时,试验平均值不低于5N/㎜²,试验最小值不低于4 N/㎜²;

  幕墙高度超过80m时,试验平均值不低于6N/㎜²,试验最小值不低于4 .5N/㎜²;

  单向受力的石板,在主要受力方向应满足以上要求;双向受力的石板,在两个受力方向上都应符合以上要求。

  6.13.2石板不应夹杂软弱的条纹和软弱的矿脉。洞石的孔洞不宜过密,直径不宜大于3mm,更不应有通透的孔洞。

  6.13.3吸水率不宜大于6%,加涂防水面层后不宜大于1%。

  6.13.4冻融系数不宜小于0.8,不得小于0.6。

  洞石应用的试验要求

  因不同产地的洞石材质性差别很大,在确定采用市场的矿脉前,应进行基本的材质性试验。

  6.13.5抗弯试验

  确定矿脉时,选取石材试件进行干燥抗弯试验和饱和抗弯试验,干燥抗弯试验是材性的基本指标。饱和抗弯强度有利于了解石材对水的敏感性。试验时采用净石材试件,不宜附有增强层和复合层。

  6.13.6吸水率

  未经表面防水处理的石材和经防水处理的石材都应进行试验,经防水处理后的石材,吸水率不宜大于1%。

  6.13.7冻融系数

  冻融系数指经过一定次数冻融循环后的抗弯强度与未经冻融循环的抗弯强度的比值。它决定了该种石材能否在寒冷地区应用。在有可能出现负温度的地区,应进行这项试验。

  只有通过基本材性试验,确认符合这些基本条件后,这种洞石才可以加工面板板材,用于幕墙工程。

  加工完成的石材面板,还应符合以下的基本要求:

  6.13.8板材厚度 

  抗弯试验表明:厚度大的面板石材,其抗弯强度低于厚度小的石材。但是由于板材的承载能力和厚度的平方成正比,厚的石材承载能力还是比薄的石材要大一些。

  洞石板材的最小厚度可由抗弯强度标准值fk来决定:

  fk≥8.0MPa时,最小厚度35mm。

  4.0≤fk<8.0MPa时,最小厚度40mm。

  抗弯强度标准值fk是其试验平均值减去1.645倍标准差。当这个数值小于试验最小值时,按试验最小值采用。

  板材厚度的允许偏差为+2mm,-0mm,不允许负偏差。

  6.13.9板材的尺寸

  洞石强度低,因此板材的尺寸不宜过大,一般应控制在1.0㎡以内。

  不宜采用细长的条状石材,这种石板在运输、安装过程中很容易折断。石材的变成比最好在1:2以内,不宜超过1:3 。

  6.13.10表面处理

  洞石吸水性很高,应采用防水涂料使其吸水率降至1%以下。

  采用注胶板缝的石材幕墙,石板可以只做外表面大面防水;采用开放式板缝时,石材应进行六面防水。

  孔洞较大、孔洞数量太多的洞石,宜进行封孔处理。

  防水处理要在全部槽、孔机械加工完毕、清洁和干燥后再进行。

  四、14m高全玻幕墙

  1、14m高全玻幕墙分布及分格

  14米高全玻幕墙分布在建筑北面的一层入口处,玻璃肋高度14.18米,宽度600mm;面板玻璃分格宽度2160mm,高度方向分为3块,从下往上依次为4700mm、5300mm、4000mm。面板及玻璃肋均采用超白钢化玻璃。面板玻璃配置为:10low-e+12A+10钢化中空玻璃

  玻璃肋方案一采用三片相接的19+2.28PVB+19超白钢化夹胶玻璃;三片玻璃肋从下往上依次为4700mm、5300mm、4000mm(不计入槽深度及吊挂的封修高度)玻璃肋接缝与面板玻璃接缝在同一高度同一位置,为幕墙顾问方案。

  方案二采用单片12+2.28SGP+12+2.28SGP+12超白钢化夹胶玻璃,单片玻璃高度达14.18米,为建议方案。玻璃肋采用吊挂形式,最上一块面板玻璃采用吊挂形式。面板通过固定在玻璃肋上的不锈钢板承托固定。

  2、幕墙设计需考虑的因素

  2.1全玻幕墙能适应主体结构变形;

  2.2需考虑玻璃肋、面板玻璃及其它附件材料的自重;

  2.3需考虑风荷载地震荷载、施工荷载对玻璃幕墙的影响;

  2.4需考虑吊挂件的承重能力及与玻璃肋及面板玻璃的连接,玻璃的局部承压能力、吊挂处的摩擦力;

  2.5需考虑自重、温度作用下的玻璃变形要求;

  2.6需考虑硅酮结构胶的承载能力及受力形式;

  2.7需考虑玻璃肋连接处的弯矩剪力、玻璃局部承压能力,连接螺栓计算;

  2.8玻璃开孔处的构造处理;

  2.9玻璃吊夹处的构造处理; 

  2.10《玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-2003规定高度大于12米的玻璃肋,需进行平面外的稳定计算。

