裝配式波浪聲學(xué)金屬板安裝系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

任瑞豪 宮獻(xiàn)偉 徐 杰 李國(guó)峰

項(xiàng)目整體造型采用仿生設(shè)計(jì)，裝飾主題為水波紋元素，內(nèi)外呼應(yīng)。建成投運(yùn)后將作為第十九屆亞運(yùn)會(huì)主游泳館，承接舉辦國(guó)際級(jí)比賽。館內(nèi)比賽大廳及觀眾休息大廳為場(chǎng)館的核心場(chǎng)所，休息大廳墻面面積約6700 m2，比賽大廳墻面面積約5800 m2，且均是高度超28 m 的高大空間（圖1），裝飾效果及使用舒適度是項(xiàng)目管控的重中之重。比賽大廳位于兩座比賽池四周，直接暴露于潮濕環(huán)境中且墻面造型需體現(xiàn)水波紋元素，傳統(tǒng)飾面板的粘、釘、鎖等安裝方式施工精度不足、定位及復(fù)核累計(jì)誤差大、施工周期較長(zhǎng)[1]，拼縫明顯，難以實(shí)現(xiàn)裝飾效果。觀眾休息大廳人流量巨大對(duì)聲學(xué)環(huán)境要求較高，需要選用同時(shí)滿足聲學(xué)、抗銹蝕、綠色環(huán)保等要求的裝飾材料同時(shí)研究制定滿足材料特性的合理安裝措施，因此研發(fā)一種結(jié)構(gòu)合理、施工便捷、聲學(xué)性能穩(wěn)定、抗銹蝕性能穩(wěn)定且具有可定制裝飾功能的裝配式施工系統(tǒng)十分緊迫。

圖1 項(xiàng)目效果圖（來(lái)源：北京市建筑設(shè)計(jì)研究院繪制）

1 材料比選

1.1 預(yù)鑄式玻璃纖維加強(qiáng)石膏板（Glass Fibre Reinforced Gypsum，GRG）

本項(xiàng)目建筑墻面系統(tǒng)原設(shè)計(jì)方案最初選用是預(yù)鑄式玻璃纖維加強(qiáng)石膏板（GRG）造型墻面，可將水波紋的設(shè)計(jì)元素高度還原。但由于材料自重大、施工工藝繁瑣、長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境中容易發(fā)霉，且GRG 在運(yùn)輸和使用的過(guò)程中極易損壞、影響裝飾效果等因素，故未選用。

1.2 傳統(tǒng)壓型瓦楞鋼板

傳統(tǒng)壓型瓦楞鋼板具有成型靈活、外形美觀、重量輕、易于工業(yè)化、商品化生產(chǎn)、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)。但在本項(xiàng)目上仍然存在如下缺陷：第1，墻面水波紋造型采用橫向左右肋板搭接的形式實(shí)現(xiàn)，壓型瓦楞鋼板墻面會(huì)出現(xiàn)明顯的豎向拼接縫，外觀粗糙；采用自鉆自攻方式將壓型鋼板固定于基層墻檁上，固定點(diǎn)外露，固定間距考慮力學(xué)及構(gòu)造要求排布較密，后期即使采用裝飾面層覆蓋仍然不美觀，外觀效果不滿足場(chǎng)館裝修標(biāo)準(zhǔn)。第2，壓型瓦楞鋼板墻板安裝采用自攻固定安裝固定，順序上必須從板的鋪設(shè)起端開(kāi)始，隨板鋪設(shè)方向同向逐一固定，如從相反方向往板鋪設(shè)的起始端起裝，將導(dǎo)致板固定時(shí)發(fā)生的累積誤差無(wú)法消化。而在板肋扣合處形成大縫或扣合不嚴(yán)，平整度無(wú)法保證，同時(shí)存在加大漏水隱患。

1.3 鋁合金型材

鋁合金面材及其制品因其力學(xué)性能優(yōu)異、易于加工、裝飾能力強(qiáng)等為人們所熟知[2]，且鋁材經(jīng)處理可具有較好的抗銹蝕性能。本項(xiàng)目借鑒建筑幕墻鋁型材的設(shè)計(jì)原理，采用板面鋁型材設(shè)計(jì)理念結(jié)合擴(kuò)散體的構(gòu)造型式及其散射性能等影響因素，考慮界面聲散射的定量測(cè)試及其對(duì)室內(nèi)音質(zhì)的影響[3]，形成一套符合項(xiàng)目建筑裝飾水波浪造型要求的專用模具，具有平整度高，加工制作速度快等優(yōu)勢(shì)，可解決如回聲、顫動(dòng)回聲、聲聚焦等問(wèn)題，確保比賽場(chǎng)館能夠更好的使用，減少對(duì)運(yùn)動(dòng)員比賽的影響，為觀眾呈現(xiàn)一個(gè)更加優(yōu)質(zhì)的體育比賽。

