馬廣生,姜超,郭遠(yuǎn)遠(yuǎn),張鈺生,孫振標(biāo)
(中國(guó)建筑第八工程局有限公司,上海 200000)
復(fù)旦大學(xué)附屬兒科醫(yī)院安徽醫(yī)院是“十四五”規(guī)劃建設(shè)的第一批國(guó)家兒童區(qū)域醫(yī)療中心之一,占地10.67hm2,建筑面積19 萬(wàn)m2,總投資17 億元。綜合樓建筑包括門(mén)診樓、住院樓、醫(yī)技樓等,平面布置呈一雙環(huán)抱的“手”,寓意用愛(ài)呵護(hù)兒童,環(huán)抱的“手”的中心部位為中庭,中庭面積約6000m2,總高21m,內(nèi)凈高至其它單體四層頂,各單體每層在中庭中間通過(guò)兩層多道口藝術(shù)型鋼橋連接,既有連廊的功能,也有供患者欣賞的功能。如中庭平面布置圖(圖2)、多道口藝術(shù)型鋼橋水平投影圖(圖3)、多道口藝術(shù)型鋼橋(又名“彩虹橋”)效果圖(圖4)。
從圖2和圖4可以看出,如果簡(jiǎn)單地將該鋼橋用護(hù)欄防護(hù),則會(huì)出現(xiàn)空曠大廳人員眾多混亂、視覺(jué)效果較差的現(xiàn)象,并且混雜語(yǔ)音廣播聲音失真也影響語(yǔ)言傳輸可懂度,為此需將2~3 層多道口藝術(shù)型鋼橋側(cè)面,設(shè)計(jì)集半透明、半隔聲、觀賞性強(qiáng)為一體的裝飾。經(jīng)多種方案對(duì)比,鋼橋在正常防護(hù)的基礎(chǔ)上,選用巨型無(wú)肋漸變彩色鋼化玻璃裝飾大廳,效果最佳。但同時(shí)也對(duì)該玻璃的物理性能、固定構(gòu)造、減震構(gòu)造和實(shí)現(xiàn)方法以及安裝玻璃后對(duì)環(huán)境的影響等提出了新的要求,即需要對(duì)玻璃板材的受力、固定構(gòu)造的安全性、抗震減震性能和語(yǔ)言傳輸質(zhì)量等進(jìn)行系統(tǒng)計(jì)算、分析。
經(jīng)檢索國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)文獻(xiàn)23篇,國(guó)內(nèi)外均未見(jiàn)有與本研究?jī)?nèi)容相同的文獻(xiàn)報(bào)道。國(guó)際上所研究的內(nèi)容僅有對(duì)玻璃幕墻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化、在風(fēng)壓下玻璃脆性變形的檢測(cè)方法以及變形曲線畫(huà)法、利用玻璃幕墻進(jìn)行光伏發(fā)電與室內(nèi)采光之間的矛盾、玻璃幕墻系統(tǒng)與建筑結(jié)構(gòu)之間風(fēng)荷載的狀況下的受力關(guān)系的分析。
綜上所述,有關(guān)“巨型無(wú)肋鋼化玻璃廳堂裝飾的語(yǔ)言傳輸可懂度和安全性能分析及減震固定技術(shù)研究”的內(nèi)容,未見(jiàn)有與本研究關(guān)鍵技術(shù)相對(duì)應(yīng)的文獻(xiàn),此研究項(xiàng)目具有新穎性和先進(jìn)性。因該裝飾需滿(mǎn)足視覺(jué)美觀、降低降噪、固定安全、減震防災(zāi)等基本要求,而國(guó)內(nèi)外對(duì)廳堂內(nèi)玻璃裝飾的力學(xué)性能、語(yǔ)言傳輸可懂度的模擬分析和減震技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法等系統(tǒng)研究不足,故進(jìn)行系列研究分析十分必要。
