大型科技场馆绿色建筑建造关键技术的创新实践分析

1 前言

本世纪初，美国平均 80 万人、德国 90 万人、日本 128 万人拥有一座科技场馆，中国 2500 万人才拥有一座科技场馆，而广东省将近 1 亿人却没有一座大型科技场馆。为此，2003 年广东省委省政府决定建设国内一流、国际领先的大型科技场馆-广东科学中心(占地面积 45.39 万 m2、建筑面积 13.75万 m2)，鼓励敢为人先、科技创新，在国家绿色建筑标准制订和实施之前率先进行科技场馆绿色建筑建造技术的探索与实践。课题组通过集成已有的和原创的地基处理、钢结构隔震、空调节能、生态湖循环等技术，解决了广东科学中心节地、节材、节能、节水等难题，开创了大型科技场馆四节一环保的绿色建筑技术的先河。

2 软土地基上无统一隔震层的大跨巨型钢结构隔震技术

2.1 饱和软土地基预处理新技术

广东科学中心建设之初面临建设用地的难题，市中心区建设用地难以满足其规模需求。课题组采用原创的饱和软土地基动力排水固结处理新技术，建立了分区处理、动静结合、吹砂填淤、少击多遍、逐级加能、双向排水的地基预处理成套技术。在 1600m2试验区地基处理试验的基础上，提出了基于性能的地基预处理技术，建立了软土微观结构指标与宏观物理力学指标关系模型，通过对拟建场地含水量高、压缩性大、强度低和抗震性能差的 38.7 万 m2饱和软土地基进行预处理，突破了饱和淤泥质软土地基动力排水固结技术限制，改善了建设场地抗震性能，实现了沿海地区软土的快速和低成本处理，使其工后沉降小于 50mm，达到了工程建设要求，解决了建设场地的难题。

2.2 新型大跨钢结构体系

科技场馆建设具有开放空间和灵活布展等特殊需求，在采用多层多跨大悬挑钢结构进行科技场馆建设时，结构承受荷载大，用钢量非常大。课题组创建了由格构式钢巨柱+跨层纵向主桁架+横向桁架形成的双向大跨巨型钢结构新体系，在新增了底部开放空间的同时，实现了广东科学中心每平方米用钢量仅为 189kg，有效解决了建筑节材的难题。

2.3 无统一隔震楼层的结构隔震新技术

由于科技场馆贵重展品和参观人流集中，对结构可靠性要求高，采用隔震技术可保障结构、人员、设备和展项在强烈地震下的安全。现行建筑抗震规范要求结构隔震层顶部设置整体梁板结构，但对于广东科学中心这座三层巨型钢结构建筑，若在双向 45m 跨度的巨型大跨钢结构隔震层顶部设置一整层的整体式梁板结构，增加一层大跨楼盖，将导致场馆高度增加 3m，使场馆建造成本提高约 30%。 课题组独创了无统一隔震楼层的结构隔震技术，通过控制巨型格构柱的刚度，使各相互独立的局部隔震层整体协同工作，突破了现有规范的限制。结构大震下的振动台试验和弹塑性时程分析表明：各巨柱在各时间点上柱底位移基本一致，可不设统一隔震层;隔震结构基本振型由传统的放大晃动型转变为整体平动型，水平加速度反应仅为非隔震结构的 14%-34%，层间位移角约为非隔震结构的 30%，结构抗震安全性可提高 4 倍，达到了节省建筑材料和保证结构、观众与展品安全的效果。

2.4 隔震抗风新技术

普通橡胶铅芯支座的初始刚度与铅芯直径成正比、与支座高度成反比，而其有效动刚度与支座高度成反比、与支座直径和铅芯直径成正比。结构设置隔震层将导致自振周期增长、风振反应增大、风荷载敏感性增强。针对结构抗风设计要求支座的初始刚度大，结构隔震设计要求支座有效动刚度小的矛盾，研发了小直径、大高度、大铅芯的新型隔震抗风橡胶铅芯支座，解决了现有规格成品支座抗强台风与隔震设计的矛盾，且比常用的阻尼器构造简单、经济有效。

3 大跨复杂钢结构体系施工新技术

3.1 支撑钢巨柱的大直径联合隔震支座施工新技术

与常规隔震结构不同，大跨和超重荷载巨型钢结构巨柱下的大直径联合隔震支座极易受安装偏差、焊接变形、施工加载等影响，会产生较大的附加内力和变形。因此，大直径联合隔震支座预埋钢板高精度定位、巨型柱脚底板与隔震支座连接板平面度控制、巨型结构构件的安装过程控制问题是大跨复杂钢结构隔震施工中需迫切解决的主要技术难点。课题组开发了三维空间定位测量控制技术，提出了埋件模具预定位、锚筋预固定等技术措施，解决了与承台钢筋笼纵筋非平行单块预埋钢板下 68 根锚栓的预埋件的制作安装、锚栓定位、大面积板面水平度控制、连接螺栓孔位准确率等难题;利用反变形控制焊接变形、焊后局部热处理等多种方法，建立了巨型钢柱大面积厚底板焊接变形控制技术，解决了隔震支座与巨柱大面积厚钢板底板接触面平面度的控制难题;采取对称施工技术、支撑架反顶技术、仿真分析和 GPRS 远程自动化监测系统对隔震结构进行施工质量控制与监测，提出了大跨多层巨型钢结构施工变形控制技术，解决了巨型钢结构安装过程隔震层的力与变形控制难题。支撑钢巨柱的大直径联合隔震支座施工新技术为隔震技术在建筑工业化中推广提供了技术支持。

4 大型科技场馆绿色建筑设计与评价体系

4.1 大型科技场馆绿色建筑设计新技术

大型科技场馆需要大空间进行科技展示，还需提供大面积开放空间以满足交流、休憩等需求。广东等岭南地区雨季长、太阳辐射强，室外广场利用率低等特点，因此最大限度创造可用空间成为科技场馆绿色建筑的关键之一。课题组创造出了以共享中庭为核心、采用架空层结构和放射状向心式展厅布局，木棉花形科技航母绿色建筑形式，实现了展馆即展品的科技场馆设计理念，解决了科技场馆开放空间有效利用、遮阳、防雨、节地及室内外环境改善等难题。 针对夏热冬暖地区湿热难题和通风需求，通过在场馆共享中庭上部设置通风采光顶，利用自然风压、空气热压差使建筑具有呼吸功能，在降低建筑空调能耗的同时，提高了环境热舒适度，为节能和室内环境质量的改善奠定了基础，构建了具有岭南特色的大型科技场馆绿色建筑设计新技术。

5 结论

我国已进入科技场馆的高速建设期，对绿色建筑建造技术的要求，达到了前所未有的高度。课题组利用产、学、研相结合的模式，通过理论分析与试验研究相结合等手段，建立了大型科技场馆绿色建筑建造关键技术体系，解决了软土地基上无统一隔震层的大跨巨型钢结构隔震、大跨复杂钢结构体系施工、大型科技场馆绿色建筑设计与评价等关键技术难题。项目成套技术应用于广东科学中心，节约工程造价约2.8 亿元，实现建筑运营总能耗降低 65%，近五年平均每年节电 1200 万 kWh，相当于每年节省了 3900吨标准煤和减排了 1 万吨 CO2。