幕墙第一线丨大国重器——航空轮胎大科学中心：让自主制造的轮胎“一飞冲天”
△ 航空轮胎大科学中心（广州）
编者按
壬寅虎年农历二月，人们还沉浸在中国春节及北京冬奥会的喜悦心情中。我们从白云机场乘车出发，一路向东，沿着花莞高速经过四十分钟的车程，来到广州中新知识城“航空轮胎大科学中心”项目所在地。在花莞高速知识城南出口附近，首先映入眼帘的便是耸立的两个轮胎，一躺一立，仿佛有什么故事在向人们诉说；进入工地，正值春节，整个工地显得额外的安静，没有往日的机械轰鸣，热火朝天的施工场景，然而整个项目管理团队已经整装待发，为迎接工人返工潮做好相关的准备工作。据中建深圳装饰有限公司项目经理张育明介绍，动力学大科学中立面外幕墙已完成，展示中心及硬核科技中心将在今年6月底完成施工，随后进入室内装修、设备安装及调试阶段，预计2023年投入使用。
△ 广州中新知识城规划图（局部）
从“科学之城”到“知识之城”
△ 广深科技创新经济带
24年前，广州科学城园区成立，广州科学城以科学技术的开发应用为动力，以高科技制造业为主导，配套发展高科技第三产业。经过持续发展，科学城园区从3.7平方公里的产业园区发展到规划中的144.65 平方公里，扩大约39倍。12年前，广州中新知识城规划出炉，《规划》提出，中新知识城的战略定位是围绕建设具有全球影响力的国家知识中心，着力打造知识创造新高地、国际人才自由港、湾区创新策源地、开放合作示范区，成为粤港澳大湾区高质量发展重要引擎。12年后的今天，整个中新知识城已经初具规模，已然已成为广州的新名片，已然在生物医药与大健康、新一代信息技术、新材料新能源等产业发展已有了较好的发展。航空轮胎大科学中心项目作为黄浦区政府重点引进项目就坐落于美丽的中新知识城。
△ 视频：广州市第十二次党代会代表畅谈航空轮胎大科学中心的未来（时长：29″）
“租不如买，买不如造”——实现从零到一的突破
目前我国还没有航空轮胎动力学试验大科学装置，本项目的建设内容之一“航空轮胎大科学中心”为首个航空轮胎动力学试验大科学装置。航空轮胎大科学中心以航空轮胎动力学大科学装置为核心，建设与之配套的航空轮胎硬核科技中心和航空轮胎制造试验基地。通过建设航空轮胎动力学大科学装置，研究轮胎动力学相关的科学问题，实现从航空轮胎为代表的高端非公路轮胎到公路轮胎技术的拓展，军民共用技术的相互支持、相互促进、共同发展。
本项目建成后是通过长期的稳定运行和持续的科学技术活动，实现重要科学技术目标的大型设施。为国家经济建设、国家安全和社会发展做出战略性、基础性和前瞻性。大科学中心以航空轮胎动力学大学装置为突破口，吸引全国乃至国际科研团队或机构集聚广州（黄埔区）集成创新，以期通过原始创新，加速高端轮胎技术自主可控进程，并逐渐向国际最高水平和最强创新能力迈进，实现技术上的弯道超车，同时大幅提升广州科技创新能力，对于重构国家轮胎制造生态，推动“中国制造”加速向全球价值链的高端跃升具有重大作用。
△ 航空轮胎大科学中心设计效果
“双核驱动”实现轮胎内外精造
航空轮胎大科学中心主要由三大建筑单体组成：硬核科技中心、动力学大科学装置、轮胎展示中心，分别承担着轮胎的研究、检测、展示功能。项目位于自然山坡，北侧为湖，依山傍水之势。规划充分尊重自然地形地貌，与二期长春应化所先进材料黄埔研究院一体化规划设计，提出以“耦合城市”为规划理念，将园区打造为山水与城市相容的创新城市自然界面；航空轮胎大科学中心将成为中新知识城的新地标。
△ 航空轮胎动力学大科学装置中心造型为横竖轮胎相交的双轮胎塑造“双驱动”造型竖向轮胎高度为52米水平方向轮胎高度为23.45米，直径为90米