2 觀眾休息大廳——裝配式無(wú)縫拼接波浪鋁型材墻面施工系統(tǒng)

裝配式無(wú)縫拼接波浪鋁型材墻面系統(tǒng)有由配套掛件和型材面層兩部分組成，以型材板面拼接處墻體系統(tǒng)為例，其結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示。

圖2 裝配式無(wú)縫拼接波浪鋁型材墻面系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)（來(lái)源：作者自繪）

華南理工大學(xué)的亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)《聲學(xué)?表面的聲音擴(kuò)散特性，第1 部分：混響室中無(wú)規(guī)入射擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量》（ISO 17497-1 AMD 1―2014）和《聲學(xué)?表面聲散射特性，第2 部分：混響室無(wú)規(guī)入射聲散射系數(shù)測(cè)量》（GB/T 21228.1），在混響室內(nèi)建立了我國(guó)首個(gè)高精度的聲散射系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)臺(tái)連續(xù)旋轉(zhuǎn)的方法首次獲得了典型MLS 擴(kuò)散體的聲散射系數(shù)，并討論了由于試件的有限尺寸帶來(lái)的邊界效應(yīng)對(duì)聲散射系數(shù)測(cè)量結(jié)果的影響，為我國(guó)開(kāi)展聲散射系數(shù)測(cè)量工作提供了可資借鑒的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)進(jìn)一步建立聲散射系數(shù)資料庫(kù)奠定基礎(chǔ)[4]。基于此項(xiàng)目，設(shè)計(jì)并研發(fā)一套符合該建筑裝飾水波浪造型要求的專用鋁合金型材擴(kuò)散體。

波浪鋁板通過(guò)計(jì)算得到型材擴(kuò)散體構(gòu)造，并與成品型材掛件之間通過(guò)自攻釘在波浪板空腔內(nèi)部隱藏連接，共同組成掛接墻板系統(tǒng)。在土建墻體上根據(jù)測(cè)量放線要求確定各埋板位置后，利用L 型鋼制連接件將槽鋼焊接固定，從而完成豎向龍骨安裝。而后橫向鋼矩管等間距再與槽鋼調(diào)平焊接，完成橫龍骨安裝。波浪鋁型材板面背側(cè)預(yù)留配套掛件，可直接與基層橫龍骨進(jìn)行掛接，從而實(shí)現(xiàn)了面板安裝的快速裝配施工。

本系統(tǒng)采用波浪鋁型材墻板為定制成品鋁型材，型材截面如圖3 所示。通過(guò)合理設(shè)計(jì)，將明拼縫隙深化為暗藏拼接縫，板面長(zhǎng)邊間插接采用企口。鋁型材板面采用定尺加工，長(zhǎng)度方向?yàn)檎L(zhǎng)，無(wú)橫向拼接縫，板面可視面采用白色氟碳噴涂，既起到防腐作用也實(shí)現(xiàn)了建筑要求的裝飾效果。在滿足項(xiàng)目較高的建筑墻面造型及其性能要求的前提下，達(dá)到了綠色環(huán)保、快速建造的目的，本項(xiàng)技術(shù)已申報(bào)發(fā)明專利1 項(xiàng)。

圖3 波浪鋁型材橫剖節(jié)點(diǎn)（來(lái)源：作者自繪）

3 比賽大廳——裝配式無(wú)縫拼接陽(yáng)極氧化穿孔波浪鋁板施工系統(tǒng)

