秦皇大剧院GRG双曲面穹顶关键技术与应用

秦皇大剧院GRG双曲面穹顶关键技术与应用

余凯信

深圳市郑中设计股份有限公司

【摘要】陕西省西安市临潼区的秦皇大剧院，吊顶和墙面成功的采用了大型GRG双曲面材料，因GRG有非常好的可塑性、密度高、强度大等特点，而且其不燃性，完全满足剧院等人员密集型场所的防火等级要求，以及表面的肌理与色彩的多彩多样，满足了声学专家对建筑声学要求极高的声学需求，设计师对空间艺术审美的精神和心理需求。目前正被广泛运用在大剧院、展览馆、星级酒店等项目上。又因其特性，在大空间大跨度的空间表现手法上，特别在可塑性极强、多造型上面，可达到声学顾问对大剧院的多面要求，满足向观众提供建筑声学的完美视听享受，同时整体连贯性展现了大剧院的磅礴宏大的气势。

【关键词】GRG、建筑声学、BIM、施工控制、制作、安装

GRG（GlassFiber Reinforced Gypsum）是预筑式玻璃纤维增强石膏的英文缩写，是采用高密度Alpha石膏粉、增强玻璃纤维，以及一些微量环保添加剂制成的预铸式新型装饰材料，产品表面光洁平滑呈白色，材质表面光洁、细腻，白度达到90%以上，并且可以和各种涂料及面饰材料良好地粘结，形成极佳的装饰效果、环保安全不含任何有害元素。此种材料可制成各种平面板、各种功能型产品及各种艺术造型。

大剧院空间作为剧目演出、文化交流与社会活动的公共场所，其装饰吊顶材质是塑造感性与理性空间的载体，在建筑声学中，剧院这种大空间的顶部，是整个空间声学处理的重中之重。对材料的选择是以人为基点的情感和听觉需求的设计，现今新材料和新工艺不断涌现，人们的需求也不仅仅停留在功能要求和审美的普遍性上，室内空间大型GRG双曲面弧形穹顶，因其GRG具有极强的可塑性与密实的反射声音效果，赋予了建筑声学新的灵魂，相对于铝板和石材等，有曲面成型、表面肌理、使用寿命、满足建声要求等方面都有的绝对优势，已成为大剧院演出空间中设计的首选材料。

大剧院内顶面材质的构成，不但要满足视觉美观，同时对声学的达标起到关键作用，在国内的剧院中，因建筑声学不达标的占绝大多数。综合类大剧院，要兼顾到自然声和电声的两方面需要，自然声要求混响时间较长，电声要求的混响时间较短，兼顾自然声和电声两方要求的混响时间一般为1.0-1.5s，秦皇大剧院的混响时间设计为1.2s，因此，在舞台台口的两侧和顶部要有很强的反音要求，观众厅的墙面和吊顶部分，对声音的反射力度和反射方向都有很高的要求，同时又对部分区域进行吸音要求，既要均匀分散的传递到观众厅的每个角落，避免集中传递，同时又要防止声音反射回到舞台的声源部位，会让歌唱者受到反射回来的声音干扰。

秦皇大剧院穹顶的顶面由4跨双曲面GRG构成，每跨的GRG的造型是一个平面弧状，剖面为下玄弧的造型，一侧为密实的反射音部分。GRG的质量要求≥40kg/平方,厚度≥30mm。保证声音及时传达到后面的观众，不能有延迟后回响和共振，而靠近舞台方向为穿孔吸音部分，吸音部分对GRG穿孔率的要求，要达到不能小于14%，避免反射回来的声音对表演者的声音污染。既要让每个观众都能感受到声音包裹的温度和质感，又要让歌唱者感受到气息的深浅、声带的厚薄、共鸣腔体的大小。顶面反音区和吸音区同时分布在每跨GRG的造型上，GRG面层为金箔肌理漆，营造金碧辉煌的殿堂感，整个大跨度穹顶使观众厅的功能性和空间感都充分表达。

