中国水利博物馆“水晶”塔幕墙研发施工设计解析

　　摘要：中国水利博物馆为独特的“塔馆合一”建筑，设计不仅要体现建筑的古典美，还要体现现代科技的紧密结合。本文从玻璃挑檐、立面中空玻璃、斗拱及花纹玻璃的受力分析、选材以及施工方法进行较详细的探讨。
　　关键词：挑檐；斗拱；花纹玻璃；设计解析
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　　1工程概况
　　中国水利博物馆位于风景迤逦的杭州市钱塘江南岸九上顺坝，是中国第一座以水利为主题，集收藏、展示、研究、交流和服务等多种功能于一体的专业性国家级博物馆。设计时采用了“塔馆合一”的建筑创意，将古典的八角高塔造型和现代国内外先进技术、材料完美结合，是一座世界独一无二的玻璃宝塔。
　　中国水利博物馆整个主体建筑高128.9米，共11层，建筑面积3.6万平方米，由下部的圆型博物馆体和上部的钢结构玻璃观光塔构成。本文主要阐述了钢结构玻璃观光宝塔外幕墙及其承体系的设计、施工与研究。
　　
　　中国水利博物馆夜景实景图
　　（照图来源于网络）
　　2工程难点及亮点
　　2.1独一无二的点式挑檐
　　2.1.1设计方案
　　在大家的脑海里，古典塔式建筑挑檐基本为琉璃瓦片构造。中国水利博物馆主体为钢结构，挑檐采用不规则人字形钢架，玻璃檐板无法使用常规幕墙连接方式固定，经艰苦探索，特别为中国水利博物馆量身设计出独特的三维可调点玻系统。挑檐上檐玻璃因与水平面夹角小于75度，根据《建筑玻璃应用技术规程》JGJ133定义为屋面玻璃，面板及支撑体系受力计算按此规定执行。
　　上挑檐玻璃由面板和肋板组成，面板和肋板依次垂直布置，玻璃面板和肋板均为6+1.14PVB+6mm钢化夹胶玻璃。玻璃面板和肋板用灰色结构胶连接，在每块肋玻璃和面玻璃的连接缝中，放置两块承重硬橡胶，位置在两端的四分之一分格处，玻璃肋通过连接钢件和转接钢件将面板的荷载传递给主体钢结构。由于上檐面板玻璃在分格缝的地方有支撑体系，但是面板玻璃主要通过与肋玻璃之间结构胶粘接，无驳接头或其他可靠连接，如何解决玻璃安装过程中不发生滑落而且确保安装定位准确是个困难的问题。经过仔细论证，借鉴单元体工厂组装、现场吊挂的办法，采用每榀面板玻璃与肋玻璃（一片面玻璃与一片肋玻璃组合）在工厂注胶预拼装，仔细养护，保证结构胶充分发挥受力性能，然后在现场将每榀玻璃进行安装。为保证玻璃的结构胶粘接安全性及可考性，将玻璃之间的分格缝长向胶缝都采用硅酮结构胶代替硅酮密封胶。
　　下挑檐玻璃采用点玻系统，由于面板宽度小，为保证视觉效果，每块玻璃只能设置两个驳接点固定，但是安装时玻璃常常会转动，难以控制玻璃平直度和胶缝均匀，因此采用与上檐相同的工厂预拼装方法，从而较好的控制住胶缝大小及面板的平直度。如下图所示：
　　2.1.2整体施工放线定位方案：
　　中国水利博物馆塔楼是一个八角古塔造型，每一层塔身及挑檐都有韵律的缩小，而且挑檐为带弧度人字造型，这就给现场施工安装定位放线带来了巨大挑战，而且玻璃的拱曲造型较多、数量多而且片数小、重复较少，使得该工程面临巨大的材料破损的威胁，直接影响施工成本与进度。
