大面積群體建筑屋面開放系統(tǒng)分形協(xié)同建造關(guān)鍵技術(shù)*

蔡 勇,江 筠,羅先林,羅躍鋒,方真剛

(武漢建工集團(tuán)股份有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430056)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)向好發(fā)展,城市化水平逐年提升,城市各區(qū)域的基礎(chǔ)配套設(shè)施不斷完善,其中科教文衛(wèi)類的公共建筑以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式、優(yōu)美的建筑外形和強(qiáng)大的生態(tài)功能等特點(diǎn),受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[1-2]。公共建筑一般跨度大、面積廣,很多露天區(qū)域有景觀綠化設(shè)計(jì),如建筑屋頂、懸挑的大露臺、陽臺和地下室車庫頂板綠化等[3]。這些獨(dú)特的景觀綠化資源可供人們休閑、娛樂和游賞,一定程度上擴(kuò)充了原有園林綠化的綠化面積,然而,大面積景觀屋面施工受天氣變化、技術(shù)方案及環(huán)保管理等影響大,施工過程難度高,景觀植物多,其根系易穿刺防水層,滲漏風(fēng)險(xiǎn)高。因此,如何選擇最佳的景觀屋面施工方案,保證景觀屋面功能有效發(fā)揮,是大面積景觀屋面施工面臨的挑戰(zhàn)。

目前,國內(nèi)外景觀屋面最常用的施工方法有柔性施工、剛性施工2種,這2種施工方法根據(jù)構(gòu)造層次、具體施工工藝的不同又進(jìn)行了細(xì)分[4-5]。針對這些不同施工方法,本文以耗散理論為基礎(chǔ),并充分結(jié)合具體工程特點(diǎn),基于信息熵創(chuàng)建施工方案評價(jià)模型,最后對施工方案進(jìn)行優(yōu)選[6],并應(yīng)用于國家網(wǎng)絡(luò)安全人才培訓(xùn)中心的大面積景觀屋面施工,為同類型大面積景觀屋面施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

國家網(wǎng)絡(luò)安全人才培訓(xùn)中心位于武漢市東西湖區(qū),臨空港大道以西、塔西路以東及濱河北路以北的地塊。本項(xiàng)目的信息綜合樓、教學(xué)實(shí)驗(yàn)樓、附屬樓和食堂的地下室是一個(gè)整體,地下室防水等級為Ⅰ級,其頂板作為大面積群體建筑屋面,設(shè)計(jì)有豐富的景觀綠化,面積約55 000m2,包括景觀屋面、透水瀝青道路和廣場等。景觀屋面從北向南依次分為入口景觀綠化、建筑周邊景觀綠化、建筑中庭交流廣場、建筑南側(cè)廣場、微坡地形景觀綠化和建筑南側(cè)廣場景觀綠化(見圖1)。通過不同材料的搭配與組合,輔以聲光電等技術(shù)媒體,凸顯其“人文、科技、生態(tài)、共享”的內(nèi)涵。

圖1 大面積群體建筑屋面景觀綠化

2 關(guān)鍵技術(shù)路徑與難點(diǎn)

2.1 技術(shù)路徑

大面積景觀屋面層理結(jié)構(gòu)多,施工過程較復(fù)雜,受諸多因素影響,如外部環(huán)境、天氣變化、施工方法、管理水平、安全風(fēng)險(xiǎn)等,這些影響因素直接關(guān)系大面積景觀屋面的施工難易系數(shù)、成本造價(jià)、施工工期、功能效果、裂縫滲漏及透氣通暢性等,必須對其進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。一方面,以分形理論為核心進(jìn)行分形協(xié)同建造,將大面積景觀屋面進(jìn)行有序分形,分別對其關(guān)鍵分形節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)分水線裝置、耗散結(jié)構(gòu)裝置、分倉施工等技術(shù)進(jìn)行攻關(guān);另一方面,以協(xié)同管理為核心,利用空間距離法對大面積景觀屋面施工方案進(jìn)行評價(jià)優(yōu)選,從而控制景觀屋面的施工質(zhì)量,保證屋面的適用性、耐久性和安全性(見圖2)。

圖2 技術(shù)路徑

2.2 技術(shù)難點(diǎn)

