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大運背后建筑科技之美 建筑也可以輕薄如易拉罐

放大字體  縮小字體 發布日期:2011-08-26  來源:中國混凝土網  作者:南方日報
核心提示:大運背后建筑科技之美 建筑也可以輕薄如易拉罐
  置身于深圳第26屆大學生夏季運動會的開幕式現場——深圳灣體育中心,看臺與深圳灣的海景只有“一墻之隔”,薄薄的網格狀“墻”外面就是深圳寧靜的濱海夜景,整個場館內的絢麗燈光也透過薄薄的春繭四散開來。而在龍崗的大運體育中心,一入夜,被稱為的“水晶石”的大運中心就不斷變幻出各種顏色,成為大運中心亮麗的風景。不僅如此,“水晶石”還采用透光卻隔熱的“會呼吸的幕墻”,室外平整的混凝土地面卻和土壤一樣透水,這些新型的建筑科技為大運平添了科技和綠色的色彩。

  記者了解到,在建筑領域,高科技的材料和建筑工藝、創意十足的結構設置以及低碳環保的新型建筑技術都被應用在深圳大運會的各個場館當中。南方日報記者走訪一座座閃爍著高科技因子的大運場館,試圖展示大運場館背后的建筑科技。

  有的幕墻會“呼吸”,有的幕墻可自潔

  龍崗靜謐的夜晚中,“水晶石”不斷放出絢爛的光,奪目卻不喧囂,這里就是龍崗大運中心體育場,田徑、足球等項目比賽的場館。

  “水晶石”的美讓人屏住呼吸,除了獨特的造型,外立面全透明的圍護結構大膽新穎,這可是獨樹一幟。然而這份敞亮、大膽也難免讓人生疑:大運會在深圳最熱的8月份舉行,坐在這全透明的“水晶石”里,和桑拿房露天曬太陽有什么區別?

  大運中心的建筑師則告訴記者,不必擔心:為解決透明幕墻帶來的溫度調節難題,設計方創造性地將圍護設計為兩層,外層為夾膠節能玻璃和聚碳酸酯板,這種新型節能材料通透、明亮又隔熱、隔音、防眩光。在不影響可見光透過的前提下,達到最大的遮陽效果,同時也保證了建筑的節能效果;而內層則為半透明的玻璃纖維張拉膜,除了環保隔熱,還是輔助燈光效果的投影幕布。更重要的是,它與外層幕墻之間形成了一個會“呼吸”的空腔,陽光帶來的熱空氣在這里被牢牢“鎖定”,再全部由自然通風系統帶走,場館內的溫度調節通過這一吸一呼而完成。到了冬天,關上“天窗”,又可以最大限度地確保熱量不流失。

  同樣是幕墻,大運中心的幕墻讓人嘆服,但鹽田區體育館的幕墻卻未必“服氣”,因為她也有特殊技能——納米自潔。這種技術就是在大廈建筑外墻的玻璃、鋁板、油漆等表面制備二氧化鈦涂層,納米二氧化鈦在日光紫外線催化作用下具有超強氧化性和超親水性。超強氧化性可降解汽車尾氣和工業廢氣中排放出來的有機物如甲醛、甲苯等油污,并將這些污漬分解為二氧化碳和水,使附著在建筑表層的無機物如二氧化硫、氮氧化物等失去黏附力,當下雨時,已經降解的有機物和失去黏附力的無機物就很容易被水沖走。使用納米自潔技術的建筑外墻可以不用定時人工清洗,不僅節省了大筆清潔費用,節能降耗方面也有收益,因為納米自潔環保技術的二氧化鈦涂層還能吸收紫外線,可以阻隔10%的太陽能進入室內,降低了電能消耗。

  記者在采訪中了解到,這種納米技術除了自潔,還能凈化空氣,10000平方米的納米自潔涂層相當于200棵楊樹的空氣凈化效果!而老百姓接觸最頻繁的民用住宅,將是這一技術進一步推廣的重點目標。

  路面收集滲透水,通過暗溝流向景觀湖

  大運中心的設計大氣美觀,遠處青山環抱,身旁還有一灣澄澈的湖水,腳下廣場很寬敞。細心的市民可能會注意到,大運中心不少路面都呈銀灰色,仔細看起來像是一塊塊小石子拼接到了一起,與傳統平整的水泥路面和瀝青馬路相比,這里顯得有些“寒磣”。不過,可別小看這種設計,如果你把一瓶水倒在路面上,你會發現一整瓶水轉眼間便從看似毫無縫隙的地面上消失了。

  路面能“喝水”,是因為應用了一種新型的透水混凝土。大運中心的工程人員告訴記者,大運中心室外路面鋪設了總面積達15萬平方米的透水路面,其透水系數為3毫米/秒。這么大的“胃口”,積水現象幾乎不可能出現,“就算拿水管直接扔在地上不停放水,也頂多出現臉盆大的水漬,連水洼都不會有。奧妙就在這混凝土下,布滿了縱橫交錯的暗溝,像人體的毛細血管,收集滲透水,迅速送進人工湖補充景觀用水或者儲存用來灌溉”,工程人員解釋,而湖水又被用來進行綠化澆灌和場地道路沖洗。消失了的水,實際上始終在被循環利用著。看似喝水,實則節水。然而神奇之處不止于此,記者還了解到,在炎熱天氣下,相對于普通地面,這種透水地面的溫度會低5—10攝氏度。

