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    幕墻第一線丨大國重器——航空輪胎大科學中心:讓自主制造的輪胎“一飛沖天”

    作者:幕墻工程網 時間:2022-03-04 22:42:07


    △ 航空輪胎大科學中心(廣州)

    編者按

      壬寅虎年農歷二月,人們還沉浸在中國春節及北京冬奧會的喜悅心情中。我們從白云機場乘車出發,一路向東,沿著花莞高速經過四十分鐘的車程,來到廣州中新知識城“航空輪胎大科學中心”項目所在地。在花莞高速知識城南出口附近,首先映入眼簾的便是聳立的兩個輪胎,一躺一立,仿佛有什么故事在向人們訴說;進入工地,正值春節,整個工地顯得額外的安靜,沒有往日的機械轟鳴,熱火朝天的施工場景,然而整個項目管理團隊已經整裝待發,為迎接工人返工潮做好相關的準備工作。據中建深圳裝飾有限公司項目經理張育明介紹,動力學大科學中立面外幕墻已完成,展示中心及硬核科技中心將在今年6月底完成施工,隨后進入室內裝修、設備安裝及調試階段,預計2023年投入使用。

    △ 廣州中新知識城規劃圖(局部)

    從“科學之城”到“知識之城”

    △ 廣深科技創新經濟帶

      24年前,廣州科學城園區成立,廣州科學城以科學技術的開發應用為動力,以高科技制造業為主導,配套發展高科技第三產業。經過持續發展,科學城園區從3.7平方公里的產業園區發展到規劃中的144.65 平方公里,擴大約39倍。12年前,廣州中新知識城規劃出爐,《規劃》提出,中新知識城的戰略定位是圍繞建設具有全球影響力的國家知識中心,著力打造知識創造新高地、國際人才自由港、灣區創新策源地、開放合作示范區,成為粵港澳大灣區高質量發展重要引擎。12年后的今天,整個中新知識城已經初具規模,已然已成為廣州的新名片,已然在生物醫藥與大健康、新一代信息技術、新材料新能源等產業發展已有了較好的發展。航空輪胎大科學中心項目作為黃浦區政府重點引進項目就坐落于美麗的中新知識城。

    “租不如買,買不如造”——實現從零到一的突破

      目前我國還沒有航空輪胎動力學試驗大科學裝置,本項目的建設內容之一“航空輪胎大科學中心”為首個航空輪胎動力學試驗大科學裝置。航空輪胎大科學中心以航空輪胎動力學大科學裝置為核心,建設與之配套的航空輪胎硬核科技中心和航空輪胎制造試驗基地。通過建設航空輪胎動力學大科學裝置,研究輪胎動力學相關的科學問題,實現從航空輪胎為代表的高端非公路輪胎到公路輪胎技術的拓展,軍民共用技術的相互支持、相互促進、共同發展。

    圖片

      本項目建成后是通過長期的穩定運行和持續的科學技術活動,實現重要科學技術目標的大型設施。為國家經濟建設、國家安全和社會發展做出戰略性、基礎性和前瞻性。大科學中心以航空輪胎動力學大學裝置為突破口,吸引全國乃至國際科研團隊或機構集聚廣州(黃埔區)集成創新,以期通過原始創新,加速高端輪胎技術自主可控進程,并逐漸向國際最高水平和最強創新能力邁進,實現技術上的彎道超車,同時大幅提升廣州科技創新能力,對于重構國家輪胎制造生態,推動“中國制造”加速向全球價值鏈的高端躍升具有重大作用。

     △ 航空輪胎大科學中心設計效果

     “雙核驅動”實現輪胎內外精造

      航空輪胎大科學中心主要由三大建筑單體組成:硬核科技中心、動力學大科學裝置、輪胎展示中心,分別承擔著輪胎的研究、檢測、展示功能。項目位于自然山坡,北側為湖,依山傍水之勢。規劃充分尊重自然地形地貌,與二期長春應化所先進材料黃埔研究院一體化規劃設計,提出以“耦合城市”為規劃理念,將園區打造為山水與城市相容的創新城市自然界面;航空輪胎大科學中心將成為中新知識城的新地標。

    △ 航空輪胎動力學大科學裝置中心造型為橫豎輪胎相交的雙輪胎塑造“雙驅動”造型豎向輪胎高度為52米水平方向輪胎高度為23.45米,直徑為90米

      作為中國幕墻行業首屈一指的國有企業,中建深圳裝飾有限公司負責本項目所有外立面幕墻部分和室內精裝修的施工,旨在打造一座精品工程。中建深裝利用自己在異形建筑建造的工程經驗。僅用半年時間就完成了動力大科學中心2萬平方米的鋼結構網架及異形雙層幕墻設計與施工工作。