作为中国幕墙行业首屈一指的国有企业，中建深圳装饰有限公司负责本项目所有外立面幕墙部分和室内精装修的施工，旨在打造一座精品工程。中建深装利用自己在异形建筑建造的工程经验。仅用半年时间就完成了动力大科学中心2万平方米的钢结构网架及异形双层幕墙设计与施工工作。
△ 动力学大科学中心实拍
一、EPC模式展现专业幕墙设计能力
EPC模式即“交钥匙”工程，其核心是通过设计与施工过程的组织集成，促进设计与施工的紧密结合，以达到为项目建设增值的目的。航空轮胎大科学中心作为EPC项目，如何在概算指标下实现建筑的安全、功能及美观要求是设计考虑难题。
1.以概算指标为底线，为建筑选择合理的幕墙系统。本项目原设计方案存在突破概算的风险，借助EPC模式的优势，以不突破概算指标为底线，前期对整个建筑的设计提出可行性建议、合理优化，如直立锁边系统、侧面焊接矩形钢系统、钢网架支撑系统和开放式蜂窝铝板骨架系统等。后期项目的顺利履约，也彰显了EPC模式的优势和EPC实施单位的专业设计能力。
△ 动力学大科学中心主体结构为全钢结构。项目利用BIM技术，对每一根构件进行精准下料，最大的构件重达36吨，最长的达36米
2. 大胆选用异形焊接钢结构，解决大跨度异形幕墙的受力和变形问题。动力学大科学中心横向轮胎侧面幕墙系统，层高11米，水平分格宽度3.926米；普通的铝型材无法满足立柱截面受力要求，设计时方案时为了保证立柱外观有型材的笔挺，原方案设计时采用直角钢外包铝型材的做法；由于轮胎的弧形造型，铝型材无法拉弯，且无法保证铝型材的平整度，深化设计时将原来铝包钢改成420x80x12mm焊接直角钢系统。焊接直角钢采用12mm厚钢板整体激光切割成型，避免因为多次拼接造成强度不够及变形过大的问题。同时在焊接时，采取工艺措施，在保证钢材焊缝强度的同时，使变形量控制在可控范围之内，满足了结构的安全性的同时，也满足了建筑美学的要求。
△ 焊接直角钢成型实拍
△ 侧面安装完直角钢现场
二、装配式设计在钢网架体系中实现快速建造
航空轮胎动力学大科学装置造型为两个巨大的轮胎，竖向轮胎高度为52米，水平轮胎高度为23.45米，直径90米；项目以横竖相交的双轮胎所造“双驱动”造型，给幕墙的设计、施工带来了巨大的难度。动力大科学装置在主体结构设计时，未考虑建筑的外立面的弧形结构， 横向轮胎幕墙完成面与主体之间高差3.45米，竖向侧面悬挑及环向悬挑最大距离达到2.8米；且30米标高以上主体结构顶部为空间网架体系，以下部分的主体结构结构为钢框架体系，由于该外悬挑造型为空间钢网架，造型复杂，与主体结构连接点位的不确定性，施工难度大。在幕墙次结构设计时，在主体钢结构与幕墙体系之间设计一道钢网壳体系，作为外幕墙支撑体系。该体系在设计时，为了缩短工地，加工质量可控，降低施工风险，将之设计为构件装配式，同时采用BIM建模技术，在电脑上模拟出现场实际情况，分析可能在现场遇到的特殊情况，通过设计及现场工人的努力，仅一个半月就完成了次钢网架的设计与施工。此体系钢材用量为327.2t，总钢材杆件数量8660根。其中竖向轮胎255.2t，杆件6362根；横向轮胎72t，杆件2298根。
△竖向轮胎钢网架BIM分榀
1.原材料采购
3.等离子钢材下料
4.胎架上钢结构拼装
5.监理验收
6.焊接点防腐处理
7.地面拼装完成
8.单榀吊装
9.测量定位拼装
10.内圈钢架吊装完成
△钢网架整体吊装流程
△ 竖向轮胎钢网架施工现场