  節能和綠色被作為本屆大運會的一個主題,很多場館都應用了最新的節能技術。在鹽田區綜合體育館,玻璃幕墻外側采用國際先進水平的全天候智能遮陽電動百葉窗,這種百葉窗可隨陽光的直射角度調整遮陽板角度,達到防止陽光直射玻璃導致的能量損耗。

  在“春繭”,記者還見識了另一項節能的“獨門絕技”:空調制冷,不用電,還能用什么——用冰:簡單來說就是晚上制冰,白天制冷,利用冷凝和升華的物理原理節約能源。晚上11時后,開始制冰并儲存起來,第二天,制好的冰可供應空調制冷。這樣既錯開了用電高峰,又節約了成本。據測算,使用“冰蓄冷”后,“春繭”每年節省運行費用200萬元,還可節約用電280萬千瓦時。而冰蓄冷也代表著當今世界中央空調的發展方向。

  -科技點擊

  1.節省鋼量60%

  大運中心體育場采用了國際上首創的單層折面空間網格結構,這種結構體系使得大運中心體育場用鋼量大大節省,6萬座的大運中心體育場用鋼量只有1.8萬噸,只有“鳥巢”的40%。

  2.會“呼吸”的玻璃幕墻

  大運中心外立面全部設計為全透明的圍護結構,外圍護結構設計為兩層,外層為XIR夾膠節能玻璃和聚碳酸酯板,內層為半透明的玻璃纖維張拉膜。XIR夾膠節能玻璃具有通透、明亮、隔熱、隔音、環保、防眩光等特點,可見光透過率超過70%,可見光反射率低于8%,可屏蔽99.8%的紅外線及紫外線,在不影響可見光透過的前提下,可以提供很高的遮陽系數,達到最大的遮陽效果,在保證了建筑物通透性的同時,也保證了建筑的節能效果。通過這兩層材料間形成空腔,可以將空腔間陽光輻射造成的熱空氣全部由自然通風系統帶走,其作用類似呼吸幕墻,但比呼吸式幕墻更節約造價,施工更簡單。

  3.可透水的混凝土地面

  大運中心室外地面全部采用透水混凝土,共計15萬平方米,透水系數達3毫米/秒,可以起到透水、透氣、保水、節水的作用,每年使用雨水與中水等非傳統水資源可達到92萬立方米。室內消防用水全部利用現有的游泳池水,可節水0.21萬立方米/年;智能綠地澆灌可節水15萬立方米/年,并節約10萬元以上管理勞務支出。綜合起來,年節水約107.37萬立方米,夠2200余人用一年。

  4.建筑可“變色”

  夜色中的大運中心“水晶石”不斷的變幻著自身的顏色,吸引著周圍市民的目光。據了解,大運中心設計了20多種不同配光,并運用了世界領先的6個核心專利技術的獨立控制系統,可以同步控制23880套智能燈具,共88350個獨立控制單元,并可實現一年365天全自動運行和監控。所有的燈具都安裝在鋼結構的部分主梁和次梁上,實現了燈具和線槽的隱蔽,完全消除了顯光,構成了美麗的剪影效果。

  5.省電一半的燈

  專門研發的百萬顆專用LED芯片和非線性透鏡,具有節能、環保、體積小、耗電量低、壽命長、高亮度、低熱量等優點,燈具壽命可達5萬小時以上,比熒光燈光源壽命長2.5—3倍,比熒光燈光源節能60%以上。場館內會客廳、休息室、功能房、采訪間采用的T5熒光燈,節能率也達到35%—50%。

  建筑也可以有“脈搏”

  “春繭”顧問工程師:

  -人物

  坐落在美麗深圳灣的“春繭”,猶如孕育破繭而出沖向世界的運動健兒的孵化器,構思新穎、造型獨特,與“鳥巢”的設計手法有異曲同工之妙。“春繭”由東向西的頭、身、尾分別隔出三大場館——體育場、室內體育館和游泳館,開創了國內體育場館設計和建設的先河。在負責“春繭”項目咨詢的奧雅納總工程師汪洋看來,深圳大運會開幕式場館——深圳灣體育中心的建筑難度甚至高于北京的鳥巢,而在為這所大運場館提供建筑工程的咨詢服務時,工程師們則讓“春繭”具備了“脈搏”,讓她在施工中隨時可以發現“身體”的異樣,此外包括航空航天等領域的先進技術都在春繭設計和施工中首次進入了建筑領域。 
 

