大面积群体建筑屋面开放系统分形协同建造关键技术*

蔡 勇,江 筠,罗先林,罗跃锋,方真刚

(武汉建工集团股份有限责任公司,湖北 武汉 430056)

0 引言

随着我国经济持续向好发展,城市化水平逐年提升,城市各区域的基础配套设施不断完善,其中科教文卫类的公共建筑以其独特的结构形式、优美的建筑外形和强大的生态功能等特点,受到社会各界的广泛关注[1-2]。公共建筑一般跨度大、面积广,很多露天区域有景观绿化设计,如建筑屋顶、悬挑的大露台、阳台和地下室车库顶板绿化等[3]。这些独特的景观绿化资源可供人们休闲、娱乐和游赏,一定程度上扩充了原有园林绿化的绿化面积,然而,大面积景观屋面施工受天气变化、技术方案及环保管理等影响大,施工过程难度高,景观植物多,其根系易穿刺防水层,渗漏风险高。因此,如何选择最佳的景观屋面施工方案,保证景观屋面功能有效发挥,是大面积景观屋面施工面临的挑战。

目前,国内外景观屋面最常用的施工方法有柔性施工、刚性施工2种,这2种施工方法根据构造层次、具体施工工艺的不同又进行了细分[4-5]。针对这些不同施工方法,本文以耗散理论为基础,并充分结合具体工程特点,基于信息熵创建施工方案评价模型,最后对施工方案进行优选[6],并应用于国家网络安全人才培训中心的大面积景观屋面施工,为同类型大面积景观屋面施工提供借鉴和参考。

1 工程概况

国家网络安全人才培训中心位于武汉市东西湖区,临空港大道以西、塔西路以东及滨河北路以北的地块。本项目的信息综合楼、教学实验楼、附属楼和食堂的地下室是一个整体,地下室防水等级为Ⅰ级,其顶板作为大面积群体建筑屋面,设计有丰富的景观绿化,面积约55 000m2,包括景观屋面、透水沥青道路和广场等。景观屋面从北向南依次分为入口景观绿化、建筑周边景观绿化、建筑中庭交流广场、建筑南侧广场、微坡地形景观绿化和建筑南侧广场景观绿化(见图1)。通过不同材料的搭配与组合,辅以声光电等技术媒体,凸显其“人文、科技、生态、共享”的内涵。

图1 大面积群体建筑屋面景观绿化

2 关键技术路径与难点

2.1 技术路径

大面积景观屋面层理结构多,施工过程较复杂,受诸多因素影响,如外部环境、天气变化、施工方法、管理水平、安全风险等,这些影响因素直接关系大面积景观屋面的施工难易系数、成本造价、施工工期、功能效果、裂缝渗漏及透气通畅性等,必须对其进行技术攻关。一方面,以分形理论为核心进行分形协同建造,将大面积景观屋面进行有序分形,分别对其关键分形节点设计分水线装置、耗散结构装置、分仓施工等技术进行攻关;另一方面,以协同管理为核心,利用空间距离法对大面积景观屋面施工方案进行评价优选,从而控制景观屋面的施工质量,保证屋面的适用性、耐久性和安全性(见图2)。

图2 技术路径

2.2 技术难点

1)景观屋面功能元素复杂 在信息综合楼、教学实验楼、附属楼和食堂4栋单体建筑间设计有丰富的景观功能元素,植物有大乔木+中乔木+小乔木+灌木+地被+草坪等经典组合,分布于各建筑间;休憩空间有交流广场、景观亭、户外弧形坐凳、水景和景观小品等;运动设施有跑道汀步、户外健身场所和排球场等运动场所;配套功能有人行道、车行道、景观电气照明、给排水、消防设施、广播显示屏等智能系统。不同场地有对应的功能空间及景观元素,体现了景观元素的空间塑造特点,同时丰富了不同植物品种的形态和色彩搭配,景观屋面功能元素复杂。