1)景觀屋面功能元素復(fù)雜 在信息綜合樓、教學(xué)實(shí)驗(yàn)樓、附屬樓和食堂4棟單體建筑間設(shè)計(jì)有豐富的景觀功能元素,植物有大喬木+中喬木+小喬木+灌木+地被+草坪等經(jīng)典組合,分布于各建筑間;休憩空間有交流廣場、景觀亭、戶外弧形坐凳、水景和景觀小品等;運(yùn)動(dòng)設(shè)施有跑道汀步、戶外健身場所和排球場等運(yùn)動(dòng)場所;配套功能有人行道、車行道、景觀電氣照明、給排水、消防設(shè)施、廣播顯示屏等智能系統(tǒng)。不同場地有對應(yīng)的功能空間及景觀元素,體現(xiàn)了景觀元素的空間塑造特點(diǎn),同時(shí)豐富了不同植物品種的形態(tài)和色彩搭配,景觀屋面功能元素復(fù)雜。

2)景觀屋面層理構(gòu)造復(fù)雜,荷載大 景觀屋面在豎直方向上構(gòu)造復(fù)雜,共有12個(gè)構(gòu)造層。從下往上依次為屋面結(jié)構(gòu)層、非固化橡膠瀝青防水涂料、改性瀝青防水卷材、細(xì)石混凝土找坡層、保溫隔熱層、普通防水層、耐根穿刺防水層、細(xì)石混凝土保護(hù)層、排(蓄)水層、過濾層、種植層和植被層,施工難度大。其中,部分構(gòu)造層形成恒載,自重大,如景觀屋面種植層回填厚度1 500mm,保護(hù)層采用70mm厚C20細(xì)石混凝土加鋼筋網(wǎng)片(φ4@150mm),結(jié)構(gòu)層采用300mm厚C35鋼筋混凝土。瀝青道路上的車輛、行人走動(dòng)及綠化層的喬木、灌木等在風(fēng)力影響下形成的動(dòng)荷載等都對景觀屋面施加了荷載。

3)景觀屋面受水面積大,滲漏風(fēng)險(xiǎn)高 景觀屋面南北長約270m、東西長約270m,綠化面積達(dá)5.5萬m2,整個(gè)景觀屋面面積大,匯水面大。在澆筑結(jié)構(gòu)層、防水保護(hù)層時(shí)會(huì)留有一定數(shù)量的后澆帶,后澆帶處的新老混凝土接合位置會(huì)形成軟弱層,易遭侵蝕。并且屋面構(gòu)造層次多,各層搭接縫多,增加了滲漏隱患。綠化層的喬木、灌木隨時(shí)間不斷生長,根系越來越發(fā)達(dá),而防水層隨時(shí)間逐漸老化,植物根系穿刺防水層的風(fēng)險(xiǎn)高。因此,屋面受水面積大、后澆帶搭接處、構(gòu)造層接縫、植物根系發(fā)達(dá)等因素對景觀屋面的滲漏有較大影響。

3 大面積群體建筑景觀屋面分形協(xié)同建造技術(shù)方案

3.1 大面積群體建筑景觀屋面分形技術(shù)

3.1.1大面積景觀屋面分形迭代

由于群體建筑景觀屋面面積大、層理構(gòu)造復(fù)雜、受水面大、景觀元素多,又要保證屋面通氣、不積水、控制裂縫,因此必須優(yōu)化施工組織,進(jìn)行分塊建造。按分形理論的謝爾賓斯基地毯模型,將大面積群體建筑景觀屋面進(jìn)行分形,一級分形迭代將屋面①號自相似塊分形成②～④號自相似塊,在分形節(jié)點(diǎn)處設(shè)置分水線;二級分形迭代將屋面④號自相似塊分形成⑤號自相似塊,在分形節(jié)點(diǎn)處設(shè)置耗散裝置;三級分形迭代將屋面⑤號自相似塊分形成⑥號自相似塊,在分形節(jié)點(diǎn)處設(shè)置分倉(見圖3)。

圖3 大面積群體建筑景觀屋面分形迭代

3.1.2大面積景觀屋面分形節(jié)點(diǎn)技術(shù)

3.1.2.1一級分形節(jié)點(diǎn)——分水線

大面積群體建筑景觀屋面的分水線是基于分形理論設(shè)計(jì)的,如圖4a所示,其位置L與大面積景觀屋面一級分形迭代相契合。分水線截面呈弧形,高100mm,寬200mm。在結(jié)構(gòu)頂板上(兩相鄰②號塊節(jié)點(diǎn)位置)植豎向U形鋼筋(φ8@1 000mm),然后綁扎雙排橫向通長鋼筋(φ6@100mm),拼裝好兩側(cè)模板并加固,最后固定封頭模板后澆筑混凝土分水線,充分振搗并按規(guī)定養(yǎng)護(hù)(見圖4)[7]。