針對(duì)公共建筑廳堂巨型無(wú)肋彩色鋼化玻璃裝飾設(shè)計(jì)與施工,利用EASE(電聲模擬)軟件模擬聲學(xué)分析廳堂有無(wú)玻璃裝飾環(huán)境下的STI(語(yǔ)言傳輸指數(shù))指標(biāo),優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,提高公共建筑廳堂語(yǔ)言傳輸?shù)目啥?;針?duì)巨型無(wú)肋彩色鋼化玻璃的固定,采用獨(dú)立吊掛輔以減震約束法,并利用SAP2000 Midas Civil 有限元軟件分析固定構(gòu)造的安全性;自主研制了減震固定裝置,使巨型無(wú)肋彩色鋼化玻璃在地震荷載下可多維度消減加速度,提高抗震性能;研究了固定施工技術(shù)并應(yīng)用。
第一步為設(shè)計(jì)巨型無(wú)肋鋼化玻璃廳堂裝飾與研制減震固定裝置,第二步為模擬分析特定環(huán)境下的語(yǔ)言傳輸可懂度指標(biāo)并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,第三步為利用有限元軟件對(duì)安全性能和減震驗(yàn)算分析優(yōu)化設(shè)計(jì),第四步為編制實(shí)現(xiàn)方案。
3.1.1 設(shè)計(jì)創(chuàng)新
針對(duì)公共建筑廳堂采用了巨型無(wú)肋彩色鋼化玻璃裝飾,首次利用EASE 軟件模擬聲學(xué)分析廳堂有無(wú)玻璃裝飾環(huán)境下的STI(語(yǔ)言傳輸指數(shù))指標(biāo)對(duì)比優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,提高了公共建筑廳堂語(yǔ)言傳輸?shù)目啥龋瑺I(yíng)造了良好的就醫(yī)環(huán)境。
3.1.2 方法創(chuàng)新
針對(duì)巨型無(wú)肋彩色鋼化玻璃的固定,在國(guó)際國(guó)內(nèi)首次采用獨(dú)立吊掛輔以減震約束法,并利用SAP2000 Midas Civil有限元軟件分析、優(yōu)化固定構(gòu)造,確保了巨型無(wú)肋鋼化玻璃廳堂裝飾的安全性。
3.1.3 技術(shù)創(chuàng)新
自主研制了減震固定裝置,首次研究了巨型無(wú)肋鋼化玻璃廳堂裝飾工程減震固定施工技術(shù),使其在地震荷載下可多維度消減加速度,提高了抗震性能。
利用EASE 軟件模擬聲學(xué)分析對(duì)比優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,使廳堂有玻璃裝飾環(huán)境下的STI(語(yǔ)言傳輸指數(shù))指標(biāo)提高了4%;研究了巨型無(wú)肋鋼化玻璃廳堂裝飾工程獨(dú)立吊掛輔以減震約束法,多維度地消減地震時(shí)對(duì)巨型無(wú)肋鋼化玻璃施加的加速度,減小危害和損失。
4.1.1 巨型無(wú)肋鋼化玻璃廳堂裝飾設(shè)計(jì)方案
巨型無(wú)肋鋼化玻璃廳堂裝飾安裝于中庭鋼橋一側(cè),沿鋼橋欄桿外側(cè)懸挑安裝,半封閉二、三層形成連廊。巨型無(wú)肋鋼化玻璃高5800mm,寬800~1500mm,厚6.00+1.52+6.00(玻璃+膠+玻璃),自二層鋼橋至三層鋼橋間斷布置。
4.1.2 巨型無(wú)肋鋼化玻璃廳堂裝飾固定方式設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法
玻璃固定方式為上部懸挑鋼結(jié)構(gòu)吊掛式,下部懸挑鋼結(jié)構(gòu)水平約束,玻璃固定構(gòu)造正視圖和剖面圖如圖5、圖6 所示。
4.1.3 減震裝置研制與實(shí)現(xiàn)方法