　　经仔细研究分析，施工时首先利用先进的全站仪，将八个面的拐角点精确定位，投影到挑檐钢架及阳台钢结构等施工部位，保证八个面尺寸的准确性，把主体钢结构的偏差在每个面独立消化，避免累积误差。这样就能够让设计按照理论尺寸下发玻璃钢件等材料，不仅节省了返尺时间，而且有效控制了材料的损耗，节约了成本。
　　其次，挑檐钢件的定位最难控制，每一排钢件定位高度都不相同。设计将每层钢件定位图都详细提供，施工时利用全站仪将每排钢件座标点准确定位，由点及面，最后让每个面钢件同排定位贯通，保证同一排的钢件离塔心距离及高度坐标一致。
　　由于准备充分，措施得当，挑檐及塔身等关键部位玻璃面板基本能按理论尺寸提料安装，为进度赢得了时间且控制了材料损耗，有力保证了建筑整体效果。
　　3通透的塔身无框中空玻璃幕墙（双层）
　　为避免夏天太阳直射给室内带来大量热量，冬天室内暖气大量流失、结露，挑檐对应室内立面位置采用无框LOW-E节能中空玻璃，塔身立面位置采用LOW-E中空全玻璃结构，最大限度保持通透效果，又环保节能。中空玻璃表面利用喷砂技术组合成各种图案，增加美感，避免了透明玻璃的视觉单调。
　　4 晶莹透澈的斗拱
　　无论从艺术或技术角度来看，斗拱都足以代表中华古典的建筑精神和气质。它构造精巧，造形美观，是中国古代木结构建筑中最具特色的一种构件。中国水利博物馆大胆创新，利用当今高科技和先进材料，把这具有两千多年历史的古构件做得晶莹剔透，极具欣赏力。
　　因为整个塔身为晶莹通透的玻璃幕墙，斗拱的材质必须与之完美相配。玻璃或水晶材质效果好，但是自重大、性脆易裂，不适合做成造型复杂的斗拱。经过大量的研究试验和反复比较最后提议建筑师选定性能稳定、可塑性强的轻质材料PC。采用模具注塑成形技术做成斗拱。在PC材料中添加抗紫外线和抗老化的特殊化学成分，避免斗拱因长期使用而表面老化发黄。
　　由于斗拱环环相扣，相接相成，如何安装和定位是又一难点。在设计斗拱的过程中，采用了三维虚拟技术，多次模拟安装、定位方案。最后选择了高强度耐腐蚀的不锈钢耳板转接系统，精致美观，与斗拱相得益彰。
　　
　　
　　斗拱效果图
　　角科斗拱三维图
　　5花纹玻璃雕梁画栋
　　中国水利博物馆另一个引人入胜的亮点便是梁柱及吊顶雕刻花纹玻璃的应用。
　　古代宝塔建筑花纹繁杂五彩缤纷，因为中国水利博物馆是现代材料和技术缔造的建筑物，华彩的花纹及颜色与整体建筑意境不吻合，经多次修改意见，最终确定玻璃雕刻花纹线条宽3mm、深1mm，颜色清新淡雅，玻璃的其余部位喷砂处理，塑造若隐若现的朦胧效果。
　　雕刻花纹玻璃的使用，使得中国古典宫殿梁柱上华丽的彩绘装饰技术得到一脉传承发扬，更是古老的技术在当代科技材料成功应用的一个典范。
　　
　　塔身梁柱玻璃花纹详图
　　
　　6结语
　　中国水利博物馆“塔馆合一”的建筑创意，注定了项目本身视觉效果、设计难度以及施工难度都将无与伦比。
　　本文从玻璃挑檐、立面中空玻璃、斗拱及花纹玻璃等关键部位幕墙的受力分析、选材以及施工方法进行较详细的探讨，为其他类似工程的设计提供借鉴。
　　参考文献：
　　[1]中华人民共和国行业标准：玻璃幕墙工程技术规范（JGJ102-2003）[s]．北京：中国建筑工业出版社，2003
　　[2]中华人民共和国行业标准：建筑玻璃应用技术规程（JGJ113-2009）[s]．北京：中国建筑工业出版社，2009
　　[3]张芹．玻璃幕墙与采光顶设计施工手册．北京：中国建筑工业出版社[J]，2006