    △ 動力學大科學中心實拍

      一、EPC模式展現專業幕墻設計能力

      EPC模式即“交鑰匙”工程,其核心是通過設計與施工過程的組織集成,促進設計與施工的緊密結合,以達到為項目建設增值的目的。航空輪胎大科學中心作為EPC項目,如何在概算指標下實現建筑的安全、功能及美觀要求是設計考慮難題。

      1.以概算指標為底線,為建筑選擇合理的幕墻系統。本項目原設計方案存在突破概算的風險,借助EPC模式的優勢,以不突破概算指標為底線,前期對整個建筑的設計提出可行性建議、合理優化,如直立鎖邊系統、側面焊接矩形鋼系統、鋼網架支撐系統和開放式蜂窩鋁板骨架系統等。后期項目的順利履約,也彰顯了EPC模式的優勢和EPC實施單位的專業設計能力。

    △ 動力學大科學中心主體結構為全鋼結構。項目利用BIM技術,對每一根構件進行精準下料,最大的構件重達36噸,最長的達36米

      2. 大膽選用異形焊接鋼結構,解決大跨度異形幕墻的受力和變形問題。動力學大科學中心橫向輪胎側面幕墻系統,層高11米,水平分格寬度3.926米;普通的鋁型材無法滿足立柱截面受力要求,設計時方案時為了保證立柱外觀有型材的筆挺,原方案設計時采用直角鋼外包鋁型材的做法;由于輪胎的弧形造型,鋁型材無法拉彎,且無法保證鋁型材的平整度,深化設計時將原來鋁包鋼改成420x80x12mm焊接直角鋼系統。焊接直角鋼采用12mm厚鋼板整體激光切割成型,避免因為多次拼接造成強度不夠及變形過大的問題。同時在焊接時,采取工藝措施,在保證鋼材焊縫強度的同時,使變形量控制在可控范圍之內,滿足了結構的安全性的同時,也滿足了建筑美學的要求。

    △ 焊接直角鋼成型實拍

    △ 側面安裝完直角鋼現場

      二、裝配式設計在鋼網架體系中實現快速建造

      航空輪胎動力學大科學裝置造型為兩個巨大的輪胎,豎向輪胎高度為52米,水平輪胎高度為23.45米,直徑90米;項目以橫豎相交的雙輪胎所造“雙驅動”造型,給幕墻的設計、施工帶來了巨大的難度。動力大科學裝置在主體結構設計時,未考慮建筑的外立面的弧形結構, 橫向輪胎幕墻完成面與主體之間高差3.45米,豎向側面懸挑及環向懸挑最大距離達到2.8米;且30米標高以上主體結構頂部為空間網架體系,以下部分的主體結構結構為鋼框架體系,由于該外懸挑造型為空間鋼網架,造型復雜,與主體結構連接點位的不確定性,施工難度大。在幕墻次結構設計時,在主體鋼結構與幕墻體系之間設計一道鋼網殼體系,作為外幕墻支撐體系。該體系在設計時,為了縮短工地,加工質量可控,降低施工風險,將之設計為構件裝配式,同時采用BIM建模技術,在電腦上模擬出現場實際情況,分析可能在現場遇到的特殊情況,通過設計及現場工人的努力,僅一個半月就完成了次鋼網架的設計與施工。此體系鋼材用量為327.2t,總鋼材桿件數量8660根。其中豎向輪胎255.2t,桿件6362根;橫向輪胎72t,桿件2298根。

    △豎向輪胎鋼網架BIM分榀

    1.原材料采購

    2.加工單下發

    3.等離子鋼材下料

    4.胎架上鋼結構拼裝

    5.監理驗收

    6.焊接點防腐處理

    7.地面拼裝完成

    8.單榀吊裝

    9.測量定位拼裝

    10.內圈鋼架吊裝完成

    △鋼網架整體吊裝流程 

    △ 豎向輪胎鋼網架施工現場

      動力學大科學中心作為將來國家的重要研究平臺,幕墻不僅要在設計上滿足結構安全、功能可靠、外觀大氣的基本要求,更要在施工質量與創新上下足功夫。為此,中建深裝團隊最大限度地提高幕墻的裝配率,通過工廠倉儲化、現場安裝機械化,提高施工效率。特別是豎向輪胎鋼253榀鋼網架,均采用工地加工區集中加工焊接、防銹處理,現場整榀吊裝,將焊接作業的95%轉為地面,有效地減少了高空焊接數量,最大程度地保證了鋼架的焊接質量。只有高質的履約,才能贏得口碑;只有創新驅動才能攻堅克難推動企業高質發展。