圖4 景觀屋面分水線位置及構(gòu)造

3.1.2.2二級分形節(jié)點(diǎn)——耗散結(jié)構(gòu)裝置

1)耗散結(jié)構(gòu)裝置設(shè)計(jì)原理 綜合考慮景觀屋面設(shè)計(jì)及功能需要,結(jié)合工程實(shí)際特點(diǎn),保障室內(nèi)外空氣自然交換,發(fā)明了一種景觀種植屋面耗散裝置。當(dāng)室外溫度高于室內(nèi)時(shí),室外熱空氣通過耗散裝置進(jìn)入通氣道,一部分進(jìn)入室內(nèi),一部分逐漸冷卻形成冷凝水排入室內(nèi)排水系統(tǒng);當(dāng)室內(nèi)溫度高于室外時(shí),室內(nèi)及土體熱量將進(jìn)入通道的冷空氣進(jìn)行加熱,空氣進(jìn)入通氣道經(jīng)過耗散裝置與室外進(jìn)行流通轉(zhuǎn)換[8]。這樣的熱量交換最終在裝置底部形成冷凝水效應(yīng),最終通過設(shè)置在屋面的落水孔收集至排水系統(tǒng),通過這種形式最終形成新的穩(wěn)定的宏觀有序結(jié)構(gòu),有效避免防水層內(nèi)形成鼓包導(dǎo)致防水層破壞。

2)耗散結(jié)構(gòu)裝置位置及構(gòu)造 大面積景觀屋面的耗散裝置是基于分形理論進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖5所示,其位置M與大面積種植屋面二級分形迭代相契合。耗散裝置由底部基座、預(yù)制加工的裝配式井筒、四棱錐形幕墻骨架等組成,幕墻骨架上安裝有透明夾層玻璃,井筒上方有2個(gè)吊裝孔,井筒的下方與螺栓對應(yīng)位置有預(yù)留孔洞,在每個(gè)預(yù)留孔洞側(cè)壁頂部和底部各有1個(gè)水平小孔,分別為注漿孔和溢漿孔。耗散裝置底部的通氣道口鋪設(shè)有泄水板(400mm×400mm×35mm),一直鋪設(shè)至落水口,作為水平排氣道,保證室內(nèi)外連通。

圖5 耗散結(jié)構(gòu)裝置位置及構(gòu)造

3.1.2.3三級分形節(jié)點(diǎn)——分倉

大面積景觀屋面的分倉位置是基于分形理論進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),如圖6所示,其位置N與景觀屋面三級分形相契合。以往工程實(shí)踐表明,屋面裂縫或裂紋主要出現(xiàn)在鋼筋密集區(qū)域(主次梁構(gòu)成的結(jié)構(gòu)板內(nèi))和后澆帶等部位。鋼筋密集部位應(yīng)力相對集中而產(chǎn)生裂紋,后澆帶部位的新老混凝土接合處存在軟弱層易被侵蝕,常常造成滲漏。國家網(wǎng)絡(luò)安全人才培訓(xùn)中心工程吸收以往工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合景觀屋面(綠化、車道及廣場)設(shè)計(jì)特點(diǎn),對景觀屋面進(jìn)行分倉優(yōu)化設(shè)計(jì),將分形分倉優(yōu)化調(diào)整為條形分倉,確保將滲漏風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

圖6 分倉位置

3.2 耗散結(jié)構(gòu)裝置試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

3.2.1試驗(yàn)方案

鑒于該項(xiàng)目地處武漢,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,雨熱同季、光熱同季和冬冷夏熱等特點(diǎn),選取具有代表性的夏季和冬季為試驗(yàn)時(shí)間,記錄連續(xù)7d的白晝和夜間溫度、濕度變化規(guī)律。為檢驗(yàn)耗散結(jié)構(gòu)裝置的實(shí)用性并保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性,在裝置上口上下部、玻璃棚下、裝置底部、室內(nèi)、裝置上口上部和室外各設(shè)置1個(gè)溫感器,分別記為溫感器1～6,同時(shí)記錄各處溫度變化情況。在裝置上口、底部2處設(shè)置濕感器1～2記錄相應(yīng)的濕度變化情況(見圖7)。