4.1.3.1 減震固定裝置的組成
減震固定裝置主要有外鋼槽、內(nèi)鋼槽、消能器、布罩、懸挑支掛架和防腐涂裝六個(gè)部分,如圖7 所示。工作原理是用內(nèi)鋼槽和密封膠固定巨型玻璃,當(dāng)外力或地震作用在玻璃上時(shí),將力傳遞在消能器上,通過(guò)減震彈簧減少玻璃振幅,如圖8所示。
4.1.3.2 組成部分的材質(zhì)、特征、實(shí)現(xiàn)方法
①外鋼槽的材質(zhì)、特征、實(shí)現(xiàn)方法
外鋼槽采用材質(zhì)為Q345 厚8mm鋼板。外鋼槽的特征為長(zhǎng)方型的金屬盒,外圍尺寸為長(zhǎng)1740mm、寬282mm、高216mm,外鋼槽的上沿四周向外呈90°折40mm 檐邊。實(shí)現(xiàn)方法是外鋼槽通過(guò)折壓、焊接和沖孔等工藝制作而成。外鋼槽的上沿檐邊沿中心線每300mm(或均分)鉆孔套絲M10 布罩固定絲孔,側(cè)壁四周沿下端分別向上120mm、170mm 高度沿水平線間距200mm(均分)留置兩排Φ22 消能器彈簧穿入孔,端部側(cè)面居中;外鋼槽的底部沿中心線間距200mm 留置一排Φ22 消能器彈簧穿入孔。在大于消能器彈簧穿入孔Φ 20mm 的圓弧上分別設(shè)置與外鋼槽底邊平行和垂直且呈90°的4 個(gè)M10 套絲孔,用于固定消能器。外鋼槽由鋼板壓折呈長(zhǎng)方形盒狀,折邊相鄰處焊接,焊腳≮8mm。如圖9所示。
②內(nèi)鋼槽的材質(zhì)、特征、實(shí)現(xiàn)方法
內(nèi)鋼槽采用材質(zhì)為Q345 厚8mm鋼板。內(nèi)鋼槽的特征為長(zhǎng)方型的金屬盒,外圍尺寸為長(zhǎng)1540mm、寬162mm、高116mm,內(nèi)鋼槽的上沿四周向外呈90°折40mm 檐邊(上沿檐邊)。實(shí)現(xiàn)方法是內(nèi)鋼槽通過(guò)折壓、焊接和沖孔等工藝制作而成。內(nèi)鋼槽的上沿檐邊沿中心線每300mm(或均分)鉆孔套絲M10 布罩固定絲孔。折邊相鄰處采用焊接,焊腳≮8mm。安裝玻璃前內(nèi)鋼槽內(nèi)底部鋪設(shè)30 厚等寬橡膠條,玻璃置于內(nèi)鋼槽內(nèi)居中,四周用硅酮類(lèi)結(jié)構(gòu)膠灌縫,灌注硅酮類(lèi)結(jié)構(gòu)膠時(shí)應(yīng)木楔臨時(shí)固定,待結(jié)構(gòu)膠達(dá)到強(qiáng)度取出木楔并用結(jié)構(gòu)膠補(bǔ)平。玻璃安裝前,可將內(nèi)鋼槽預(yù)先固定在玻璃的固定端。如圖10所示。
圖3 多道口藝術(shù)型鋼橋水平投影圖
圖4 多道口藝術(shù)型鋼橋效果圖
圖5 玻璃固定構(gòu)造正視圖
圖6 玻璃固定構(gòu)造側(cè)視圖
圖7 一種玻璃減震固定裝置三維示意圖
圖8 工作原理圖(剖面圖)
圖9 外鋼槽三視圖
圖10 內(nèi)鋼槽三視圖
③消能器的組成、材質(zhì)、特征、實(shí)現(xiàn)方法
消能器由消能器外罩、消能彈簧、固定螺栓組成。消能器外罩的材質(zhì)為Q345。消能器外罩特征和實(shí)現(xiàn)方法:消能器外罩呈圓形杯狀,為一端開(kāi)口,另一端密封。開(kāi)口端設(shè)有連接法蘭,法蘭盤(pán)外徑92mm,內(nèi)徑22mm,壁厚5mm,連接法蘭呈90°設(shè)置4 個(gè)Φ12mm 螺栓孔。法蘭盤(pán)上焊接壁厚3mm 內(nèi)徑22mm 長(zhǎng)100mm 的鋼管,法蘭端為開(kāi)口端,另一端封死,消能器外罩三視圖(圖11)。消能器外罩可通過(guò)鑄造或鋼管與法蘭焊接而成。安裝時(shí),先將內(nèi)鋼槽置于外鋼槽內(nèi)的相應(yīng)位置(預(yù)裝玻璃也可)并將消能彈簧裝入消能器外罩內(nèi)。消能彈簧采用圓柱螺旋壓縮彈簧,再將消能器用螺栓固定在外鋼槽對(duì)應(yīng)的位置。安裝螺栓時(shí)應(yīng)加相應(yīng)的彈簧墊片和平墊,擰緊扭矩不小于16.4MN/m,如圖12 所示,消能器上下兩排,上端同。固定螺栓采用5.8級(jí)M10X40的鍍鋅螺栓。
