梅溪湖国际文化艺术中心不规则复杂曲面工程

摘要

在经济社会快速发展的今天，城市化进程的速度逐渐加快，装配式建筑、智能建筑、智慧城市、“互联网+”等逐渐进入日常生活，并影响着我们的日常起居，作为现代城市建筑的重要组成部分，公共建筑的发展呈现多元化的发展趋势，为了体现建筑的设计理念和城市品位，中规中矩的传统建筑逐渐被“新”、“奇”、“特”的建筑形式所取代，成为城市的地标性建筑和社会发展的重要体现，然而，作为建筑效果重要体现的外围护系统，是完美表达建筑大师创意的重要形式，甚至可以通过建筑的语言形式来表达城市的文化理念，更加透彻地反映城市的文化气息，这也是专业公司力求改变、实现创新的重要途径。

图1梅溪湖国际文化艺术中心全景图

关键字：

不规则复杂曲面工程；防水设计；防水施工

1概况

长沙梅溪湖国际文化艺术中心（见图1、图2）位于国家级长沙湘江新区，总用地面积10万㎡，总建筑面积12万㎡，包括4.8万㎡的大剧院和4.5万㎡的艺术馆两大主体，另外还包含1个小剧场单体建筑，建成后可为世界一流的大型歌剧、舞剧、交响乐等高雅艺术演出所用，是湖南省规模庞大、功能齐全、全国领先、国际一流的国际文化艺术中心，弥补了长沙市乃至湖南省高端文化艺术平台的缺失。

图2梅溪湖国际文化艺术中心效果图

2工程特点

该工程金属屋面部分、排水天沟部分全部是不规则的双曲面，选择何种形式的屋面组合系统，是实现其功能的必要条件，同时由于其造型复杂（见图3），如何控制其完成面，实现建筑师的意图，是工程施工的关键。而且本工程屋面板排水没有规律可循，必须采用参数化模拟分析水流的趋势及方向，来保证屋面板铺设的合理性，以上种种难点，最终必须通过合理的施工措施来实现。

图3屋面板表皮模型

3异形金属屋面的设计

3.1金属屋面系统的构造

梅溪湖国际文化艺术中心由大剧院、艺术馆和小剧场三个单体建筑组成，主体钢结构为钢结构桁架支撑体系，其表面为金属屋面板防水层，GRC复合材料装饰层，整体造型形似一朵朵绽放的芙蓉花，绽放在梅溪湖畔，把艺术中心烘托成为世界级的文化平台。

由于其造型和功能的要求高，其设计和施工的难度非常大，必须结合工程实际情况，采取特殊的、符合工程需要的防水构造形式、节点设计、施工工艺，才能保证工程的顺利完工。该工程屋面系统自上而下的构造如下（见图4）：

图4屋面系统构造层次（单位：mm）

装饰层：18mm厚GRC复合面板；

防水层：0.9mm厚铝镁锰直立锁边屋面板；

二次防水层：0.49mm厚防水透气膜；

保温层：70mm厚离心玻璃丝棉（容重24kg/m3）；

防水层：2mm柔性防水层；

支撑层：0.8mm厚镀锌钢板；

结构层：次檩条；

保护层：单层铝箔保护层；

保温层：80mm厚保温岩棉（容重：80kg/m3）；

隔气层：隔汽膜；

底板层：压型钢底板；

主钢结构。

3.2檩条与主结构连接形式

梅溪湖国际文化艺术中心主体钢结构采用桁架体系与与横向支撑圆管相结合的空间结构体系（见图5），其外形复杂，在施工过程中很难控制其安装精度，易出现外形尺寸偏差较大的现象。

图5梅溪湖国际文化艺术中心主体钢结构空间结构体系

为了保证屋面板的安装精度，施工前必须对主体钢结构进行复测，复核其施工误差，然后依据BIM模型（见图6）确定其檩条完成面标高，檩条标高必须按照理论模型进行定位，并且保证次檩条施工误差控制在允许范围以内。次檩条建模完成后（见图7），将次檩条模型和屋面外表皮组合起来，确定是否存在碰撞现象。确认无误后，确定檩托高度，并给出檩条的三维空间坐标点（见图8），现场通过全站仪进行空间位置定位。

图6主体钢结构BIM模型

图7次檩条构造图

图8檩条三维构造形式

根据该工程造型特点，采用直线檩条无法满足造型需要，必须采用弯弧檩条来实现造型，弯弧尺寸及长度需根据BIM模型定尺加工，以减少材料浪费、增加施工精度（见图9、图10）。

