ETFE膜结构在广州南站的应用
发布时间:2021年12月27日 点击数:2080
一、工程概括
广州南站是华南地区最重要的铁路交通枢纽, 衔接5个方向的铁路干线和5条城市轨道交通线路, 是铁路“十一五”期间客站建设的代表作品, 也是广佛一体化的建筑代表。
车站于2010年元月投入运营, 以其恢宏的气势、优美的造型、便捷的流线、通透的空间给过往的旅客带来震撼。
二、设计要点
通廊的屋顶采用的是钢结构的索壳形式, 精美的构件编织成一片网格, 形成了车站独特的肌理。而最激动人心的则是其通透的屋顶, 白天可以清晰看到蓝天, 晚上倒映着室内灯光。波光粼粼, 给人梦幻般的感觉。
广州南站建筑造型立意于“绿叶花街”, 由一片片的芭蕉叶为基本单元。通过中央采光带的串联, 形成极具特色的建筑形态。屋面系统由两大部分组成, 一部分为直立锁边的铝镁锰合金板构成的金属屋面, 覆盖车站的候车区部分, 属于静态空间对应的区域, 形似绿叶;中间部分意喻花街的采光带成为建筑的核心, 既要展现交通建筑的特色, 又要为旅客提供一种全新的空间感受, 其形式、选材直接关系到建筑的成败。
中央采光带面积约2 000 m2, 结构形式采用大跨度的预应力网壳结构。网壳的结构跨度为68×64 m, 最大处跨度96 m。由断面为600×400的方钢管编制成薄壳, 壳体网格尺寸约4.2×4.6 m。壳体呈由东向西逐渐升高, 断面由大变小再变大的形状。这样的屋面在屋面材料的选择上除了常规屋面需要注意的安全、耐久、保温、隔热、防水、防火、养护维修等围护结构的一般要求外, 还需要注意几个要点。
1. 是屋面材料要有较高的透明度
建筑设计的理念提出来的是能够将外部的光线引入, 为站房创造明亮的市内环境。同时, 能够将室外的空间引入与站房空间融合, 形成空间核心。尤其是南方地区, 空气质量好、云量大、天空多姿多彩, 屋顶材料的通透度越高越好。
2. 屋盖材料要有良好的热工性能
在保证屋盖通透的前提下, 需要减弱太阳辐射热能的渗入。虽然中央通廊是交通空间, 旅客停留时间短, 但如果大量的热能进入会形成温室效应, 尤其是南方地区, 空调能耗会大大增加。
3. 要有良好的建筑适应性
由于屋面是三维曲面的造型, 每一块网格的四角不在同一平面, 且网格较大。屋面材料首先需要有良好可加工性能, 能适应三维曲面的形式。其次是自重轻, 以减少大跨度钢构屋面的荷载。还有系统的实施性, 能够预先拼装, 施工安装速度快, 效率高, 以适应建筑的要求。
4. 良好的声学性能
车站候车空间的声学性能一直是站房设计的难点, 由于空间高大、室内人员嘈杂。为提高站内声音的清晰度, 减少混响时间, 就需要屋面有良好的吸音性能, 能够降低声音的反射率。
5. 应满足消防要求
根据车站消防性能化的要求, 屋面材料的耐火性能必须高于B1级。并且在火灾状况下, 不产生滴落物和有毒烟气。
目前, 新的屋面材料不断涌现, 各种产品在性能、生产、应用上有着各自的特点。我们主要研究了几种透明材料, 并做了对比。玻璃是传统的屋面采光材料, LOW-E玻璃有良好的热工性能, 表面的反射率和透明度都能够通过镀膜解决, 并能满足消防要求。但是玻璃自重大, 加工性能差。尤其是LOW-E玻璃必须在工厂内加工制作, 出现破损后更换困难。由于屋面是三维曲面, 玻璃如果按照每个网格单独制作, 投资完全是天价。如果将每个网格在划分为三角形, 则改变了屋顶的形式。PTFE膜材可以解决玻璃自重大、声学性能差、形状适应差的问题, 但是PTFE膜材的热工性能较差, 而且PTFE膜材张拉在屋面完全是一个平板。建筑表皮的肌理很差, 与网壳结构不匹配。聚碳酸酯板、自重轻, 可以改善热工性能, 如穿孔可以改善升学性能。但聚碳酸酯板的板材尺寸偏小, 需要几块板拼接成一个网格。这样屋面上接头过多, 防水隐患大。
最终的设计选用了ETFE气枕作为中央采光带的屋面材料。
三、ETFE气枕
ETFE是一种含氟高分子热塑性材料, 化学名为乙烯四氟乙烯共聚物。建筑膜材由ETFE生料直接制成。EFTE系统由一个个气枕组成, 每个气枕周边采用铝型材制作的边框定型, 内部采用低压空气充填。通过气体的压力, 形成单元构件自身的强度, 每个气枕与屋面网格适应。尺寸确定后, 可直接在工厂内像布料一样裁剪拼制成。