2)景观屋面层理构造复杂,荷载大 景观屋面在竖直方向上构造复杂,共有12个构造层。从下往上依次为屋面结构层、非固化橡胶沥青防水涂料、改性沥青防水卷材、细石混凝土找坡层、保温隔热层、普通防水层、耐根穿刺防水层、细石混凝土保护层、排(蓄)水层、过滤层、种植层和植被层,施工难度大。其中,部分构造层形成恒载,自重大,如景观屋面种植层回填厚度1 500mm,保护层采用70mm厚C20细石混凝土加钢筋网片(φ4@150mm),结构层采用300mm厚C35钢筋混凝土。沥青道路上的车辆、行人走动及绿化层的乔木、灌木等在风力影响下形成的动荷载等都对景观屋面施加了荷载。

3)景观屋面受水面积大,渗漏风险高 景观屋面南北长约270m、东西长约270m,绿化面积达5.5万m2,整个景观屋面面积大,汇水面大。在浇筑结构层、防水保护层时会留有一定数量的后浇带,后浇带处的新老混凝土接合位置会形成软弱层,易遭侵蚀。并且屋面构造层次多,各层搭接缝多,增加了渗漏隐患。绿化层的乔木、灌木随时间不断生长,根系越来越发达,而防水层随时间逐渐老化,植物根系穿刺防水层的风险高。因此,屋面受水面积大、后浇带搭接处、构造层接缝、植物根系发达等因素对景观屋面的渗漏有较大影响。

3 大面积群体建筑景观屋面分形协同建造技术方案

3.1 大面积群体建筑景观屋面分形技术

3.1.1大面积景观屋面分形迭代

由于群体建筑景观屋面面积大、层理构造复杂、受水面大、景观元素多,又要保证屋面通气、不积水、控制裂缝,因此必须优化施工组织,进行分块建造。按分形理论的谢尔宾斯基地毯模型,将大面积群体建筑景观屋面进行分形,一级分形迭代将屋面①号自相似块分形成②～④号自相似块,在分形节点处设置分水线;二级分形迭代将屋面④号自相似块分形成⑤号自相似块,在分形节点处设置耗散装置;三级分形迭代将屋面⑤号自相似块分形成⑥号自相似块,在分形节点处设置分仓(见图3)。

图3 大面积群体建筑景观屋面分形迭代

3.1.2大面积景观屋面分形节点技术

3.1.2.1一级分形节点——分水线

大面积群体建筑景观屋面的分水线是基于分形理论设计的,如图4a所示,其位置L与大面积景观屋面一级分形迭代相契合。分水线截面呈弧形,高100mm,宽200mm。在结构顶板上(两相邻②号块节点位置)植竖向U形钢筋(φ8@1 000mm),然后绑扎双排横向通长钢筋(φ6@100mm),拼装好两侧模板并加固,最后固定封头模板后浇筑混凝土分水线,充分振捣并按规定养护(见图4)[7]。

图4 景观屋面分水线位置及构造

3.1.2.2二级分形节点——耗散结构装置

1)耗散结构装置设计原理 综合考虑景观屋面设计及功能需要,结合工程实际特点,保障室内外空气自然交换,发明了一种景观种植屋面耗散装置。当室外温度高于室内时,室外热空气通过耗散装置进入通气道,一部分进入室内,一部分逐渐冷却形成冷凝水排入室内排水系统;当室内温度高于室外时,室内及土体热量将进入通道的冷空气进行加热,空气进入通气道经过耗散装置与室外进行流通转换[8]。这样的热量交换最终在装置底部形成冷凝水效应,最终通过设置在屋面的落水孔收集至排水系统,通过这种形式最终形成新的稳定的宏观有序结构,有效避免防水层内形成鼓包导致防水层破坏。

2)耗散结构装置位置及构造 大面积景观屋面的耗散装置是基于分形理论进行设计,如图5所示,其位置M与大面积种植屋面二级分形迭代相契合。耗散装置由底部基座、预制加工的装配式井筒、四棱锥形幕墙骨架等组成,幕墙骨架上安装有透明夹层玻璃,井筒上方有2个吊装孔,井筒的下方与螺栓对应位置有预留孔洞,在每个预留孔洞侧壁顶部和底部各有1个水平小孔,分别为注浆孔和溢浆孔。耗散装置底部的通气道口铺设有泄水板(400mm×400mm×35mm),一直铺设至落水口,作为水平排气道,保证室内外连通。