图9檩条的现场施工

图10檩条的加工与制作

由于该工程造型复杂，要实现此造型，首先在设计阶段必须保证檩条的设计合理，因此，采用BIM信息化模型对檩条进行参数化建模和分析，提高了工作效率和准确度，经过放样，发现每根檩条曲率都不一样，这就导致檩条加工难度增大。由于檩条的加工精度直接关系到建筑的外观效果能否实现，为此，施工方将檩条采用热弯工艺加工制作，每根檩条单独放样，保证过渡的顺滑，同时通过严格控制坐标点来保证施工精度。

图11采用BIM信息化模型对檩条进行参数化建模和分析

3.3底板层设计

屋面的构造系统有很多种，同时底板的设计形式也不一样，该工程由于受建筑标高及室内效果的影响，采用传统的底板连接形式无法满足造型要求，为此，将底板通过Z形钢支撑（见图12、图13）直接固定在钢结构桁架上翼缘上，通过计算，保证底板受力满足结构要求，并且通过参数化建模（见图14），在钢结构模型中进行底板实体建模，对底板进行定尺加工，降低了底板的损耗，并且保证了建筑标高的实现（见图15）。

图12Z形型钢支撑底板连接

图13Z形钢支撑的现场施工

图14Z形钢支撑的三维模型

图15Z形钢支撑现场完成图

3.4屋面穿洞设计

该工程屋面带有装饰层（见图16），材料为18mm厚GRC面板，荷载较重，通过龙骨固定在屋面板板肋上，无法满足结构要求，因此该装饰层必须穿透屋面板固定在主体钢结构上，而且数量较多，防水困难，采用三道防水来保证此部位的可靠性，第一道为柔性防水层、第二道为铝合金板防水层、第三道为柔性防水层（见图17）。

图16屋面装饰层构造（单位：mm）

图17三道防水处理

3.5二次防水设计

该工程造型复杂，防水难度极大，单独依靠金属屋面板防水存在很大的漏水隐患，在此基础上，雅百特增设了2mm厚的二次柔性防水层，采用现场喷涂施工工艺，可以保证整个屋面是成为一个密闭的整体，不再存在漏水隐患（见图18）。

图18二次防水设计

3.6天沟系统设计

该工程造型复杂，天沟系统变化趋势没有规律可循，在满足建筑完成面标高的同时，又要保证天沟不与主体钢结构发生碰撞（见图19），考虑到复杂程度高，必须首先对天沟系统进行整体建模，确定其合理性，然后依据模型对天沟坐标点进行定位，交接部位防水时，首先利用泛水板进行第一道防水，然后采用柔性防水层进行二次防水，保证屋面防水层顺利延伸至天沟内侧，达到整体防水的要求。局部区域天沟龙骨模型如图20所示。

图19天沟系统构造

图20局部区域天沟龙骨BIM模型

3.7铝镁锰金属屋面板的设计

该工程造型复杂，屋面板布置方式是否合理是防水的关键，重中之重是设计前根据屋面造型对屋面板进行排水趋势分析。防水是金属屋面最重要的功能需求，它的好坏直接影响到建筑的使用，为此，必须做到屋面不漏水。结合该工程特点，施工方选用目前国内最先进的直立锁边屋面系统，板型宽mm，肋高65mm。由于该工程属于双曲面，仅仅依靠一种板型无法满足工程需要，会出现屋面板大量依靠焊接的现象，存在漏水隐患，为此该工程采用直形板+扇形板相结合的布板方式来实现建筑的防水要求，保证了整个屋面板排布不出现过多的焊缝，减少了漏水隐患。鉴于造型的复杂性，首先进行BIM参数化建模，在模型中模拟板块的分布，找出规律并发现施工难点，通过优化调整，最终实现了合理布局（见图21）。

图21铝镁锰金属屋面板的BIM模型

4结语

梅溪湖国际文化艺术中心的大剧院现已基本成形，在整个项目的施工图设计和现场施工过程中，施工方严格按照BIM模型进行下料、施工，保证了现场的施工质量；同时，也遇到了很多难点和新问题，通过分析研究，所有问题都在施工图阶段被消化掉了，降低了现场施工过程中的风险；在实践中，针对具体的施工难点，用自己所掌握的专业技能加以突破、改进和提高，寻找到了很多解决问题的方法，开拓了技术研发的思路，真正实现了专业公司设计流程规范化、构件加工标准化、施工工艺简单化、成本管理节约化。