比賽大廳內(nèi)項(xiàng)目設(shè)計(jì)研發(fā)了另一套新型的裝配式外掛波浪金屬墻板系統(tǒng)（即裝配式無(wú)縫拼接波浪陽(yáng)極氧化穿孔鋁板墻面技術(shù)），面板經(jīng)過(guò)聲學(xué)計(jì)算面板孔率及排布，同時(shí)考慮比賽大廳處于兩座賽事池四周，池內(nèi)長(zhǎng)期蓄水館內(nèi)濕度大面層材料在滿足設(shè)計(jì)造型要求和聲學(xué)性能的同時(shí)，需具備優(yōu)異的抗銹蝕能力。鋁材自身抗銹蝕能力不足以抵抗長(zhǎng)期潮濕環(huán)境的侵蝕，鋁陽(yáng)極氧化多孔膜的性能及微觀結(jié)構(gòu)，其作為功能材料鋁陽(yáng)極氧化膜被廣泛的應(yīng)用[5]，是一種實(shí)用經(jīng)濟(jì)的抗銹蝕處理工藝。其處理方式有機(jī)械處理，化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光，化學(xué)浸洗和浸蝕，化學(xué)轉(zhuǎn)化處理，陽(yáng)極氧化與陽(yáng)極氧化膜。

陽(yáng)極氧化工藝有硬質(zhì)陽(yáng)極氧化和微弧氧化，陽(yáng)極氧化膜的封孔方法包括有機(jī)高聚物涂裝之電泳、噴粉、噴漆和輥涂等[6]，本項(xiàng)目采用電泳后陽(yáng)極氧化的鋁材處理形式，保證波浪陽(yáng)極氧化鋁板整體氧化保護(hù)膜厚度均勻，實(shí)現(xiàn)裝飾、降噪、抗銹蝕等基本功能。安裝則采用了裝配式的設(shè)計(jì)原理，利用波浪板面穿孔造型，隱藏了連接用的不銹鋼固定點(diǎn)，波浪板面背側(cè)預(yù)留了相應(yīng)的掛件，可以直接與基層橫龍骨進(jìn)行掛接，從而實(shí)現(xiàn)了面板安裝的快速裝配施工，具體施工如圖4、圖5，達(dá)到了綠色環(huán)保、快速建造的目的，本項(xiàng)技術(shù)已申報(bào)發(fā)明專利1 項(xiàng)。

圖4 配式無(wú)縫拼接波浪鋁型材墻面施工系統(tǒng)施工流程圖（來(lái)源：作者自繪）

圖5 裝配式無(wú)縫拼接陽(yáng)極氧化穿孔波浪鋁板節(jié)點(diǎn)（來(lái)源：作者自繪）

圖6 裝配式無(wú)縫拼接陽(yáng)極氧化穿孔波浪鋁板施工系統(tǒng)施工流程圖（來(lái)源：作者自繪）

本系統(tǒng)中面層波浪穿孔陽(yáng)極氧化鋁板與定制C 型鋁材加強(qiáng)筋之間通過(guò)不銹鋼栓釘（板面后植釘隱藏固定），L 型鋁合金制彎折插件（承件L）通過(guò)六角螺絲與成品C 型鋁材加強(qiáng)筋共同組成掛接系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)墻體上根據(jù)測(cè)量放線要求準(zhǔn)確定位各埋板位置，利用L 型鋼制連接件焊接固定豎向槽鋼，從而完成豎向龍骨安裝。橫向角鋼龍骨確定間距后與槽鋼調(diào)平焊接，完成橫龍骨安裝，Z 型鋁合金制折彎插件（插件Z）通過(guò)不銹鋼六角螺絲與橫龍骨連接。組合完畢后的掛接墻板直接通過(guò)L 型鋁合金制折彎插件和橫龍骨上的Z 型鋁合金制折彎插件進(jìn)行企口對(duì)插，即可完成波浪墻板的掛接通過(guò)合理設(shè)計(jì)，利用背栓植筋的形式將成品C 型加強(qiáng)筋龍骨隱藏固定于板后，板材長(zhǎng)邊邊緣采用折彎的形式，將明拼縫隙深化為暗藏拼接縫，板面長(zhǎng)邊間插接采用企口。穿孔鋁板面采用定尺加工，長(zhǎng)度方向?yàn)?500 mm，寬度方向?yàn)?70 mm，陽(yáng)極氧化表面處理既起到抗銹蝕作用也實(shí)現(xiàn)了建筑要求的裝飾效果。

波浪板背側(cè)預(yù)留了相應(yīng)的掛件，在對(duì)縫背面增加加強(qiáng)筋，保證平整度。同時(shí)，加強(qiáng)筋亦可作為掛件，直接與基層橫龍骨進(jìn)行掛接，從而實(shí)現(xiàn)了面板安裝的快速裝配施工。