圖11 消能器外罩三視圖
圖12 消能器下端安裝后三視圖
④布罩
布罩選用防雨復(fù)合布,四周用壓條壓接。
⑤懸挑支掛架的組成、材質(zhì)、特征和實(shí)現(xiàn)方法
懸挑支架由建筑結(jié)構(gòu)固定端和型鋼懸挑端兩部分組成。懸挑支架材質(zhì)采用Q345 等級(jí)150#工字鋼。建筑結(jié)構(gòu)屬于混凝土結(jié)構(gòu),可在相應(yīng)位置預(yù)埋鐵件,懸挑端的型鋼與預(yù)埋鐵件焊接固定,建筑結(jié)構(gòu)屬于鋼結(jié)構(gòu)的可直接將型鋼固定端通長(zhǎng)焊接,焊腳≮8mm。懸挑支架的長(zhǎng)度根據(jù)需要一般在500~800mm 以?xún)?nèi)。懸挑支架的承載段與外鋼槽底部垂直通長(zhǎng)焊接,焊腳應(yīng)大于8mm。下外槽鋼焊接于懸挑支架上方,上方外鋼槽焊接于懸挑掛架下方,每個(gè)外鋼槽須設(shè)置4 個(gè)或及其以上懸挑支架。
當(dāng)成品不銹鋼玻璃吊卡安裝完畢,將吊桿、玻璃、玻璃吊卡插入內(nèi)鋼槽,并將吊桿穿過(guò)內(nèi)鋼槽后用M22 螺母與懸挑型鋼連接并調(diào)整好高度即可。
影響大廳空間的音質(zhì)衡量指標(biāo)的因素有體積、吸聲材料、吸聲面積。根據(jù)《聲系統(tǒng)設(shè)備第16 部分:通過(guò)語(yǔ)音傳輸指數(shù)客觀評(píng)價(jià)語(yǔ)言可懂度》(GB/T 12060.16-2017)的相關(guān)要求和《廳堂擴(kuò)音系統(tǒng)聲學(xué)特性指標(biāo)》(GYJ25-86)中EASE 計(jì)算機(jī)聲學(xué)模擬分析中《表7-4 RaSTI 參考值表》的指標(biāo),公共大廳模擬層面空間音質(zhì)衡量指標(biāo)要求STI(語(yǔ)言傳輸指數(shù))應(yīng)大于0.3。
表1 RaSTI參考值表
采用EASE(電聲模擬)軟件,輸入廳堂內(nèi)全部設(shè)計(jì)環(huán)境的影響音質(zhì)衡量指標(biāo)因素的參數(shù),模擬分析大廳首層無(wú)玻璃裝飾環(huán)境下的STI(語(yǔ)言傳輸指數(shù))指標(biāo),如圖13和圖14所示。無(wú)玻璃時(shí)1層在離聲源距離10m 內(nèi)較為清晰,超過(guò)這個(gè)距離,說(shuō)話聲容易被干擾聲覆蓋,但主要空間STI 值在0.3 以上,室內(nèi)音質(zhì)為可接受水平。
圖13 1層無(wú)玻璃分析圖
圖14 1層無(wú)玻璃分析排列圖
如圖15和圖16所示,無(wú)玻璃時(shí)2層在離聲源距離10m 內(nèi)較為清晰,超過(guò)這個(gè)距離,說(shuō)話聲容易被干擾聲覆蓋,但主要空間STI 值在0.3 以上,室內(nèi)音質(zhì)為可以接受的水平。
圖15 2層無(wú)玻璃分析圖
圖16 2層無(wú)玻璃分析結(jié)果排列圖
如圖17和圖18所示,有玻璃時(shí)1層在離聲源距離10m 內(nèi)較為清晰,超過(guò)這個(gè)距離,說(shuō)話聲容易被干擾聲覆蓋,但主要空間STI 值在0.3 以上,室內(nèi)音質(zhì)為可接受水平。