GRG穹顶的施工控制：

GRG施工的控制可分三部分，几乎均等的重要，即三分之一的BIM应用及深化排版，三分之一的后场加工支模浇筑，三分之一的现场定位安装。

一、BIM的应用

1、利用BIM技术高精度的测量能力从而达到下单“零误差”，使得GRG后场加工及现场基层制作可同步进行，极大程度上缩减了施工周期。

首先，根据声学顾问和剧院设计方的初步模型，运用犀牛软件（Rhino）进行建模，同时对现场进行点位分析，确定基准点，用三维扫描仪在现场定位后进行三维扫描工作，把三维扫描的点云模型和犀牛软件（Rhino）制作的模型进行碰撞分析，检查建筑偏差，从而对犀牛模型进行修正，达到既要满足设计要求，又要结合现场情况调整到可实施的状态。同时结合图纸深化，分割GRG板块的大小，调整犀牛模型，根据模型设计并满足灯光要求的，带有追光室的面光桥及音箱、LED屏基础，设计便于安装和实施的钢骨架图纸，将钢骨架调整为可加工易拼装类型，用“造船”式拼接钢骨架，整体吊装。深化收口、优化排版规格，结合钢架基层的规格，制定严谨的排版编号图。安装时，根据模型三维定位，使用放样机器人进行放线，用机器人放线，达到即非常精准又非常快捷。

2、BIM应用流程：

三维扫描-Rhino软件建模-点云模型对比-碰撞检测-根据数据深化优化调整模型-造型确认-异性完成面确认-钢结构方案（满足各专业）-GRG排版-分模编号-脚手架、升降机等措施实施-机器人放线-基层面层定位-后场模具制作-现场钢架施工-后场GRG浇筑-运输-定位安装

二、后场加工制模浇筑加工：GRG采用翻模工艺生产，其流程是：制模-配料-生产-脱模。

1、GRG的材料控制：

（1）、必须选用a-石膏,目数在210以上，且增加骨料。b石膏膨胀系数和强度不符合要求，严禁使用；水膏比在1:3.1～1:3.3进行生产。

（2）采用无碱玻璃纤维毡，避免石膏浆的弱酸形成中和反应，强度降低。重量宜为225g/平方，小于200g 时,GRG强度不够，超过300g时，在制作GRG时，石膏浆无法穿透玻璃纤维毡，容易形成产品的分层现象。（3）预埋件应选用热镀锌挂件，虽然热镀锌比冷镀锌表面光滑，但热镀锌比冷镀锌的附着力高很多，热镀锌的耐腐蚀性是冷镀锌的几十倍。热镀锌的镀锌层厚度大于45微米，施工中避免焊接，采用螺栓连接。

2、制模，模具的选择：

选模具通常有木模、玻璃钢膜、蜡膜、硅胶模、高密泡沫模、石膏模等，选用需根据数量、种类、造型，选择不同种类模具用于生产GRG产品。本项目为木膜和硅胶模的结合。制作模具时，尺寸上应考虑拼缝处预留10mm的填缝空间，GRG产品施工时，板块与板快之间应预留10mm的填缝空间，密拼施工会出现开裂现象。模具的验收可引用BIM技术中的三维扫描，做到模具尺寸的精准控制。

3、配料的把控：

GRG型材的生产，需严格按照配料单的配料比进行配料生产:，在GRG的生产时，每一个模具应对应一个产品的配料单，配料单包含模具面积、预埋件个数，单层石膏重量、水重量、玻纤毡面积、涂刷层数等信息，生产严格按照配料单进行配料搅拌生产；在搅拌时，应将称量好的石膏粉倒入称量好的水中，即时搅拌，搅拌时间不小于30s；生产中工人常喜欢将水加入到称量好的石膏粉中，容易造成搅拌不匀，桶底与侧壁处石膏粉无法形成石膏浆，涂刷时容易形成型材内粉化现象；

4、生产浇筑加工：

GRG型材的生产，基本按照裱糊法进行生产制作；基本要求：一般分四层石膏浆三层玻纤毡涂刷施工；施工顺序：表层+玻纤+第二层石膏+预埋件（上下小块玻纤覆盖）+第二层玻纤+第三层石膏+第三层玻纤+第四层石膏。注意要点：

（1）表层：表层石膏浆涂刷后，放置10分钟左右待石膏浆初凝后方可继续进行下步工序。早了，易造成玻纤毡透出GRG表面，影响美观和安装后的批灰工作。晚了，容易造成产品脱层、空鼓现象；

（2）积层（后续三层石膏浆涂刷层，含玻纤层）：积层施工时，要保证每层石膏浆均渗透玻纤层，杜绝出现玻纤层未被石膏浆浸透，造成空鼓；

（3）在生产过程中，注意预埋件检查，发生石膏浆因操作不及时造成石膏浆变稠，严禁加水后进行再生产，必须废弃重新配置石膏浆；

5、脱模：GRG型材的加工定型后，需经过初凝养护，方可入库及后续运输。

（1）GRG脱模需在产品发热期过后进行，正常是生产完1.5h，石膏发热期容易产生变形，当手摸GRG型材发热时，严禁脱模。

（2）进行脱模时，当存在四面法兰边模具时，必须将四面法兰边拆卸后再将产品从模具上脱离；在生产时，工人为了增加速度和减少工序，拆卸一边或两边就强行将产品从模具中拖拽出，造成模具变形和产品变形，后续安装出现拼装误差；