  3、两种设计方案比较

  从材料选用及技术角度比较,两种方案采用面板相同,均为10low-e+12A+10钢化中空超白玻璃,面板分格也相同。不同的是面板后部玻璃肋的做法及选用。方案一采用的是三片相接的19+2.28PVB+19超白钢化夹胶玻璃,玻璃连接处采用不锈钢板+不锈钢螺栓群连接。连接处需要承受自重作用,同时还要承受风荷载及地震作用产生的弯矩及剪力。因幕墙跨度高达14米,连接处的自重、弯矩及剪力均较大,节点荷载较大;玻璃的局部受到的压力也是非常大的,为了承受各种作用,连接处的螺栓布置较多,玻璃肋相应的开孔也较多。设计及施工稍有不慎,对于脆性材料的玻璃来说,局部应力较大,也相对更加集中,增加了玻璃自爆的可能性。方案二玻璃采用单片12+2.28SGP+12+2.28SGP+12超白钢化夹胶玻璃,玻璃肋为整片玻璃,无连接节点,整体性更好。玻璃肋上只开两个承受面板玻璃自重的玻璃孔,开孔数量相对于方案一大幅减少,且玻璃孔的局部压力也较小,玻璃因为应力自爆的可能性大幅降低。提高了玻璃结构的安全性。方案夹胶玻璃中间膜采用的是SGP,而非PVB,采用SGP夹层的优点: 撕裂强度是一般PVB膜的5倍,硬度是PVB膜的30-l00倍。低变形率时,SGP夹层玻璃表现为弹塑料特性而PVB为超弹塑性,而高变形率时,PVB 变硬并成为弹塑料特性,SGP在整个范围内刚性较高。SGP夹层玻璃和同样厚度的单片玻璃多少乎有相等的弯曲强度。同其他中间膜夹层玻璃相比,SGP夹层玻璃有更高的强度性能和刚性,能有效地减少玻璃厚度,特别是有益于点式支撑玻璃。H.P.Whitc实验室和标准国家研究所的性能测试表明,用相同厚度的 SGP膜制成的夹层玻璃和聚碳酸酯制成的夹层玻璃性能相当。SGP膜夹层玻璃具有更好的保安防范性能。比如采用2.3mm厚的SGP膜制成的夹层玻璃能成功抵挡高达200kPa(30psi)过压的爆炸。方案二优于方案一。

 

  从施工便捷性比较,方案二玻璃肋为单片玻璃,施工更加简单便捷。同样优于方案一。

  从造价方面比较,方案一造价相对较低,方案二造价相对偏高。方案一优于方案二。

  从幕墙安全性比较,方案一玻璃肋自爆远远高于方案二。方案二夹胶层采用SGP胶片,在玻璃肋厚度相同的情况下,方案二的玻璃肋刚度优于方案一,玻璃肋平面外稳定更佳。由以上两点,方案二优于方案一。

  综上比较,从幕墙的安全性考虑,业主最终采纳了的方案(方案二)。

  4、全玻幕墙的细部设计

  4.1吊挂处的设计

  玻璃吊夹个数应根据吊夹的承载能力、中空玻璃的局部承压进行计算。在安装吊夹时,吊夹夹板与玻璃间应设置无纺布,增加铜夹板与玻璃间的摩擦系数。拧紧吊夹夹紧螺栓时,应采用扭矩扳手,根据计算的力矩进行施加,既不能过分拧紧压坏中空玻璃或使中空玻璃局部变形、凹陷。也不能扭矩不够,达不到预紧力,玻璃从夹具中滑出。吊挂钢架处还应设置横向的刚性传力构件

  4.2玻璃肋开孔处的设计

  玻璃开孔需要解决开孔处的应力集中及玻璃的局部承压问题。面板分格达2160mm*5300mm,玻璃厚度20mm,重量达586kg。这么重的玻璃对玻璃肋的局部压力是较大的。玻璃肋的开孔大小及数量应根据计算确定,并留有足够的富余量。确保玻璃肋的安全。玻璃开孔周边需倒1mm角,并打磨到精磨的要求。最大程度减少应力集中。不锈钢夹板与玻璃肋连接轴采用不锈钢销轴,未采用螺栓,避免了螺栓螺牙对玻璃的影响。销轴与玻璃间设置了3mm厚的尼龙套筒,使销轴与玻璃达到了柔性连接,避免了硬性接触。不锈钢夹板与玻璃间采用2mm厚的三元乙丙橡胶垫片,避免硬性接触。

  4.3玻璃肋底部入槽的设计

 

  玻璃肋底部采用入槽设计,避免玻璃边部受到碰撞。钢板槽底与玻璃底部预留80mm的缝隙,不设置橡胶垫块。让玻璃肋及面板玻璃由温度、自重产生的变形能够释放。玻璃与槽口边的距离预留12mm,设置弹性的橡胶垫块。可以适应玻璃变形的要求,不致与钢槽边碰撞。

  5、超长玻璃肋的吊装设计

  长度为14.18米的玻璃肋21块,每一块玻璃肋将近800公斤。我们采用25吨汽车吊进行吊装, 升降高度28米的高空作业车,两台机器协调配合施工。由于玻璃属于脆性材料,为防止吊装过程中玻璃弯曲破坏,我们设计了一个长度13米的钢架。其面层铺满胶皮,防止玻璃破碎。由于吊车和高空作业车机器灵敏度不够,我们在顶端安装3吨的手动葫芦,用来配合玻璃肋就位和调整。


 

来源:中建三局装饰有限公司