柬埔寨国家体育场创新性立面体系研究

(整期优先)网络出版时间:2024-07-01
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柬埔寨国家体育场创新性立面体系研究

张煜

中国中元国际工程有限公司 北京  100089

摘要:

柬埔寨国家体育场是近年来少有的新建国家级综合性体育场,其设计过程中的多项研究成果不仅用于该体育场的建设,更是向世界展现中国建造实力,已推广应用到国内外众多相关项目中。在众多研究成果中其建筑外幕墙的技术创新尤为突出,本文着重介绍其外立面设计的创新点和实现过程。

关键词:体育场、金属穿孔板索幕墙、穿孔率、节点设计。

柬埔寨国家体育场项目是中国援建史上等级最高、规模最大、设计最先进的体育场。本体育场定位为一座能够举办国际一流赛事的、现代的且能够代表柬埔寨国家形象与民族精神的标志性建筑,被用作2023年东南亚运动会的主会场。

1.新型金属穿孔板索结构幕墙体系关键技术研究

柬埔寨的气候特点十分鲜明,全年高温、旱雨季分明,属于典型的热带季风气候。本着地域性和环境友好性设计的核心理念,基于风环境影响分级的结论,本项目需要一套总体通透率在60%左右且兼顾满足自然通风、采光的同时起到遮阳、防风和防雨作用的外围护系统(图1)。

图1立面设计工作原理

1.1 首次提出新型金属穿孔板索结构幕墙体系

体系创新必要性与背景研究:针对本项目功能需求特点,我们需要一种可能适应气候特点和体育场使用功能的复合型幕墙选型。当下,索幕墙和金属幕墙是两种成熟的建筑幕墙形式,金属幕墙多为金属板复合在金属龙骨或钢结构框架上的稳定幕墙结构,整体视觉通透性较低,部分金属幕墙采用穿孔板。索幕墙是利用钢索张拉形成索网,通常结合玻璃材质,形成视觉通透的索玻璃幕墙。我们将索幕墙和金属幕墙两种形式相结合,提取了各自的优点,利用了索结构的轻盈美观以及金属幕墙的自重轻、可穿孔、可塑性强等特点,创造性的提出了穿孔金属板索网幕墙的理念。

体系构成原理:金属板索网幕墙体系由通长的铝镁锰合金穿孔板和横纵两向的钢索网格组成。本幕墙体系的设计思路是通过金属板的材料和构造特性以及索网体系轻便的结构特性共同形成一套同时达到通风、采光、遮阳、防水、防风多项功能的建筑外围护构造。针对60%穿透率要求,通过对幕墙材料、构造、板型、穿孔率等细节的调整以达到整个系统的高耐久性和安全性。

体系功能和特点:穿孔板和板间隙的设计可在平时对体育场内提供足够自然风,但当风速过高的时候又能有效控制风通量,不至于过度影响内场风环境(为保证成绩有效,体育场内场地面风速不能大于1m/s)。斜向外倾的立面设计可以有效遮挡直射阳光,金属板的穿孔设计又能将散射光引入内环廊空间,形成均匀有效的自然采光。同时独特的金属板构造有效防止雨水横漂入体育场内部。

(1)美观与功能结合:它不仅增加了建筑的美观性实现了民族图案和建筑立面

色彩的表达,还可以根据穿孔的大小和分布来调节内部光线和视线,实现自然通风和遮阳为体育场各层内部空间提供优化舒适的环境条件;

(2)结构稳定性:索网结构具有良好的力学性能,能够承受不同方向的风压和自重,适用于高层建筑和大跨度结构;

(3)节能环保:通过调节穿孔板的开孔率,可以有效控制建筑内的光照和量,从而减少对人工照明和空调的依赖,达到节能减排的效果;

(4)预制装配:穿孔板材的材质、开孔率、孔径等都可以根据项目需求定制,提供独一无二的外观和性能(图2)。

图2幕墙穿孔率研究

2.提出了一种基于CFD 模拟的幕墙穿孔率计算系列方法

幕墙通透性是实现其环境控制目标的核心要素,通透性能由金属板穿孔率和穿孔板链接构造共同决定,它们可直接影响幕墙的光照调节、通风、视觉透明度和美观等方面。穿孔方式,即孔洞圆心的位置关系,是分析穿孔率的基础。穿孔率,即穿孔面积占总面积的比例,是通过一系列的设计考虑和计算来决定的。本项目提出系列方法综合确定幕墙穿孔率,具体步骤如下:

(1)设计需求分析

光照控制:根据建筑的用途和位置,分析室内对自然光的需求,确定需要多少自然光进入室内,从而影响穿孔率的大小。

视觉透明度:考虑建筑的视觉通透需求,决定穿孔板的透视率,平衡私密性与放性。

通风需求:对于需要自然通风的建筑,穿孔率的大小将直接影响通风效果。

美观与外观:考虑到建筑的整体外观设计,穿孔图案和分布也会受到美学考量的响,可以通过穿孔率的变化形成体育场立面上的国花图案。

(2)结构与材料考虑

结构安全:在穿孔率一定的情况下,对比选取最为合适的结构形式。

材料特性:根据所选材料的特性,如强度、耐久性等,综合考虑其对穿孔率的限制。

(3)实验和原型测试

样品制作:在设计和施工阶段分别制作1:1局部样板,进行实物证。

反馈调整:根据测试结果,对穿孔率进行适当调整,以最终确定最佳设计方案。柬埔寨体育场外幕墙设计采用以上系列方法,最终确定幕墙穿孔率35%,使得幕墙体系在采光、通风及结构安全方面达到了最优的平衡效果。

3. 提出一种新型索-铝镁锰板连接节点

索与穿孔板连接节点在穿孔索网幕墙系统中扮演着至关重要的角色,它们不仅需要保证结构的稳定性和安全性,还要考虑美学和施工的便利性。基于索网系统与穿孔铝板受力特点,本项目提出一种新型索-铝镁锰板连接节点,可适应索网柔性变形的同时确保铝镁板不被撕裂,节点设计考虑隐藏式、机械连接、组合式、一体化铸造等方面考虑进行创新设计。

本系统采用的金属板是在500宽的直立锁边铝镁锰合金板的基础上开发出来的,首先对板进行30%的冲孔,再对板进行压型形成两道100mm高的收边肋和三条30mm高的加强肋。单板长度最大10m,可以通过穿孔率的变化形成体育场立面上的国花图案。

金属板被专用夹具固定连接在后面的单层索网上,索网采用φ20的横索和φ26的纵索,横索固定在外立面的结构柱上,纵索固定在上下环梁上。金属穿孔板均固定在纵索上,板与板之间形成115mm的间隙

              3外立面效果

轻盈的结构形式和实用的立面材料共同形成了一套安装便捷、功能高效的维护体系,这种创新性的结合模式在国内外并未找到先例,可以称为独树一帜的做法。为未来热带地区公共建筑的开敞空间设计提供了宝贵的经验和新的思路(图3)。