圖17 1層有玻璃分析圖
圖18 1層有玻璃分析排列圖
有玻璃時(shí)1層在離聲源距離10m 內(nèi)較為清晰,超過(guò)這個(gè)距離,說(shuō)話聲容易被干擾聲覆蓋,但主要空間STI 值在0.3 以上,室內(nèi)音質(zhì)為可以接受水平。
如圖19和圖20所示,有玻璃時(shí)1層在離聲源距離10m 內(nèi)較為清晰,超過(guò)這個(gè)距離,說(shuō)話聲容易被干擾聲覆蓋,但主要空間STI 值在0.3 以上,室內(nèi)音質(zhì)為可接受水平。
圖19 2層有玻璃分析圖
圖20 2層有玻璃分析排列圖
當(dāng)安裝彩虹橋玻璃時(shí),大廳1 層主要區(qū)域STI 值在0.4,占比45%,比未安裝玻璃的環(huán)境下提高了3%,室內(nèi)音質(zhì)為可以接受水平;當(dāng)安裝彩虹橋裝飾玻璃時(shí),大廳2層的主要區(qū)域STI值在0.4,占比40%,比未安裝玻璃的情況下,語(yǔ)言傳輸清晰度提高了4%,室內(nèi)音質(zhì)為可以接受水平,如圖21所示。
圖21 差異分析圖
根據(jù)《聲系統(tǒng)設(shè)備第16 部分:通過(guò)語(yǔ)音傳輸指數(shù)客觀評(píng)價(jià)語(yǔ)言可懂度》(GB/T 12060.16-2017)中年齡超過(guò)60歲的聽(tīng)力損失聽(tīng)者相較于正常聽(tīng)者的可懂度評(píng)價(jià)表(表2)來(lái)看,兒童醫(yī)院陪診的家長(zhǎng)年齡一般在60 歲以下,屬于正常聽(tīng)者,故大廳音質(zhì)為可以接受水平。
表2 年齡超過(guò)60歲的聽(tīng)力損失聽(tīng)者相較于正常聽(tīng)者的可懂度評(píng)價(jià)表
由此看來(lái),大廳安裝玻璃裝飾比未安裝玻璃裝飾的STI 值指標(biāo)有所提高,巨型無(wú)肋鋼化玻璃廳堂裝飾設(shè)計(jì)方案有利于語(yǔ)音傳輸。
根據(jù)圖5、6 所示和相關(guān)參數(shù)分析,處于兩種工況,工況一為僅頂部?jī)蓚€(gè)吊裝點(diǎn)受力狀態(tài),工況二為頂部?jī)蓚€(gè)吊裝點(diǎn)、底部減震固定裝置受力狀態(tài)。
6.2.1 計(jì)算軟件和說(shuō)明
應(yīng)用SAP2000 V24.0 版對(duì)玻璃強(qiáng)度及變形進(jìn)行分析。
6.2.2 分析結(jié)果
①工況一:應(yīng)力有限元分析結(jié)果
經(jīng)有限元分析得到應(yīng)力分布圖(圖22),應(yīng)力最大處在頂部吊裝點(diǎn)附近,最大應(yīng)力3.764N/mm2;應(yīng)力最小處在頂部中間區(qū)域,最小應(yīng)力-0.597N/mm2,小于84MPa,滿(mǎn)足要求。
圖22 應(yīng)力分布圖
②工況一:變形有限元分析結(jié)果
經(jīng)過(guò)有限元分析得到玻璃變形分布圖(圖23),變形最大處在底部,最大變形0.017mm,小于1500mm/60=25mm,滿(mǎn)足要求。
圖23 玻璃變形分布圖
③工況二:應(yīng)力有限元分析結(jié)果
經(jīng)過(guò)有限元分析得到應(yīng)力分布圖(圖24),應(yīng)力最大處在頂部吊裝點(diǎn)附近,最大應(yīng)力4.083N/mm2;應(yīng)力最小處在頂部中間區(qū)域,最小應(yīng)力-1.354N/mm2,小于84MPa,滿(mǎn)足要求。