圖7 溫感器與濕感器布置

3.2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與記錄

每日白晝以12:00—14:00的平均溫度和濕度數(shù)據(jù)作為記錄數(shù)據(jù)留存,夜間以2:00—4:00的平均溫度和濕度作為記錄數(shù)據(jù)留存,連續(xù)觀察7d收集各時(shí)段內(nèi)數(shù)據(jù)(見表1,2)。

表1 平均溫度數(shù)據(jù)

表2 平均濕度數(shù)據(jù)

為更直觀方便地分析數(shù)據(jù),如圖8所示,將表1,2中數(shù)據(jù)繪制成折線圖形式。

圖8 夏季白晝溫度及濕度曲線

將夏季夜間及冬季晝夜溫、濕度試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接繪制成曲線,如圖9所示。

圖9 夏季夜間、冬季晝夜溫度及濕度曲線

3.2.3數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),夏天白晝玻璃棚下溫感器2的讀數(shù)比裝置上口下部溫感器1的要高,說明裝置頂部的玻璃棚形成了良好的溫室效應(yīng)。裝置底部溫感器3的讀數(shù)比上口上部溫感器5的要低13～16℃,溫差最大,底部濕感器2的讀數(shù)比上口濕感器1的要大,充分說明在該裝置內(nèi)部形成了明顯的溫差,且在底部區(qū)域形成了對流熱交換,空氣濕度增大可形成冷凝水。夏季玻璃棚下溫感器2的讀數(shù)比裝置上口下部溫感器1的要低0～3℃,溫差較小,但底部濕度仍比上口要大,仍有對流凝結(jié)效應(yīng)。

冬季夜間裝置玻璃棚下溫感器2的讀數(shù)比裝置上口下部溫感器1的要低,說明裝置上口位置形成了良好的通氣效應(yīng)。裝置底部溫感器3的讀數(shù)比玻璃棚下溫感器2的要高11～14℃,溫差最大,上口濕感器1的讀數(shù)比底部濕感器2的要大,充分說明在該裝置內(nèi)部形成了明顯的溫差,且在上口區(qū)域形成了對流熱交換,空氣濕度增大,將冷凝水排除到室外空氣中。冬季白晝底部溫感器3的讀數(shù)比玻璃棚下溫感器2的要高2～3℃,溫差較小,但上口濕度仍比底部要大,仍有對流熱交換效應(yīng)。

綜上分析可知,夏季白晝與冬季夜間室內(nèi)外溫差最大,對流效應(yīng)尤為明顯,分別在低溫區(qū)域形成對流冷凝效應(yīng),夏季夜間與冬季白晝雖然溫差效應(yīng)相對較小,對流效應(yīng)有所減弱,但該裝置仍能有效發(fā)揮作用形成上口與底部的溫差與濕度差。

3.3 屋面施工方案優(yōu)化設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)效益分析

3.3.1評價(jià)指標(biāo)體系創(chuàng)建

大面積景觀屋面的施工過程較復(fù)雜,會(huì)受到如外部環(huán)境、天氣變化、施工方法、管理水平、安全風(fēng)險(xiǎn)等諸多因素的影響,這些影響因素會(huì)直接關(guān)系景觀屋面的施工難易系數(shù)、成本造價(jià)、施工工期、功能效果、裂縫滲漏及透氣通暢性等。根據(jù)評價(jià)體系的基本原理,選擇對大面積景觀屋面施工質(zhì)量有直接影響的滲透率S1、單位造價(jià)S2、適用性S3、施工難易系數(shù)S4、通氣性S5和施工工期S66個(gè)主要影響因素,創(chuàng)建方案評價(jià)指標(biāo)體系。其中S1,S3,S5屬于效益型指標(biāo),S2,S4,S6屬于成本型指標(biāo)?？偨Y(jié)國內(nèi)外景觀屋面施工方法及影響參數(shù),結(jié)合工程施工現(xiàn)場及商務(wù)情況,景觀屋面施工有3種方案(見圖10)可供選擇,即A(大面積分塊剛性施工),B(條形分倉剛性施工),C(蜂窩網(wǎng)絡(luò)分倉剛性施工)[9],各方案具體評價(jià)指標(biāo)如表3所示。

表3 各施工方案評價(jià)指標(biāo)參數(shù)