      三、雙層防水守護國之重器

      動力學大科學中心作為全球第二個輪胎實驗中心,承擔著研究國之重器的任務,是為解決“卡脖子”技術而建,可想其建筑的重要性。在幕墻設計時,屋面分為蜂窩鋁板外裝飾系統和直立鎖邊防水系統,其中直立鎖邊防水系統為整個建筑功能設計中最為重要的一環,它是實現建筑功能不可或缺的關鍵要素,直接影響著建筑的防水、保溫及外層鋁板的安裝。

      在設計時設計了兩道防水層,以保證建筑功能性要求的實現:

      第一道防水層為直立鎖邊,此板型的一個優點是防,體現在直立鎖邊系統的板肋上,板肋高65mm,板肋小邊上的特制凹槽在咬邊后形成的空腔擴大了板肋的隙縫,防止毛細現象的發生,阻絕水分通過毛細作用進入室內,以更好的達到屋面的防水功能。

      本工程采用1.0mm鋁鎂錳直立鎖邊;鋁鎂錳板劃分及排版也顯得極為重要,由于動力學大科學裝置屋面為圓形屋面,造型特殊,需要從以下幾個因素考慮:

      1. 鋁鎂錳板的壓型長度(如現場壓型的場地、屋面板的伸縮量及建筑要求的尺寸);

      2. 大小頭弧形板的加工限制(鋁鎂錳板能自然成弧的半徑、鋁鎂錳板機械成弧的最小半徑、大小頭控制在450mm~150mm)

      由于屋面板折線化處理,在深化鋁鎂錳板時,板的寬度需根據外裝飾板的分格模數來等分直立鎖邊板,且模數滿足廠家生產要求。

      第二道防水層選用TPO材料,作為輔助防水層,其有很好的穩定性、抗老化性、可焊性。

    △ 橫向輪胎屋面直立鎖邊板安裝

      另外,航空輪胎動力學大科學中心作為工業建筑,在設計時,為了給科研工作者提供舒適的實驗環境,建筑師在設計時,為了保證室內的通風性能,在東西玻璃幕墻兩側沿著環向設計了兩圈百葉,同時為了保證建筑外立面效果,在百葉外側設置了一圈穿孔鋁板,有效地起到了玻璃幕墻到蜂窩鋁板的順滑過度,有效地保證了建筑外觀及建筑內部的舒適性。

    △ 豎向輪胎玻璃幕墻兩側環向穿孔鋁板

      四、BIM技術為項目保駕護航

      為了更好的服務項目,本項目在深化設計全過程使用了BIM技術,以實現幕墻模型的分析、材料下單以及施工全過程管控,極大的減少了設計變更,減少了人力與時間的浪費,保證了工期。

      在鋼網架的深化下料過程中,通過BIM建模分析,解決了桿件與主體結構碰撞鏈接問題,使整體下料定尺加工更加準確,減小了加工偏差,提高了整體次鋼結構的加工精度。同時整個鋼網架系統均采用全站儀測量放線,全站儀數據與BIM模型數據實時同步,極大的提高了精度,實現BIM模型到實體的轉變。

    △ 動力學大科學裝置鋼結構網架模型

      其次,通過BIM的可視化,設計人員有效地解決了異形幕墻的交接位置收口處理,同時設計師通過Rhino模型+Grasshopper搭建參數化程序管控分類??梢苑奖憧焖俚纳刹A?、鋁板、鋁型材鋼材等下料單,極大的提高了下料的準確性,同時方便現場的管理,提高了工作效率,實現了人力、時間和資源的合理配置。

    △ 動力學大科學中心BIM下單模型 

    △ 動力學大科學中心Grasshopper電池組

    △ 建設中的的航空輪胎大科學中心全景

    結   語

      航空輪胎是飛機與地面接觸的唯一部件,離開航空輪胎飛機將寸步難行。航空輪胎大科學中心,重點打造航空輪胎動力學大裝置、硬核科技中心和航空輪胎制造試驗基地,形成高性能合成橡膠、先進彈性體材料、數字輪胎設計、輪胎精準制造和使役性能評價、橡膠彈性體材料的拓展應用等創新能力,解決我國航空輪胎“卡脖子”難題,并利用技術和品牌的溢出效應帶動我國輪胎產業的高質量發展。

      航空輪胎大科學中心的建設,通過與中科院長春應化所本部的南北互動,構建基于仿生橡膠的產業生態,解決我國天然橡膠長期依賴進口的戰略安全問題,為祖國的航空輪胎事業增添了一筆濃墨。在不久的將來,中國自己生產的飛機將用上自己生產的輪胎,一飛沖天,飛向全世界。向世界展現大國重器,讓我們拭目以待。
    (文 / 劉 輝、責任編輯 / 唐 琦)

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