  創意外觀也需要科技才得以實現

  奧雅納工程顧問公司總工程師汪洋至今仍記得當初華潤來找到他們時的場景。2009年初,華潤作為深圳灣體育中心(俗稱“春繭”)的開發商找到奧雅納做項目結構、安全和施工方面的咨詢優化,“那時聽說他們還在做施工圖設計”,而聯想起深圳灣體育中心是在2010年5、6月進行“合攏”的,汪洋慨嘆華潤在“春繭”這一建筑上面完成了相當了不起的成績。

  奧雅納是在建筑行業知名的集設計、工程、規劃和業務咨詢為一體的全球性公司,其在中國參與咨詢和結構優化的項目就包括央視新大樓、鳥巢、水立方、廣州塔等多個地標性建筑,在深圳他們則在京基100的建造中提供了專業的意見。

  接到這一咨詢人物后,奧雅納開始組建以深圳當地有經驗的專家為主的團隊,并動用東亞區的專家庫,此外還邀請香港、倫敦等地公司的專家,其中不乏負責鳥巢等重大項目的結構負責人。而汪洋,則成為“春繭”咨詢顧問的總負責人。

  “春繭”采用了國際上首創的單層折面空間網格結構,借助屋頂巨幅鋼結構鋪裝,將體育場、體育館、游泳館置于一個白色的巨型網格狀鋼結構屋面之下,精巧的設計讓人驚嘆不已。而這背后,為了實現設計師的這一外觀構想,工程師們付出了很多艱辛的努力,“其實設計外觀與實際應力不符,而日本設計師佐藤堅持設計尺寸,讓準備改動尺寸以符合實情的顧問公司、施工團隊都處在兩難境地”,汪洋表示。

  為達到外觀效果,同時又要保證安全的前提下,工程師們考慮節省材料以減輕自身承重,奧雅納的咨詢團隊就建議采用表面積大、矩形截面小的特殊薄壁作為箱體構件。“春繭”的薄壁板厚在10毫米~30毫米之間,比起“鳥巢”厚達60毫米的鋼板,構件成型雖然容易,但是也更容易反彈,這對施工的要求也更高。

  汪洋作了這樣一個比喻,“如果把‘春繭’剖開,其剖面就會是一個矩形,網殼的鋼結構和內部巨大的空間相比就像是易拉罐”,汪洋告訴記者,建筑中的鋼結構如果越輕,自重越低就會減少對建筑本身的影響,但是夠輕的同時又不能像易拉罐一扭就完全變形了,“于是我們在輕薄的同時也要努力控制鋼結構的節點,讓一個節點的變形不能影響到整個建筑的結構和安全”。

  “健康監測”將伴隨“春繭”整個生命歷程

  最后,整個“春繭”是由1萬多根構件組成的長達530米、寬241米的鋼結構包裹。汪洋告訴記者,構件的設計走向是打破常規的,是扭曲的,“春繭”扭曲的數量和程度都超越“鳥巢”。在施工中,為保證定位準確性,奧雅納提出分片組裝的建議,施工方最終也是采用了分塊累積提升與高空分塊吊裝相結合的方案進行施工,即在地面上一個一個區域焊接、拼裝好,然后將大塊單元體逐步吊裝上去。

  奧雅納工程顧問公司的董事林奉軍告訴記者,奧雅納所賦予“春繭”的,就是幫助開發商實現讓大運開幕式場館更加安全、結構更加優化、施工過程更加萬無一失的目標。汪洋表示,像“春繭”這樣的建筑,即使最有經驗的工程師也無法判別出最優的選擇方向。而奧雅納是借助了航空航天的高端軟件,結合土木工程,進行二次開發,有針對性地給出項目的優化方向,并借助3D技術表現空間結構的幾何關系,在系統中模擬校核。

  而為了保證施工的精準,整個“春繭”在建造、合攏、卸載的工程中有了“健康監測”。工程師們在春繭鋼結構的各個節點安裝感應元器件,即時監測建筑在施工和合攏期間的受力狀態和溫度分布,以便檢測施工過程是否有問題。“鋼的建筑構件存在熱脹冷縮的現象,而對于這么大的鋼架構來說,熱脹冷縮就會更明顯”,汪洋解釋,“因此鋼結構合攏等作業必須在一定溫度范圍內進行”,有了健康監測我們就知道每個環節施工是否可以繼續進行,就好比人的脈搏,“隨時監測一個人在工作中的身體健康狀況”。

  此外,“春繭”坐落在深圳灣,臺風時有發生,能否應對臺風或者地震等極端天氣成為最為關注的問題。而“春繭”的設防裂度為7度,能否達到設計要求,作為工程顧問的奧雅納,需要準確作出判斷。比如體育場北側看臺的頭頂上有一片巨大的單層“網殼”,“片狀的鋼結構就怕風,強風吹過會使其抖動,而抖動多了就會垮塌”,汪洋表示,最后我們通過控制單層網殼的位移和受力狀態讓其更穩定,從而使得“春繭”不懼怕強風。

  “健康監測系統,將伴隨‘春繭’的整個生命歷程”,汪洋告訴記者,即使施工結束,“春繭”的健康監測依然存在,在未來的歲月中,它所記錄的一切,會成為所有建設者交給深圳、交給歷史的成績單。
 
 
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