图5 耗散结构装置位置及构造

3.1.2.3三级分形节点——分仓

大面积景观屋面的分仓位置是基于分形理论进行优化设计,如图6所示,其位置N与景观屋面三级分形相契合。以往工程实践表明,屋面裂缝或裂纹主要出现在钢筋密集区域(主次梁构成的结构板内)和后浇带等部位。钢筋密集部位应力相对集中而产生裂纹,后浇带部位的新老混凝土接合处存在软弱层易被侵蚀,常常造成渗漏。国家网络安全人才培训中心工程吸收以往工程实践经验,并结合景观屋面(绿化、车道及广场)设计特点,对景观屋面进行分仓优化设计,将分形分仓优化调整为条形分仓,确保将渗漏风险降到最低。

图6 分仓位置

3.2 耗散结构装置试验及数据分析

3.2.1试验方案

鉴于该项目地处武汉,属亚热带季风气候,雨热同季、光热同季和冬冷夏热等特点,选取具有代表性的夏季和冬季为试验时间,记录连续7d的白昼和夜间温度、湿度变化规律。为检验耗散结构装置的实用性并保证试验数据可靠性,在装置上口上下部、玻璃棚下、装置底部、室内、装置上口上部和室外各设置1个温感器,分别记为温感器1～6,同时记录各处温度变化情况。在装置上口、底部2处设置湿感器1～2记录相应的湿度变化情况(见图7)。

图7 温感器与湿感器布置

3.2.2试验数据采集与记录

每日白昼以12:00—14:00的平均温度和湿度数据作为记录数据留存,夜间以2:00—4:00的平均温度和湿度作为记录数据留存,连续观察7d收集各时段内数据(见表1,2)。

表1 平均温度数据

表2 平均湿度数据

为更直观方便地分析数据,如图8所示,将表1,2中数据绘制成折线图形式。

图8 夏季白昼温度及湿度曲线

将夏季夜间及冬季昼夜温、湿度试验数据直接绘制成曲线,如图9所示。

图9 夏季夜间、冬季昼夜温度及湿度曲线

3.2.3数据分析与结论

通过数据分析发现,夏天白昼玻璃棚下温感器2的读数比装置上口下部温感器1的要高,说明装置顶部的玻璃棚形成了良好的温室效应。装置底部温感器3的读数比上口上部温感器5的要低13～16℃,温差最大,底部湿感器2的读数比上口湿感器1的要大,充分说明在该装置内部形成了明显的温差,且在底部区域形成了对流热交换,空气湿度增大可形成冷凝水。夏季玻璃棚下温感器2的读数比装置上口下部温感器1的要低0～3℃,温差较小,但底部湿度仍比上口要大,仍有对流凝结效应。

冬季夜间装置玻璃棚下温感器2的读数比装置上口下部温感器1的要低,说明装置上口位置形成了良好的通气效应。装置底部温感器3的读数比玻璃棚下温感器2的要高11～14℃,温差最大,上口湿感器1的读数比底部湿感器2的要大,充分说明在该装置内部形成了明显的温差,且在上口区域形成了对流热交换,空气湿度增大,将冷凝水排除到室外空气中。冬季白昼底部温感器3的读数比玻璃棚下温感器2的要高2～3℃,温差较小,但上口湿度仍比底部要大,仍有对流热交换效应。

综上分析可知,夏季白昼与冬季夜间室内外温差最大,对流效应尤为明显,分别在低温区域形成对流冷凝效应,夏季夜间与冬季白昼虽然温差效应相对较小,对流效应有所减弱,但该装置仍能有效发挥作用形成上口与底部的温差与湿度差。

