BIM专家丨罗忆 掀揭的屋面(四) 沿海机场的刺痛

2015年中国建筑设计院中标厦门翔安机场,老罗与伙伴们开始研究抗风屋面,苦于没有现成的抗风揭系统可用,于是就开始了笨拙而漫长的探索之路……

掀揭的屋面 | 沿海机场的刺痛

掀揭的屋面 | 沿海机场的刺痛

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在崔院士、秦莹总建筑师和机场项目部的指导下,我们做了国内外大量机场设计研究技术工作,并开始为厦门翔安机场的玻璃幕墙和屋面系统进行详细规划设计。

设计指导思想:

玻璃幕墙:基于机场建筑设计的总体思想,充分融合闽南地域文化特点,以现代化建筑最新技术为手段,幕墙体系能抵御50年一遇的强台风袭击,合理的性价比,节能安全。

屋面系统:采用价廉物美、成熟先进的技术,改良技术缺陷,保证屋面系统的采光、防漏、保温、消防排烟等性能的基础上,因应厦门恶劣的气候条件,做好防掀揭系统装置,彻底杜绝掀揭事件发生。


幕墙的摧残
进行两年的机场设计共走过五阶段
第一阶段:方案思考创新设计
            (2015.5——2015.8)

玻璃幕墙:由于强台风高发地区,考虑楼高、柱距,建筑师不喜欢点式玻璃、希望幕墙小框实现通透等因素,我们设计了以索结构为主受力体系的柔性小框幕墙,我们认为柔性幕墙是防御台风侵袭和小框通透都兼而有之的解决之道。

我们在立柱上加梁,玻璃挂梁上,百页作水平支撑。横向(8米)或竖向(12米)拉索结构,包铝装饰框(假框式)。

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第二阶段:结构有规划后的幕墙设计
            (2015.9——2016.12)

玻璃幕墙:结构工程师主张不用拉索结构,改成钢框架受力体系,玻璃分格仍以3000×1100。建筑师建议听从结构工程师意见,我们只能按项目部要求进行了钢结构立柱为独立结构的框架式玻璃幕墙设计。

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第三阶段:各种结构构造设计效果比选
            (2016.1——2016.3)

玻璃幕墙:基于钢框架结构幕墙受力体系的粗密和用钢量很大,项目部要求我们设计各种除了索结构之外的结构体系模式,进行了各种钢结构立柱框架式玻璃幕墙构造形式的外观和价格比选。

于是,我们便做了大量的构造效果及计价。

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第四阶段:建筑结构基本成形后的设计
            (2016.3——2016.5)

玻璃幕墙:主航站楼及指廊幕墙形式均为9米单元,主航站楼幕墙自立一根柱,自立柱放在幕墙内侧或外侧,每个立柱外置落水管并包裹。指廊仍以9米为单元系统,方形立柱外做保温防水,前面放置落水管并以铝板包裹或不包裹。全部幕墙以水平遮阳板长9米承受水平风荷载,每个玻璃竖缝中设置不锈钢光杆悬挂重力荷载,指廊两侧幕墙上方设置铝百页雨蓬系统。

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第五阶段:建筑结构修改后的设计阶段
            (2016.5——2016.7)

玻璃幕墙:主航站楼幕墙形式为18米大单元,分3个小单元,幕墙自立柱两根,自立柱放在幕墙内侧,每个立柱内置不锈钢落水管,首层主立柱包石材,室内外吊顶贯通至幕墙外;指廊仍以9米为单元系统,方形立柱外做保温防水,前面放置落水管并以石材包裹。水平遮阳板长9米承受水平风荷载,每个玻璃竖缝中设置不锈钢光杆悬挂重力荷载。屋面船形大采光顶采用每片玻璃1.5X3米的尺度,其余条形或距形采光顶玻璃用单片1.5X1.5米的安全尺度。指廊两侧幕墙上方设置铝板雨蓬;指廊连接部位设置适当的搭接长度,保证外观完整性。