圖10 3種屋面施工方案

3.3.2方案評價(jià)矩陣及標(biāo)準(zhǔn)化

擬對大面積景觀屋面x(x=1,2,3)個(gè)施工方案進(jìn)行評價(jià),每個(gè)方案選取y(1,2,…,6)個(gè)評價(jià)指標(biāo),根據(jù)大面積景觀屋面施工方案評價(jià)指標(biāo)的評價(jià)數(shù)值創(chuàng)建評價(jià)矩陣L′。

(1)

代入數(shù)據(jù)可得L′3×6:

3.3.3評價(jià)矩陣標(biāo)準(zhǔn)化

由于2.1節(jié)中大面積景觀屋面施工方案選取的影響指標(biāo)類型、屬性及量綱不同,須對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后才能定量、定性對其綜合評價(jià)。鑒于這6個(gè)評價(jià)指標(biāo)特性,采用極差變換法中的成本型、效益型公式對這些指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)值控制在[0,1]區(qū)間,便于各指標(biāo)比較。

成本型指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理:

(2)

效益型指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理:

(3)

原矩陣L′3×6經(jīng)過極差變換法標(biāo)準(zhǔn)化后得到新的矩陣L3×6如下所示:

3.3.4確定指標(biāo)的熵權(quán)

對于大面積景觀屋面多種施工方案的比選,對各評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行不確定性數(shù)學(xué)描述,用信息熵對系統(tǒng)的信息量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并將信息熵定義為:

(4)

(5)

由L3×6根據(jù)式(5)可得到各評價(jià)指標(biāo)的Pxy,如表4所示。

表4 評價(jià)指標(biāo)的期望值

第x個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)W(x)可定義為:

W(x)=(1-Hx)/(y-∑Hx)

(6)

根據(jù)式(4)和式(6),可得到評價(jià)指標(biāo)H(x),W(x), 如表5所示。

表5 評價(jià)指標(biāo)的熵及熵權(quán)

3.3.5方案優(yōu)選

3.3.5.1方案優(yōu)選準(zhǔn)則

將3種施工方案映射到“距離空間”的“海明距離”D1(w,y)進(jìn)行綜合評價(jià),計(jì)算公式如下:

(7)

一般取q=1,則有:

(8)

根據(jù)式(8)可計(jì)算得到各方案的“海明距離”D1(w,y):D1(W,A)為0.67,D1(W,B)為0.337,D1(W,C) 為0.527。

方案優(yōu)選準(zhǔn)則為:根據(jù)“海明距離”D1(w,y)特性,值越小,則越接近理想方案,即方案越優(yōu)。

3.3.5.2方案優(yōu)選結(jié)果

3種方案的“海明距離”從小到大排序?yàn)?D1(W,B)

3.3.6經(jīng)濟(jì)效益分析

以10 000m2屋面為例,分別采用大面積分塊施工、條形分倉施工和蜂窩網(wǎng)絡(luò)分倉施工,工期和總費(fèi)用如表6所示,經(jīng)過商務(wù)詢價(jià),分倉施工費(fèi)用30元/m, 透氣井費(fèi)用120元/個(gè)。通過對比可發(fā)現(xiàn),采用條形分倉施工方案,相比于大面積分塊施工縮短工期20.0%,降低直接費(fèi)用38.4%;相比于蜂窩網(wǎng)絡(luò)分倉施工可縮短工期23.1%,降低直接費(fèi)用55.4%。同時(shí),考慮到傳統(tǒng)方案的維修概率較大,條形分倉方案可在一定程度上降低返修比例,從而減低后期維修維保成本,達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)效益。

表6 各方案指標(biāo)費(fèi)用

4 結(jié)語

大面積群體建筑屋面開放系統(tǒng)分形協(xié)同建造關(guān)鍵技術(shù),將景觀屋面按謝爾賓斯基地毯進(jìn)行多層級分形,再對其關(guān)鍵分形節(jié)點(diǎn)分別設(shè)計(jì)分水線裝置、耗散結(jié)構(gòu)裝置、分倉施工等進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。結(jié)合工程實(shí)際,創(chuàng)建多方案評價(jià)模型,計(jì)算各技術(shù)方案的熵權(quán),最后運(yùn)用“空間距離”綜合優(yōu)選施工技術(shù)方案,增強(qiáng)了技術(shù)方案實(shí)施可行性。