广州南站是华南地区最重要的铁路交通枢纽, 衔接5个方向的铁路干线和5条城市轨道交通线路, 是铁路“十一五”期间客站建设的代表作品, 也是广佛一体化的建筑代表。

车站于2010年元月投入运营, 以其恢宏的气势、优美的造型、便捷的流线、通透的空间给过往的旅客带来震撼。

通廊的屋顶采用的是钢结构的索壳形式, 精美的构件编织成一片网格, 形成了车站独特的肌理。而最激动人心的则是其通透的屋顶, 白天可以清晰看到蓝天, 晚上倒映着室内灯光。波光粼粼, 给人梦幻般的感觉。

广州南站建筑造型立意于“绿叶花街”, 由一片片的芭蕉叶为基本单元。通过中央采光带的串联, 形成极具特色的建筑形态。屋面系统由两大部分组成, 一部分为直立锁边的铝镁锰合金板构成的金属屋面, 覆盖车站的候车区部分, 属于静态空间对应的区域, 形似绿叶;中间部分意喻花街的采光带成为建筑的核心, 既要展现交通建筑的特色, 又要为旅客提供一种全新的空间感受, 其形式、选材直接关系到建筑的成败。

中央采光带面积约2 000 m2, 结构形式采用大跨度的预应力网壳结构。网壳的结构跨度为68×64 m, 最大处跨度96 m。由断面为600×400的方钢管编制成薄壳, 壳体网格尺寸约4.2×4.6 m。壳体呈由东向西逐渐升高, 断面由大变小再变大的形状。这样的屋面在屋面材料的选择上除了常规屋面需要注意的安全、耐久、保温、隔热、防水、防火、养护维修等围护结构的一般要求外, 还需要注意几个要点。

建筑设计的理念提出来的是能够将外部的光线引入, 为站房创造明亮的市内环境。同时, 能够将室外的空间引入与站房空间融合, 形成空间核心。尤其是南方地区, 空气质量好、云量大、天空多姿多彩, 屋顶材料的通透度越高越好。

在保证屋盖通透的前提下, 需要减弱太阳辐射热能的渗入。虽然中央通廊是交通空间, 旅客停留时间短, 但如果大量的热能进入会形成温室效应, 尤其是南方地区, 空调能耗会大大增加。

由于屋面是三维曲面的造型, 每一块网格的四角不在同一平面, 且网格较大。屋面材料首先需要有良好可加工性能, 能适应三维曲面的形式。其次是自重轻, 以减少大跨度钢构屋面的荷载。还有系统的实施性, 能够预先拼装, 施工安装速度快, 效率高, 以适应建筑的要求。

车站候车空间的声学性能一直是站房设计的难点, 由于空间高大、室内人员嘈杂。为提高站内声音的清晰度, 减少混响时间, 就需要屋面有良好的吸音性能, 能够降低声音的反射率。

根据车站消防性能化的要求, 屋面材料的耐火性能必须高于B1级。并且在火灾状况下, 不产生滴落物和有毒烟气。

目前, 新的屋面材料不断涌现, 各种产品在性能、生产、应用上有着各自的特点。我们主要研究了几种透明材料, 并做了对比。玻璃是传统的屋面采光材料, LOW-E玻璃有良好的热工性能, 表面的反射率和透明度都能够通过镀膜解决, 并能满足消防要求。但是玻璃自重大, 加工性能差。尤其是LOW-E玻璃必须在工厂内加工制作, 出现破损后更换困难。由于屋面是三维曲面, 玻璃如果按照每个网格单独制作, 投资完全是天价。如果将每个网格在划分为三角形, 则改变了屋顶的形式。PTFE膜材可以解决玻璃自重大、声学性能差、形状适应差的问题, 但是PTFE膜材的热工性能较差, 而且PTFE膜材张拉在屋面完全是一个平板。建筑表皮的肌理很差, 与网壳结构不匹配。聚碳酸酯板、自重轻, 可以改善热工性能, 如穿孔可以改善升学性能。但聚碳酸酯板的板材尺寸偏小, 需要几块板拼接成一个网格。这样屋面上接头过多, 防水隐患大。

最终的设计选用了ETFE气枕作为中央采光带的屋面材料。

ETFE是一种含氟高分子热塑性材料, 化学名为乙烯四氟乙烯共聚物。建筑膜材由ETFE生料直接制成。EFTE系统由一个个气枕组成, 每个气枕周边采用铝型材制作的边框定型, 内部采用低压空气充填。通过气体的压力, 形成单元构件自身的强度, 每个气枕与屋面网格适应。尺寸确定后, 可直接在工厂内像布料一样裁剪拼制成。