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屋面的无奈

在厦门设计屋面是要与天斗,没有赢者……

没有更好的屋面系统可以应用,老罗又不干工程施工了,没有资源做模型进行深入研究了,将就着吧……

屋面系统:铝镁锰直立锁边系统来源于英国,价廉物美、技术成熟,在中国已应用十多年,考虑沿海地区台风高发的因素,我们改良了导致容易掀揭的技术缺陷,通过与建筑师、结构工程师的早期有效配合,应能保证屋面系统的安全、采光、防漏、保温、消防排烟等性能。

檩条种类为方通,布置间距600mm (广州机场:1000mm,香港机场800mm,:深圳机场1000mm),考虑到上述机场均有掀揭记录,厦门台风力与上述地区相当,檀条相对加密,确保安全。

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檩条布置与水流方向垂直布置。

因应当地气温变化程度(特别是冬夏),温度应力会使屋面板的长度会引起不同的变化,要作必要的分段处理。我们按不超过40米为分段原则。

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防掀揭装置在板头是夹固的, 在板尾是可滑动的。

防掀揭及坠落装置以10mm光杆布置在每块直立锁边板的两端,以特别固定块固定于T码上,下端可滑动,以满足温度变形需要。

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掀揭的屋面 | 沿海机场的刺痛防掀揭及坠落装置锁定件布置节点

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防掀揭及坠落装置10mm光杆由顺排水方向的钢索约束于两端钢结构上,每米布置一条防掀索。

崔院士要求我们结合屋面装饰、泛光照明理念,设计防掀揭与装饰灯光相结合的共用系统。

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于是,防掀起装置附加灯光装饰系统应运而生。

我们于2016年8月1日向业主总工程师团队汇报了设计好了的幕墙及屋面系统方案,得到了很好的评价和指示。

  1. 认可主航站楼18米分三个6米单元的分格形式;
  2. 不认为百页作为横梁和梯形立柱是最佳选择;
  3. 可做一下百叶横梁要与传统钢结构横梁的比较;
  4. 梯形立柱要与矩形立柱做比较;
  5. 玻璃纵向分格同意1500—1800mm之间认可1650mm;
  6. 指廊做法同主航站楼;
  7. 业主对屋面做法无异议;
  8. 屋面排水遇风倒灌必须得以重视和考虑;
  9. 屋面防掀揭拉杆索的固定方式可行,需补充清晰做法;
  10. 船形采光顶玻璃印花是否做网纹业主讨论决定。

本来可以平安大吉设计了,但人算不如天算……

灾难的刺痛

2016年9月15日,第14号台风“莫兰蒂”于凌晨3时05分在厦门翔安以强台风级别登陆,登陆时最大阵风17级以上,中心最大风力达15级。台风过后,机场集团组织中国建筑设计院设计师与相关人员一起成立考察组,于9月22日对厦门全市幕墙、门窗、屋面受损情况进行了调查。

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在建工地受损严重,很多塔吊受风倒下,严重的损害在建建筑物;大多数张拉膜建筑物中的张拉膜都几乎全部掀揭。

厦门机场T4航站楼的金属直立锁边屋面在本次台风中也被大面积掀揭,金属板下的保温材料被台风吹走。在对现场进行实地考察后,我们就该屋面构造进行一些观察和分析,供业主参考。

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掀揭的屋面 | 沿海机场的刺痛(来源:原设计图纸)

该设计图中檩条设计间距1400mm过于宽,0.56平方米屋面只有两个6mm自攻螺钉受力,似乎忽略了屋面的正负风荷载计算,也没有构件变形的设计考虑。

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屋面结构是采用的工程中最常见的传统构造:即首先在主体结构上焊接转接件以机械固定矩形钢管,再在钢管上焊接C型钢;铺上压型钢板后,用螺钉穿过压型钢板将转接几型码固定在C型钢上;再用自攻钉将衬檩几型钢固定在转接几型码上,然后才将T码用自攻钉固定于衬檩几型钢上。

屋面系统构造的多层受力转接是一种不可靠固定,厚度不足的受力材料由于现场打钉破坏了保护涂层,屋面受强风后产生多次的弹性变形,如此反复变形后会导致始受力面受到破坏,最终掀揭后受力工况发生变化,余下结构不继续受损。

厦门翔安机场是一个完全填海的机场,想到每个沿海机场都有被掀起的传说,想象台风来临时的惊心动魄,我们的激情开始涌动了……

烈火在燃烧

众所周知,屋面被掀,是许许多多因素构成的。

轻盈、板薄、不穿透固定、美观耐久是建筑师要的;

价廉、快速施工是业主要的;

力学性能差、温度变形大是外因;

风大、雨多是外因;

内因通过外因起作用。

低价中标、施工质量差、维护条件不足,使它成为屋面被掀起的催化剂了。

有哲学道理,又有催化作用的理化反应啊!