ETFE膜材透光性能好, 号称“软玻璃”, 质量轻, 韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂, 耐候性和耐化学腐蚀性强, 具有优良的抗冲击性能、热稳定性和耐化学腐蚀性。而且自重极轻, 机械强度高, 加工性能好, 其自清洁功能使表面不易玷污。通过雨水冲刷带走表面污物, 即使破损也很容易修补。形成的气枕可在工厂加工, 方便施工和维修。在大型体育馆、游客场所、候机大厅等建设中的体现了极大的优势。尤其是2008年北京奥运会场馆“鸟巢”和“水立方”均采用了ETFE膜结构, 对ETFE膜结构的推广起到了·积极的促进作用。国外的大型场馆如英国的伊甸园、德国世界杯的主会场安联体育馆等建筑也采用了ETFE膜结构。
透明ETFE膜材具有较高的透光率。可以让光线通过, 同时又可以阻止紫外线, 一般通过率不会超0.3%, 避免破坏材料和使人类的皮肤受伤。因此, ETFE材料是一种极好的屋面解决方案, 使人们拥有了一个真实的“开放的空间”。由于每层膜均内封有空气, 所以外体的U值非常低。标准的3层气枕有一个大小为1.96 w/m2°KA的U值。
由于气枕本身是由膜材构成, 有优秀的建筑形式适应性, 可完全按照建筑表面的造型加工制作。充气后的气枕有一定的厚度, 形成屋面独特的肌理。由于膜材本身材质非常轻薄, 对于声音有近似于无的影响。室内声音可直接散放至室外空间, 保证了建筑室内的声学效果。此外, ETFE膜材属于不燃材料, 在220℃的高温下膜材会出现软化, 即使着火离也会自动熄灭, 过程中无有毒气体和高温滴落物产生。当火灾状况下膜材会被烧穿, 而将烟气直接释放, 避免了对人员的伤害。
四、实际效用
广州南站中央通廊位于站房的中部, 采光屋面系统由1 182个菱形的气枕组成。气枕内充气压力300 Pa, 配置了5台功率为3 KW的供气设备, 以保证气枕的压力稳定。气枕上下层采用不同矢高进行设计, 上层膜矢跨比为10%~12%, 下层膜矢跨比5%。根据建筑及节能需要, 气枕上层采用250μm厚蓝色透明的ETFE膜材, 内表面镀银点 (镀点率70%) , 下层采用250μm蓝色透明ETFE膜。
气枕通过铝合金型材固定于小天沟上沿, 小天沟通过方钢支架焊接于主钢构上方。方钢支架也起到找平的作用, 形成光滑的外表皮。
中央天窗区域天沟作为安装构件, 也可作为排水通道, 雨水通过气枕间自然形成的凹槽排入天窗四周结合部大天沟。为保证整个屋面的水密性, 在气枕边界焊接有防水膜, 天沟两侧的防水膜通过铝压板压于天沟中部的方管上。主要雨水将在防水膜上方排水周边的结合部天沟内, 而气枕下方的天沟可接收可能的防水膜渗水。
由于屋面规模大, 广东地区雨量大, 设计的膜结构采用了天沟形式的节点样式。对于气枕节点, 在铝合金的下部设置了一个EPDM凝水槽, 用于电化学绝缘, 冷桥隔绝, 接排铝合金侧边的冷凝水及上部少量可能的渗水。中央天窗区域的天沟主要用于固定铝合金型材和防水附件的安装, 同时作为暗沟可以吸纳一定量的上部渗水。入口雨篷的天沟用来固定铝合金型材和有组织排水, 天沟的采用使膜材安装和后期维护变得便利。
供气设备主要由风扇、干燥装置、配电箱等构成。并设有全天候防护面板, 吸音绝缘衬里, 空气过滤装置。设置了空气干燥器, 使进入气枕的空气得到预先干燥。配电箱作为气压控制单元, 其功能包括运行状态显示、气压人工调节、通过感压开关控制气压、气枕内气压监控、最小气压控制、启动备用风扇、最大气压控制、关闭风扇等。
主供气主管道选用D150镀锌铁质风管, 壁厚0.8 mm, 总长约为2 500 m。主供气管道通过直径50 mm的聚氨酯螺旋支管向气枕冲气。支管的不知与钢结构节点相适应, 四个一组均匀布置。
每套供气设备额外还配置了一套气压计, 选择监测不同位置的15个气枕。同时在屋顶设置了一台风速计, 可使气枕在台风发生下自动增加内压。
五、结语
广州南站中ETFE气枕的采用, 使车站中央通廊的空间更加丰富, 并赋予了建筑物时间与空间的元素, 增强了建筑的特性, 营造了交通建筑新型的核心空间。这是一次全新的创造性的尝试, 对后续ETFE在人员密集的大空间的使用提供了有益的借鉴。