大型预制钢结构
公共建筑绿色设计实践
宜都会展中心
概括
装配式钢结构具有优良的抗震性、可修复性和可回收性，能有效提高施工质量和施工效率，减少建筑垃圾，有利于缓解我国钢铁产能过剩的现状，符合当前可持续发展的时代要求。以宜都会展中心项目为例，探讨大型公共建筑中装配式钢结构的设计手法。会展中心项目兼容展览、商业两大公共服务功能，整体装配率约70%。采用新型建筑材料、装配式隔墙、装配式装修技术，充分利用自然采光和太阳能，提高大空间室内采光效果，减少能源损耗，是大型公共建筑中装配式钢结构积极的绿色设计实践。
1 装配式钢结构建筑绿色设计发展理念
1.1装配式钢结构的发展优势
1.1.1政策优势
大力发展装配式建筑是深化供给侧结构性改革、加快建筑业升级优化的重大举措。近年来，国家多次出台政策、颁布图集，鼓励装配式建筑健康发展。目前，各类建筑类型中都出现了大量装配式建筑实例。
装配式钢结构建筑兼具装配式建筑和钢结构建筑的优点，还能缓解我国目前钢铁产能过剩的局面。国务院在《关于化解钢铁行业过剩产能实现脱困发展的意见》中明确提出要推广应用钢结构建筑，提高钢结构应用比重。
1.1.2 品质优势
装配式钢结构建筑具有优良的抗震、抗风、可修复性，可以提高建筑的安全性能；与混凝土结构相比，钢结构建筑自重较轻，可以节省基础费用；具有较好的力学性能，容易实现大空间灵活分隔的要求。
1.1.3 效率优势
装配式钢结构建筑构件更易于标准化生产、现场组装，可大大提高施工速度，缩短施工工期，节省时间成本，效率优势明显。
1.1.4 可持续发展优势
装配式钢结构建筑在节能环保方面具有诸多优势：钢材本身具有良好的可回收性；钢结构建筑施工过程中减少了水泥、砂石的使用量；建筑施工过程中及建筑废弃后的垃圾可有效减少。推广装配式钢结构有利于减少施工污染，提高施工效率，保证施工质量和安全管理水平，符合可持续发展的理念。
1.2装配式钢结构的应用前景
装配式钢结构具有诸多优势，且受到政策支持，具有良好的发展前景，已广泛应用于各类建筑，特别是在大跨度展览建筑、体育建筑等方面，轻钢结构的灵活性优势明显。
目前大型公共钢结构建筑的预制化技术多局限于主体结构体系，弱化了预制化技术的优势。因此，在未来的装配式钢结构建筑设计过程中，应更多考虑在外围护体系、设备管线体系、室内装修体系中应用预制化技术，减少二次砌筑等湿作业，充分发挥预制化技术的优势，推行全专业、全寿命周期一体化设计，积极应用绿色建筑技术，实现绿色建造、绿色运维。
以下将以宜都会展中心项目为例，探讨装配式钢结构在大型公共建筑中的绿色设计应用。
2 宜都会展中心项目绿色设计实践
2.1 项目基本概况
宜都市会展中心项目（图1）位于宜都市市民活动中心西地块南侧，宜都市市民活动中心位于宜都市主城区西北部的三江新城，清江与渔阳河交汇处，风景秀丽，交通便利（图2）。
图1 宜都会展中心
图2 项目位置
场地西侧为待规划地块，南侧、东侧紧邻规划道路，北侧为公园滨水景观带。展览中心响应地形，将展厅布置于道路侧，打造完整的城市形象。商业空间灵活布置于水侧，充分利用公园景观资源，尺度宜人。同时，空间体量划分分别响应城市界面与水景界面，形成由南向北的体量序列，与环境形成良好的互动关系。整个建筑形象现代挺拔，与自然和谐共存，与公园形象统一，富有趣味性（图3）。
图3 宜都会展中心总体规划
展览中心由南侧展厅和北侧商业内街组成。1#楼位于南侧，横跨地块东西，由两个大型展厅及其周边的附属用房组成。1#楼南侧的展厅采用张弦桁架结构，实现大跨度单层展览空间。北侧为两层轻钢结构，用于布置大堂、办公室、设备用房等，并包含部分商业功能，与北侧的2#、3#楼形成商业内街。2#、3#楼位于地块北侧，采用轻钢结构，打造灵活有趣的商业空间。二层通过天桥与1#楼北侧的商铺相连。商业街上方设置荷叶伞状结构，提供遮阳，营造丰富有趣的灰空间（图4、5）。
图4 展览中心项目鸟瞰图
图5 展览中心示意图
2.2 设计理念
2.2.1展商配合绿化园区共享停车位
会展中心项目融合会展、商业两大公共服务功能，会展活动为园区带来宣传性；商业功能为园区带来人气，同时为参展商和观众提供良好的服务支持。在非会展期间，商业功能的融合保持了园区活力的延续性。会展中心位于宜都市民活动中心公园内，与其他场馆共享停车、绿地，提高了室外公共空间的利用效率。
2.2.2 展览会期间及非展览会期间全程使用
会展建筑属于间歇性使用建筑钢结构建筑划分标准，在展会期间人气旺盛，非展会期间则容易闲置。为避免浪费优质空间资源，本项目将具有足够跨度和净高的展厅空间作为全民运动场所。设计充分考虑预留室内体育场馆的设备和场地，非展会期间可为市民提供篮球、羽毛球、乒乓球等各类运动场所，突破单体建筑使用限制，解决会展建筑闲置期间运营问题，营造良好的市民活动氛围（图6）。
图6 非展览期间，展馆还充当国家体育场馆