4 聲學(xué)處理及性能檢測(cè)

4.1 聲學(xué)處理

管理團(tuán)隊(duì)與專業(yè)聲學(xué)設(shè)計(jì)共同分析場(chǎng)館內(nèi)產(chǎn)生聲聚焦、回聲、顫動(dòng)回聲等音質(zhì)缺陷的原因及解決方法，從吸聲材料與吸聲結(jié)構(gòu)、體育館各界面的聲學(xué)處理等方面[7]進(jìn)行研究及檢測(cè)，材料及構(gòu)造上文已有分析此處不做贅述，主要針對(duì)場(chǎng)館界面進(jìn)行分析。

游泳館定位國(guó)家體育建筑甲級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，須滿足“游泳單項(xiàng)”舉辦國(guó)際單項(xiàng)比賽的要求，建筑設(shè)計(jì)初期為了室內(nèi)空間效果，將比賽大廳和休息廳做成了聯(lián)通體，形成了耦合空間，其中游泳館比賽大廳聲學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)參考《體育建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ 31—2003）和《體育館聲學(xué)設(shè)計(jì)和測(cè)試規(guī)程》（JGJ/T131）要求。

場(chǎng)館內(nèi)聲環(huán)境受墻頂?shù)氐榷嗖课痪C合影響，其中游泳館屋蓋及墻面設(shè)計(jì)采用穿孔波紋鋁板構(gòu)造、以控制一次反射聲，并于面板后設(shè)置50 mm 離心玻璃棉板吸聲材料。玻璃棉板具有優(yōu)異的防火、保溫、吸聲性能，但長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致玻璃棉自身含水率過(guò)高，從而大幅降低吸聲降噪的性能。玻璃棉傳統(tǒng)的防潮措施多為無(wú)紡布包覆，但場(chǎng)館比賽區(qū)域空氣長(zhǎng)期保持高濕度，無(wú)紡布包覆吸聲棉板難以達(dá)到隔離水汽、保持干燥的效果，經(jīng)與設(shè)計(jì)及專業(yè)廠家多方研討為確保潮濕區(qū)域玻璃棉板防潮防霉性能，將傳統(tǒng)無(wú)紡布包覆的構(gòu)造改為拒水透聲布包裹吸音棉板，并保證吸聲棉板與結(jié)構(gòu)墻墻面留有大于50 mm 的內(nèi)部空腔。潮濕區(qū)域吸聲降噪構(gòu)造系統(tǒng)配置：2 mm 厚穿孔波紋鋁板（孔徑大于5 mm，穿孔率大于20%）；無(wú)紡吸聲布；拒水透聲布；50 mm 厚離心玻璃棉板（表觀密度為42 kg/m3）；空氣層（大于50 mm）。此結(jié)構(gòu)對(duì)各頻段吸聲效率高，還可解決吸聲填充材料因環(huán)境潮濕吸入大量水分，導(dǎo)致含水率過(guò)高減低吸聲性能的問(wèn)題。

4.2 理論檢測(cè)

根據(jù)ISO 17497-1 AMD 1—2014 標(biāo)準(zhǔn)在混響室內(nèi)建立的聲散射系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，然后利用該系統(tǒng)對(duì)最大長(zhǎng)度序列（Maximum Length Sequence，MLS）擴(kuò)散體的散射系數(shù)和吸聲系數(shù)進(jìn)行測(cè)試并給出測(cè)試結(jié)果如表1 所示，檢測(cè)結(jié)論詳見(jiàn)表2。裝修完畢后對(duì)游泳館進(jìn)行了空?qǐng)雎晫W(xué)測(cè)試，測(cè)試聲源為現(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)聲器，測(cè)試背景噪聲時(shí)排水系統(tǒng)關(guān)閉，以上數(shù)據(jù)表明，裝配式無(wú)縫拼接波浪鋁型材墻面施工系統(tǒng)、裝配式無(wú)縫拼接陽(yáng)極氧化穿孔波浪鋁板2 種施工系統(tǒng)聲學(xué)構(gòu)造達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表1 場(chǎng)館聲學(xué)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

表2 游泳館音質(zhì)指標(biāo)測(cè)試值與設(shè)計(jì)值對(duì)比

5 研發(fā)成果

通過(guò)對(duì)材料構(gòu)造、連接型式的研發(fā)形成2 種新型裝配式無(wú)縫拼接波浪鋁板施工系統(tǒng)，形成2 種材料新的應(yīng)用型式,取得成果如下：