屋面的问题在于下述原因:
  1. 需要特殊机器拉制材料,不能随意改变材料厚度,导致材料强度低;
  2. 不能穿透固定,锁边工艺不可能有好的力学性能和完整的防水保障;
  3. 几字码、几字檩以自攻钉多重转换连接,很难做到真正的可靠机械固定。

为什么一直沿用着这些欧洲、美国、日本的所谓系统技术,就没有中国自己发明生产的东西呢?

老罗搞了一个这样的“创新设计”图,让朋友李谏先生帮忙做个样板,将来再想办法回报他。

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首先,我想象中的完美屋面是有装饰板的。

装饰板够强度,负责抗风,只要有坚强的配扣件与屋面檩条有可靠连接,抗风揭可以比防水板直面飓风好多了;

防水板在下层负责防水,由于有装饰板抗风,防水板没有强度问题,水也不会因为风大而逆流,防水工作也正常多了。

这个系统主防水板(红色)可以用任何材料,任何厚度;只需折弯机把材料剪切折弯,不需大型滚压机加工,所有材料、厚度、强度由需求决定。

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仍然有T码,也是一样可改变材料厚度,增加强度;由可改变大小的螺栓进行可靠的机械固定;

材料长度根据温度变形情况、可伸缩幅度来决定,板块之间相互搭接,如同叠瓦;

两侧铝合金型材(橙色)挂在T码上,紧紧盖着屋面板,又压在防水板根部,防止向外上翻。T码顶部施以硅酮密封胶……

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我们把它作为幕墙一样打胶防水,王再荣亲临工厂参与做样板,很快就开好模具了,材料加工在密锣紧鼓地进行中……

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掀揭的屋面 | 沿海机场的刺痛新型屋面系统模型

不知是否因为台风莫兰蒂的原因,2017年,厦门翔安机场宣布暂停设计,我们的试验模型也因李谏先生没有太多资源支持而停下来了,我们炽热燃烧的熊熊烈火暂时熄灭了。

疯子在行动

2017年8月超强台风天鸽破坏湛江,2018年09月超强台风山竹破坏珠海、深圳,再次强烈刺痛了老罗的神经。

怎么都没想到,不少屋面被掀揭的报导,就是没有人用心去改造好一种成熟的屋面技术。尽管现在的屋面系统很多,有人使用不锈钢;有人使用镀铝锌;有人使用软防水。但是,它们没有改造防水层下面的结构构造,大部分仍然使用多重檩条、几字码、自攻钉……

突然发现,屋面系统技术其实也大有改进的空间。

于是,我劝说做了二十年屋面的四川老弟唐文针对痛点研究,搞一个中国人的屋面系统,怎样都要与台风老兄叫板一下。

当然,我也帮着出一些主意,把以前的教训都告诉他。不久,他们就做出方案来,是一种方头T码的连续板型,我们准备做模型和试验。

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我把做新屋面抗风揭试验的消息发到朋友圈,几十位专家学者涌到珠海,参与在珠海安维特检测公司的新屋面系统测检。

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屋面板在到加压到10000Pa的时候保压1分钟

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屋面板在到加压到11500Pa的时候保压1分钟

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屋面板在到加压到16500Pa的时候保压1分钟

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屋面板在到加压到16766Pa的时候,压力上不去了……

吓死我了……

在有屋面装饰板夹具的情况下,静态负风压试验,加压到16500Pa, 居然还不破坏;继续做,负压加到了16766Pa,机器漏气了,加不了压……

不知道加到多少才能破坏,加压的声音很恐怖……

发了这条消息后,几百条问题胀爆朋友圈。

有说夸张的;

有问再加压是否板先破的;

有问相当于几级风的;

有说炫技的;

甚至有人让我用铁锤敲打的……

当然,更多的是祝贺和鼓励!

(下期提要:试验失败?疯子继续行动……)

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