圖24 應(yīng)力分布圖
④工況二:變形有限元分析結(jié)果
經(jīng)過(guò)有限元分析得到玻璃變形分布圖(圖25),變形最大處在底部,最大變形8.971mm,小于1500mm/60=25mm,滿(mǎn)足要求。
圖25 玻璃變形分布圖
綜上所述,在兩種工況下,玻璃強(qiáng)度和撓度都滿(mǎn)足要求。
6.2.3 固定方法的安全性計(jì)算分析
①吊掛輔助固定系統(tǒng)構(gòu)造安全性計(jì)算分析
鋼化加膠玻璃高5800mm、寬1500mm、厚25.52mm,密度取28kN/m3,使用Civil 2022 對(duì)吊裝支架進(jìn)行受力分析,分析結(jié)果如下。
a.受力計(jì)算
頂部工字鋼受力:
頂部工字鋼最大豎向力F=5.8×1.5×0.02552×28.0=6.2kN。
底部減震裝置及工字鋼受力:
槽鋼最大豎向力f=5.8×1.5×0.02552×28.0/1.5=4.1kN/m。
荷載組合為1.3×自重+1.5活荷載。
b.模型簡(jiǎn)化
頂部工字鋼和底部工字鋼與結(jié)構(gòu)處為固結(jié),如圖26、圖27所示。
圖26 頂部懸挑端受豎向力模型圖
圖27 底部懸挑端受豎向力模型圖
頂部工字鋼最大豎向力F=5.8×1.5×0.02552×28.0=6.2kN。
底部減震裝置及工字鋼受力:
槽鋼最大豎向力f=5.8×1.5×0.02552×28.0/1.5=4.1kN/m。
荷載組合為1.3×自重+1.5活荷載。
底部結(jié)構(gòu)底部工字鋼與結(jié)構(gòu)處為固結(jié),玻璃作用在槽鋼處受線荷載。
計(jì)算結(jié)構(gòu)如圖28 所示,應(yīng)力最大為0.5MPa<345MPa,滿(mǎn)足要求。
圖28 頂部懸挑結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖
如圖29 所示,應(yīng)力最大為0.004mm<400/400=1mm,滿(mǎn)足要求。
圖29 頂部懸挑結(jié)構(gòu)變形分布圖
如圖30 所示,應(yīng)力最大為14.MPa<345MPa,滿(mǎn)足要求。如圖31所示,應(yīng)力最大為0.158mm<400/400=1mm,滿(mǎn)足要求。
圖31 底部結(jié)構(gòu)變形分布圖
綜上所述,采用現(xiàn)用巨型無(wú)肋鋼化玻璃和吊掛輔助固定系統(tǒng)構(gòu)造的設(shè)計(jì),滿(mǎn)足安全要求。
針對(duì)巨型無(wú)肋鋼化玻璃廳堂裝飾的語(yǔ)言傳輸可懂度和安全性能分析及減震固定技術(shù)的系列研究,首次利用EASE(電聲模擬)軟件模擬聲學(xué)分析廳堂有無(wú)玻璃裝飾在特定環(huán)境下的STI(語(yǔ)言傳輸指數(shù))指標(biāo),從而優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,提高了公共建筑廳堂語(yǔ)言傳輸?shù)目啥?;針?duì)巨型無(wú)肋彩色鋼化玻璃的固定,首次采用獨(dú)立吊掛輔以減震約束法,并利用SAP2000 Midas Civil 有限元軟件分析優(yōu)化固定構(gòu)造;還自主研制了減震固定裝置,使其在地震荷載下多維度消減加速度,可提高抗震性能。此項(xiàng)研究,對(duì)營(yíng)造良好的就醫(yī)環(huán)境,確保巨型無(wú)肋鋼化玻璃廳堂裝飾的安全性和抗震性,具有一定的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益和推廣價(jià)值。