动力学大科学中心作为将来国家的重要研究平台，幕墙不仅要在设计上满足结构安全、功能可靠、外观大气的基本要求，更要在施工质量与创新上下足功夫。为此，中建深装团队最大限度地提高幕墙的装配率，通过工厂仓储化、现场安装机械化，提高施工效率。特别是竖向轮胎钢253榀钢网架，均采用工地加工区集中加工焊接、防锈处理，现场整榀吊装，将焊接作业的95%转为地面，有效地减少了高空焊接数量，最大程度地保证了钢架的焊接质量。只有高质的履约，才能赢得口碑；只有创新驱动才能攻坚克难推动企业高质发展。
△ 视频：“地球上最大的轮胎”航空轮胎大科学中心（时长：2′31″）
三、双层防水守护国之重器
动力学大科学中心作为全球第二个轮胎实验中心，承担着研究国之重器的任务，是为解决“卡脖子”技术而建，可想其建筑的重要性。在幕墙设计时，屋面分为蜂窝铝板外装饰系统和直立锁边防水系统，其中直立锁边防水系统为整个建筑功能设计中最为重要的一环，它是实现建筑功能不可或缺的关键要素，直接影响着建筑的防水、保温及外层铝板的安装。
在设计时设计了两道防水层，以保证建筑功能性要求的实现：
第一道防水层为直立锁边，此板型的一个优点是防，体现在直立锁边系统的板肋上，板肋高65mm，板肋小边上的特制凹槽在咬边后形成的空腔扩大了板肋的隙缝，防止毛细现象的发生，阻绝水分通过毛细作用进入室内，以更好的达到屋面的防水功能。
本工程采用1.0mm铝镁锰直立锁边；铝镁锰板划分及排版也显得极为重要，由于动力学大科学装置屋面为圆形屋面，造型特殊，需要从以下几个因素考虑：
1. 铝镁锰板的压型长度（如现场压型的场地、屋面板的伸缩量及建筑要求的尺寸）；
2. 大小头弧形板的加工限制（铝镁锰板能自然成弧的半径、铝镁锰板机械成弧的最小半径、大小头控制在450mm~150mm）
由于屋面板折线化处理，在深化铝镁锰板时，板的宽度需根据外装饰板的分格模数来等分直立锁边板，且模数满足厂家生产要求。
第二道防水层选用TPO材料，作为辅助防水层，其有很好的稳定性、抗老化性、可焊性。
△ 横向轮胎屋面直立锁边板安装
另外，航空轮胎动力学大科学中心作为工业建筑，在设计时，为了给科研工作者提供舒适的实验环境，建筑师在设计时，为了保证室内的通风性能，在东西玻璃幕墙两侧沿着环向设计了两圈百叶，同时为了保证建筑外立面效果，在百叶外侧设置了一圈穿孔铝板，有效地起到了玻璃幕墙到蜂窝铝板的顺滑过度，有效地保证了建筑外观及建筑内部的舒适性。
△ 竖向轮胎玻璃幕墙两侧环向穿孔铝板
四、BIM技术为项目保驾护航
为了更好的服务项目，本项目在深化设计全过程使用了BIM技术，以实现幕墙模型的分析、材料下单以及施工全过程管控，极大的减少了设计变更，减少了人力与时间的浪费，保证了工期。
在钢网架的深化下料过程中，通过BIM建模分析，解决了杆件与主体结构碰撞链接问题，使整体下料定尺加工更加准确，减小了加工偏差，提高了整体次钢结构的加工精度。同时整个钢网架系统均采用全站仪测量放线，全站仪数据与BIM模型数据实时同步，极大的提高了精度，实现BIM模型到实体的转变。
△ 动力学大科学装置钢结构网架模型
其次，通过BIM的可视化，设计人员有效地解决了异形幕墙的交接位置收口处理，同时设计师通过Rhino模型+Grasshopper搭建参数化程序管控分类。可以方便快速的生成玻璃、铝板、铝型材钢材等下料单，极大的提高了下料的准确性，同时方便现场的管理，提高了工作效率，实现了人力、时间和资源的合理配置。
△ 动力学大科学中心BIM下单模型
△ 动力学大科学中心Grasshopper电池组
△ 建设中的的航空轮胎大科学中心全景
结 语
相关链接：
□ 幕墙第一线 | 天府国际会议中心——用世界最大胶合木单体塑造“天府之檐”（下）