3.3 屋面施工方案优化设计及经济效益分析

3.3.1评价指标体系创建

大面积景观屋面的施工过程较复杂,会受到如外部环境、天气变化、施工方法、管理水平、安全风险等诸多因素的影响,这些影响因素会直接关系景观屋面的施工难易系数、成本造价、施工工期、功能效果、裂缝渗漏及透气通畅性等。根据评价体系的基本原理,选择对大面积景观屋面施工质量有直接影响的渗透率S1、单位造价S2、适用性S3、施工难易系数S4、通气性S5和施工工期S66个主要影响因素,创建方案评价指标体系。其中S1,S3,S5属于效益型指标,S2,S4,S6属于成本型指标。总结国内外景观屋面施工方法及影响参数,结合工程施工现场及商务情况,景观屋面施工有3种方案(见图10)可供选择,即A(大面积分块刚性施工),B(条形分仓刚性施工),C(蜂窝网络分仓刚性施工)[9],各方案具体评价指标如表3所示。

表3 各施工方案评价指标参数

图10 3种屋面施工方案

3.3.2方案评价矩阵及标准化

拟对大面积景观屋面x(x=1,2,3)个施工方案进行评价,每个方案选取y(1,2,…,6)个评价指标,根据大面积景观屋面施工方案评价指标的评价数值创建评价矩阵L′。

(1)

代入数据可得L′3×6:

3.3.3评价矩阵标准化

由于2.1节中大面积景观屋面施工方案选取的影响指标类型、属性及量纲不同,须对其进行标准化处理后才能定量、定性对其综合评价。鉴于这6个评价指标特性,采用极差变换法中的成本型、效益型公式对这些指标进行标准化处理。标准化处理后的数值控制在[0,1]区间,便于各指标比较。

成本型指标标准化处理:

(2)

效益型指标标准化处理:

(3)

原矩阵L′3×6经过极差变换法标准化后得到新的矩阵L3×6如下所示:

3.3.4确定指标的熵权

对于大面积景观屋面多种施工方案的比选,对各评价指标进行不确定性数学描述,用信息熵对系统的信息量进行统计,并将信息熵定义为:

(4)

(5)

由L3×6根据式(5)可得到各评价指标的Pxy,如表4所示。

表4 评价指标的期望值

第x个指标的熵权W(x)可定义为:

W(x)=(1-Hx)/(y-∑Hx)

(6)

根据式(4)和式(6),可得到评价指标H(x),W(x), 如表5所示。

表5 评价指标的熵及熵权

3.3.5方案优选

3.3.5.1方案优选准则

将3种施工方案映射到“距离空间”的“海明距离”D1(w,y)进行综合评价,计算公式如下:

(7)

一般取q=1,则有:

(8)

根据式(8)可计算得到各方案的“海明距离”D1(w,y):D1(W,A)为0.67,D1(W,B)为0.337,D1(W,C) 为0.527。

方案优选准则为:根据“海明距离”D1(w,y)特性,值越小,则越接近理想方案,即方案越优。

3.3.5.2方案优选结果

3种方案的“海明距离”从小到大排序为:D1(W,B)

3.3.6经济效益分析

以10 000m2屋面为例,分别采用大面积分块施工、条形分仓施工和蜂窝网络分仓施工,工期和总费用如表6所示,经过商务询价,分仓施工费用30元/m, 透气井费用120元/个。通过对比可发现,采用条形分仓施工方案,相比于大面积分块施工缩短工期20.0%,降低直接费用38.4%;相比于蜂窝网络分仓施工可缩短工期23.1%,降低直接费用55.4%。同时,考虑到传统方案的维修概率较大,条形分仓方案可在一定程度上降低返修比例,从而减低后期维修维保成本,达到良好的经济效益。

表6 各方案指标费用

4 结语

大面积群体建筑屋面开放系统分形协同建造关键技术,将景观屋面按谢尔宾斯基地毯进行多层级分形,再对其关键分形节点分别设计分水线装置、耗散结构装置、分仓施工等进行技术攻关。结合工程实际,创建多方案评价模型,计算各技术方案的熵权,最后运用“空间距离”综合优选施工技术方案,增强了技术方案实施可行性。