（3）将产品从模具上脱下的48小时内，需将产品放置在支撑架或平整地面上，并做好支持结构。GRG型材在脱模后的48小时内最易发生变形，此期间不建议进行运输工作；

三、现场安装

GRG生产完成后，要把质量防火墙设置在厂里，对GRG加工图尺寸、数量、厚度进行核验。对预埋件、强度等质量进行检查。一般采用木方做支架运输。

现场的安装流程为：

放线→定位板安装→初次加固→校准→二次加固（含锁固）→填缝→批灰打磨→面饰处理。

（1）放线：在GRG型材安装前，需核对现场与施工图间的差异，进行现场放线。吊顶施工需确认水平1m线，吊顶完成面线；墙体和立面，需先确认造型完成面线，并在作业场地内标示清晰。

（2）定位板安装：在GRG型材安装前需先安装定位板，定位板的作用是控制安装精度，消除累计误差定。

（3）初次加固：GRG型材安装时，除定位板采用一次性牢固安装外，其他板材的安装一般分两次加固，第一次进行3/4的预埋件加固安装，且采用宜调节式，方便后续调整因板材变型引起的误差；

（4）校准：非定位板安装后，需进行校准工作，依照放线、施工图及所安装的定位板进行板块校准工作。校准可有效避免产品装错现象发生，同时可以消除累计误差；

（5）二次加固（含锁固）：GRG型材安装完后，进行对敲螺栓锁固工作，相邻两板块需预留10mm间距，当相邻板材锁固后，进行型材产品的二次加固，将相邻板块对锁后，对各板块的固定点进行加固，为预埋件上下螺栓拧紧处理；

（6）填缝：填缝所用石膏浆体必须同生产GRG用石膏原材料相同，填缝石膏浆体搅拌时，需添加短切玻纤毡或玻纤丝，且填入深度在30mm以上；

（7）批灰打磨：安装完成后需对GRG面层进行检查，如板材面层平滑度不符合要求，需进行批灰找平工作。当找平或找顺误差超过2mm时，不能使用腻子进行批灰找平，需采用生产原材料用乳胶漆或801胶水进行误差找平，且需选用外墙用防水腻子；

（8）面饰处理：面饰处理尽量不要采用亮光油漆处理，除非设计硬性要求。亮光油漆会清晰的反映工程的微小瑕疵，影响视觉效果；

技术创新部分：

浙江大学建筑技术研究院韩三明教授负责该剧院的建声设计，根据整个剧院的建声要求，顶面四跨造型为下炫弧，靠近舞台一侧，需要进行吸声处理，要求GRG的穿孔率为15%。材料穿孔率的高低同材料的结实程度成反比，为了解决这个矛盾，进行多次实验，对孔的大小、孔距、排布方式进行理论和实践的反复工作。得出的实施方法：GRG大部分为木质磨具进行大跨度支模，穿孔部分用硅胶底膜，该部分纤维筋用喷枪喷涂，分层均匀排布，完全达到设计强度，最后得到穿孔率为14.8%，经设计确认满足建声要求。

金箔肌理漆饰面，原施工方案流程：腻子打磨后-封闭底漆-肌理喷涂-金箔漆喷涂-界面胶-闪金片。按原方案施工，出现以下问题：1、金箔漆因为厚薄不一致，加上双曲面的光线变化，金箔漆出现深浅不一的炫光；2、闪金片往上撒，大部分都落地了，浪费很大，达不到效果，且粘上去的闪金片，附着力不够，考虑演出时音箱的震动，最后几乎没有闪金片的效果；根据样板制作，将肌理漆、金箔漆、闪金片统一搅拌，一起进行喷涂，金箔漆没有了单独工序的深浅炫光，闪金片形体部分埋在了肌理漆中，牢固度大大增加，达到了设计表达的金碧辉煌的效果。

结束语

从钢拱梁的拼装、吊装, 钢环梁的定位计算及安装, 支撑架体的设计、安装、就为姿态调整及最后卸载方法等方面详细的介绍了项目的安装技术, 成功解决了大跨度、双曲面、椭球形场馆安装的难题。从工期和施工质量上获得了有力保证。实现了绿色、环保施工, 并最大程度的节约了施工费用, 取得了不错的效果, 满足设计施工规范要求。

参考文献

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