1）裝配式無(wú)縫拼接波浪鋁型材墻面施工系統(tǒng)，采用波浪鋁型材墻板為面層材料，通過(guò)承插榫卯的方式，將明拼縫隙深化為暗藏拼接縫，板面長(zhǎng)邊間插接采用企口。鋁型材板面采用定尺加工，整長(zhǎng)無(wú)橫向拼接縫，板面可視面采用白色氟碳噴涂，既起到防腐作用也實(shí)現(xiàn)了建筑要求的裝飾效果。在滿足高標(biāo)準(zhǔn)要求裝飾墻面造型及其性能要求的前提下，達(dá)到了綠色環(huán)保、快速建造的目的。本項(xiàng)技術(shù)已申報(bào)發(fā)明專利1 項(xiàng)。

2）裝配式無(wú)縫拼接陽(yáng)極氧化穿孔波浪鋁板施工系統(tǒng)，飾面板經(jīng)過(guò)聲學(xué)計(jì)算確定孔率及排布，采用電泳后陽(yáng)極氧化的波紋穿孔鋁板，保證面層整體氧化保護(hù)膜厚度均勻，實(shí)現(xiàn)裝飾、降噪、抗銹蝕等基本功能。波浪板面背側(cè)預(yù)留了承插配套掛件，可直接與基層龍骨進(jìn)行掛接，并利用波浪板面穿孔造型隱藏連接處固定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了面板無(wú)縫安裝，可快速裝配施工，達(dá)到了綠色環(huán)保、快速建造的目的。本項(xiàng)技術(shù)已申報(bào)發(fā)明專利1 項(xiàng)。

3）MLS 鋁型材擴(kuò)散體構(gòu)造，采用板面鋁型材設(shè)計(jì)理念結(jié)合擴(kuò)散體構(gòu)造及散射性能等影響因素，形成一套符合項(xiàng)目建筑裝飾水波浪造型要求的專用模具，具有平整度高，加工制作速度快等優(yōu)勢(shì)，可解決如回聲、顫動(dòng)回聲、聲聚焦等問(wèn)題，確保比賽場(chǎng)館使用效果，減少對(duì)比賽的影響，呈現(xiàn)一個(gè)更加優(yōu)質(zhì)的體育比賽。

4）潮濕區(qū)域吸聲降噪構(gòu)造系統(tǒng)，2 mm 厚穿孔波紋鋁板（孔徑≥5 mm，穿孔率＞20%）—無(wú)紡吸聲布—拒水透聲布—50 mm 厚離心玻璃棉板（表觀密度為42 kG/m3）—空氣層（大于50 mm）。此結(jié)構(gòu)不僅對(duì)各頻段吸聲效率高，還可解決吸聲填充材料因環(huán)境潮濕長(zhǎng)，吸入大量水分，導(dǎo)致含水率過(guò)高減低吸聲性能的問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

以杭州奧體中心亞運(yùn)會(huì)主游泳館內(nèi)兩處核心空間對(duì)裝飾裝修施工方法、聲學(xué)要求、抗潮濕環(huán)境銹蝕等要求為研究基礎(chǔ)，通過(guò)多種材料比選、安裝方式分析和試驗(yàn)檢測(cè)驗(yàn)證的方法，得到了不同類型的安裝連接型式、材料體型構(gòu)造的差異對(duì)場(chǎng)館裝飾裝修面層效果、聲學(xué)性能的影響程度，選定了龍骨與面層、面層與面層間連接形式和金屬板的構(gòu)造，形成2 種新型裝配式無(wú)縫拼接波浪鋁板施工系統(tǒng)，也形成了2 種材料新的應(yīng)用型式。在滿足設(shè)計(jì)裝飾效果和聲學(xué)功能的同時(shí)可提高人工功效、確保工期進(jìn)度、節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，可為國(guó)內(nèi)外類似工程提供施工經(jīng)驗(yàn)和參考，應(yīng)用前景廣闊，具有推廣價(jià)值。場(chǎng)館投運(yùn)后先后舉辦“韻味杭州”全國(guó)游泳冠軍賽、2023年全國(guó)青年跳水錦標(biāo)賽等多項(xiàng)重大游泳賽事，并成功舉辦了第19 屆的亞運(yùn)會(huì)的盛大賽事，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。