2.3 绿色建筑技术
会展中心作为具有标志性特征的地方大型公共建筑，积极探索绿色设计和建造，主要在以下几个方面。
2.3.1 标准化设计、模块划分
展览中心以16m为主模数布置展览空间结构桁架，以8m、4m为辅模数，进一步细分建筑立面及商业部分平面，使整个建筑既有大尺度空间的气势，又有小尺度空间的亲切感（图7）。展厅采用标准化设计，两个标准化展厅可分割、可合并，满足大空间要求，适应各种规模的展览活动。
图7：展览中心立面模块
展览中心立面主要采用玻璃幕墙、金属幕墙，透明部分采用纵横隐框玻璃幕墙，实现大空间的通透感；非透明部分采用不同质感的铝板幕墙，实现立面效果的丰富性。在施工图设计中对立面幕墙进行划分，充分考虑幕墙格栅与立面模数的关系、开窗扇尺寸、通风面积等，便于幕墙公司在深化时精准嵌入。模块化的应用控制了构件的规格型号，降低了模板制作成本（图8）。
图8 丰富的立面效果
2.3.2大跨度轻钢结构，装配率高
展览中心为大型装配式钢结构公共建筑，展厅采用大跨度张弦桁架体系，总长度256m，跨度69.6m，主桁架布置模数为16m（图9），中间及左右两端设置平面次桁架，纵向设置支撑桁架作为主桁架的侧向支撑，保证主桁架的平面外稳定。
图9 弦杆桁架结构展厅内景
张弦结构跨度大、刚度大、自重轻，可满足会展建筑对大面积无柱开放空间的需求，装配式率高。会展中心项目1号楼装配式率约72%，2#、3#楼采用轻钢结构，装配式率约66%。整栋建筑主体结构竖向构件中预制部品及构件比例达到35%以上，满足甲级装配式建筑设计要求。
2.3.3 新材料在围护系统中的应用
ALC（加气混凝土）条板具有良好的保温、防火、耐久、抗震、隔音性能，力学性能优良，易于干法施工，可提高施工效率。同时，它符合装配式建筑的理念，适应模块化设计技术。展览中心除管井、卫生间采用砌块墙体外，其余内外墙均采用ALC条板基层墙体，最大限度地发挥了材料的优势，推动了新型优质建筑材料的应用（图10）。
图10 展览中心墙体材料及管井位置示意图
2.3.4设备系统采用管道分离
展览中心将管井集中在交通核心筒及卫生间附近，减少对周边空间的不利影响，并采用管道分离技术，减少湿作业带来的污染，方便后续管道维护更换。
2.3.5 装配式室内装饰、干法施工
装配式室内装饰是指通过标准化的内饰部件设计，在工厂生产出来的内饰部件运输到现场进行干式组装，以节省装修时间和人工成本。
展览中心采用装配式室内装修技术，装修风格简洁大方。干施工方便维护和更换部件，节省施工时间，减少装修过程中产生的污染物，符合绿色建筑追求施工快捷、保护环境的特点（图11）。
图11 装配式室内装修-展览中心大厅
2.3.6 荷叶伞灰空间及太阳能板
宜都市四季分明，雨热同季，夏热冬冷，日照充足，室外平均风速较低，应特别重视通风设计，同时可适当利用太阳能技术，提升建筑品质。
结合宜都湿热的自然环境，会展中心在商业内街上方引入了以“荷叶”为意象的伞状构筑物。面朝水面的荷叶与水中的倒影交相辉映，伞下半室外空间通风遮阳效果极佳，为市民提供了舒适的户外活动场地。伞盖组件以单元形式拼接钢结构建筑划分标准，呼应当地民居绿瓦屋顶的意象。同时，整齐排列的伞架也能统一下方的商业建筑体量（图12）。
图12 荷叶伞与商业内街
荷叶伞为钢结构，顶部设有太阳能供电设施，可提供15.6%的电力，在营造有趣的空间效果的同时，也兼顾了绿色能源的使用。
由于展览中心北侧面向滨水景观带，荷叶伞顶也略微向北倾斜，为了更好地接收阳光，伞顶采用单元式太阳能电池板分割，每块太阳能电池板的北侧均被抬高，使光伏板与檩条呈18°倾斜，形成朝北、光伏板受光面朝南的整体效果，兼顾整体形象与发电效率（图13）。
图13：荷叶伞上方倾斜的太阳能电池板
2.3.7 屋顶自然采光天窗及电动遮阳棚
展厅顶部结合造型及桁架缝隙设置电动天窗，充分利用自然光，改善展厅内部采光效果，天窗加装外遮阳系统，减少阳光直射，节省空调能耗（图14）。
图14 展厅顶棚天窗及遮阳系统
3 结论
大型公共建筑代表着城市的形象，装配式钢结构在大型公共建筑中的应用对其提升起到了良好的促进作用。宜都市会展中心项目集展览、商业于一体，充分考虑建筑功能的多元化；
结合结构特性与空间需求，充分发挥张弦桁架、轻钢框架结构体系的优势；充分利用自然采光、通风、太阳能等，减少运营期间的能耗负担；
积极采用新型优质建筑材料、预制管道系统、预制室内装修技术，加快施工进度，减少后续维护成本，是一项高效、合理、具有探索性和创新性的工程。
参考
[1]郝吉平,孙晓玲,薛强,等.绿色装配式钢结构建筑体系研究及应用[J].工程力学,2017(1).
[2]张海滨,焦炜.我国装配式钢结构建筑发展中的问题及对策[J].建筑技术,2018(S1).
[3]曹阳,陈飞斌,龙晔.装配式钢结构建筑深化设计探讨[J].钢结构,2016(2).