ETFE膜材透光性能好, 号称“软玻璃”, 质量轻, 韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂, 耐候性和耐化学腐蚀性强, 具有优良的抗冲击性能、热稳定性和耐化学腐蚀性。而且自重极轻, 机械强度高, 加工性能好, 其自清洁功能使表面不易玷污。通过雨水冲刷带走表面污物, 即使破损也很容易修补。形成的气枕可在工厂加工, 方便施工和维修。在大型体育馆、游客场所、候机大厅等建设中的体现了极大的优势。尤其是2008年北京奥运会场馆“鸟巢”和“水立方”均采用了ETFE膜结构, 对ETFE膜结构的推广起到了·积极的促进作用。国外的大型场馆如英国的伊甸园、德国世界杯的主会场安联体育馆等建筑也采用了ETFE膜结构。

透明ETFE膜材具有较高的透光率。可以让光线通过, 同时又可以阻止紫外线, 一般通过率不会超0.3%, 避免破坏材料和使人类的皮肤受伤。因此, ETFE材料是一种极好的屋面解决方案, 使人们拥有了一个真实的“开放的空间”。由于每层膜均内封有空气, 所以外体的U值非常低。标准的3层气枕有一个大小为1.96 w/m2°KA的U值。

由于气枕本身是由膜材构成, 有优秀的建筑形式适应性, 可完全按照建筑表面的造型加工制作。充气后的气枕有一定的厚度, 形成屋面独特的肌理。由于膜材本身材质非常轻薄, 对于声音有近似于无的影响。室内声音可直接散放至室外空间, 保证了建筑室内的声学效果。此外, ETFE膜材属于不燃材料, 在220℃的高温下膜材会出现软化, 即使着火离也会自动熄灭, 过程中无有毒气体和高温滴落物产生。当火灾状况下膜材会被烧穿, 而将烟气直接释放, 避免了对人员的伤害。

广州南站中央通廊位于站房的中部, 采光屋面系统由1 182个菱形的气枕组成。气枕内充气压力300 Pa, 配置了5台功率为3 KW的供气设备, 以保证气枕的压力稳定。气枕上下层采用不同矢高进行设计, 上层膜矢跨比为10%~12%, 下层膜矢跨比5%。根据建筑及节能需要, 气枕上层采用250μm厚蓝色透明的ETFE膜材, 内表面镀银点 (镀点率70%) , 下层采用250μm蓝色透明ETFE膜。

气枕通过铝合金型材固定于小天沟上沿, 小天沟通过方钢支架焊接于主钢构上方。方钢支架也起到找平的作用, 形成光滑的外表皮。

中央天窗区域天沟作为安装构件, 也可作为排水通道, 雨水通过气枕间自然形成的凹槽排入天窗四周结合部大天沟。为保证整个屋面的水密性, 在气枕边界焊接有防水膜, 天沟两侧的防水膜通过铝压板压于天沟中部的方管上。主要雨水将在防水膜上方排水周边的结合部天沟内, 而气枕下方的天沟可接收可能的防水膜渗水。

由于屋面规模大, 广东地区雨量大, 设计的膜结构采用了天沟形式的节点样式。对于气枕节点, 在铝合金的下部设置了一个EPDM凝水槽, 用于电化学绝缘, 冷桥隔绝, 接排铝合金侧边的冷凝水及上部少量可能的渗水。中央天窗区域的天沟主要用于固定铝合金型材和防水附件的安装, 同时作为暗沟可以吸纳一定量的上部渗水。入口雨篷的天沟用来固定铝合金型材和有组织排水, 天沟的采用使膜材安装和后期维护变得便利。

供气设备主要由风扇、干燥装置、配电箱等构成。并设有全天候防护面板, 吸音绝缘衬里, 空气过滤装置。设置了空气干燥器, 使进入气枕的空气得到预先干燥。配电箱作为气压控制单元, 其功能包括运行状态显示、气压人工调节、通过感压开关控制气压、气枕内气压监控、最小气压控制、启动备用风扇、最大气压控制、关闭风扇等。

主供气主管道选用D150镀锌铁质风管, 壁厚0.8 mm, 总长约为2 500 m。主供气管道通过直径50 mm的聚氨酯螺旋支管向气枕冲气。支管的不知与钢结构节点相适应, 四个一组均匀布置。

每套供气设备额外还配置了一套气压计, 选择监测不同位置的15个气枕。同时在屋顶设置了一台风速计, 可使气枕在台风发生下自动增加内压。

广州南站中ETFE气枕的采用, 使车站中央通廊的空间更加丰富, 并赋予了建筑物时间与空间的元素, 增强了建筑的特性, 营造了交通建筑新型的核心空间。这是一次全新的创造性的尝试, 对后续ETFE在人员密集的大空间的使用提供了有益的借鉴。