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王德勤、王琦:临沂大剧院螺旋状异型金属屋面的设计体会

[发布日期:2015-04-23 12:01:31]

  1引言

  当今的建筑在造型上已经呈现多元化的发展,一些新派建筑师不满足于设计中规中矩的建筑形式,许多极富视觉冲击力的建筑越来越多的呈现在我们面前。曲面建筑,特别是双曲面的建筑造型越来越多的应用在剧院、场馆等大型公共建筑造型中。以往只是作为建筑造型中的个别单体,现在已经大范围的应用到整个建筑造型中。 山东临沂大剧院就又是一个有特色、有代表性的曲面异形建筑。整体建筑效果见下图示意。(如图1.1.1-1.1.2)

  

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  图1.1.1临沂大剧院灯光效果图

  

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  图1.1.2临沂大剧院音乐厅全景效果图

  1.1、工程概况

  临沂大剧院位于临沂北城新区城市中轴线上,是集剧院、多功能厅、音乐厅、电影院以及商业与一体的综合文化娱乐设施。是临沂最重要的文化阵地。总建筑面积约71080平方米。主要功能包括:1400座剧院,600座音乐厅,800座电影院及部分商业。

  大剧院立面的局部实墙则与飘逸的屋面相呼应,和谐统一。音乐厅电影院一侧则通过立面的竹简意向,形成富于韵律感的建筑节奏,同时竹简意向更具临沂地方特色。建筑细节和装饰语言注意挖掘临沂历史文化中的宝贵财富, 临沂大剧院是临沂市重要的文化设施,也是弘扬地方文化,丰富群众文化生活,提高全民文艺欣赏水平,建构和谐社会的一项重要建设项目。

  1.2 、工程特点

  幕墙作为建筑的外围护结构,是整个建筑外立面视觉效果的最直接表达形式。幕墙的表现效果直接关系到建筑师设计理念的表达,所以幕墙的设计及施工至关重要。本幕墙工程的幕墙形式包括:叠级式玻璃幕墙、全玻璃幕墙、开放式石材幕墙、铝板幕墙和具有装饰性的曲面直立锁边铝镁锰金属屋面。为了能让幕墙将设计理念表达的更加淋漓尽致,我们从以下几个方面入手:

  a、作为人流量非常大的公共建筑,安全可靠性是首要考虑的因素。 为了确保在安全上的万无一失,我们在结构设计方面进行了严格的计算,所有重要部位均用sap2000和3d3s进行了对比复核。

  b、 在充分理解和尊重建筑师设计理念的基础上,根据幕墙形式的特点进行精心设计、精心施工,使这座建筑能充分体现出美观大气、雄伟壮观,富有内涵的视觉冲击效果。

  c、在经济性方面,在充分满足安全和建筑效果的情况下,充分挖掘优化空间,最大限度的提高材料的综合利用率。同时考虑到施工工艺方面应注意的事项,尽量实现标准化型材,工厂化加工,尽量减少施工现场的工作,最终达到了降低成本提高效益的目的。

  2、异型金属屋面和幕墙的设计、施工技术

  2.1、扇形斜面金属屋面系统的构造

  临沂大剧院的屋面系统,是由大剧院和音乐厅两栋相对独立的扇形斜面螺旋状大型金属屋面组成。建筑外观均为异型曲面,金属屋面和幕墙系统造型复杂。 主体结构为钢结构支撑系统,其顶部是扇形分布的金属屋面板,铝镁锰金属屋面板的厚度为0.9mm,采用了高直立锁边,在屋面的边部檐口处设置了排水天沟和弧形曲线铝收口板。(如图2.1.1-2.1.2)

  

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  图2.1.1直立锁边金属屋面的整体分布图

  

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  图2.1.2金属屋面和幕墙系统立面效果图

  由于其体型和功能的要求,对金属屋面来说,其设计与施工的难度很大,必须结合实际工程情况采取特殊的、能够适应本项工程的结构、节点设计和施工工艺方案,才能顺利完成本项工程。本工程屋面系统的标准构造如下:

  主体支撑结构;支撑龙骨,可进行双向调整的连接机构;钢底板,厚度0.8mm的镀锌钢板; 隔声层,用50mm的玻璃棉压实至25mm;防水板T型支座系统;保温层,100mm保温棉;防水隔气层;铝镁锰金属屋面板,厚度为0.9mm,高直立锁边;板的表面按建筑要求的颜色进行氟碳喷涂。(如图2.1.3)

  

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  本工程金属屋面C区屋面是一个坡度较缓斜度较小的过度段,实际坡度只在2%左右(小于规范最小坡度3%的要求),由于造型的要求和构件自身挠度的影响,对屋面排水有着较大的影响,这一问题就成为本项目的重要难点。

  由于本项目的铝镁锰直立锁边金属屋面板除要保证其自身物理性能外,还要起到外装饰面的作用,所以面板的连续性不能破坏。我们经过了多次方案比较和论证,最终确定了通过设置多条隐形天沟的方法,使屋面的汇水面积减少并能够迅速排出屋面板内的积水,在不影响建筑效果的前提下解决这一难题。这种方法和技术已经申报了国家专利。(如图2.1.4)

  另一方面存在的难题是该建筑的屋面为斜面扇形螺旋面,这对金属屋面板的找形、定位、放样、加工、施工等各方面提出了很高的要求。针对以上问题,我们通过犀牛软件来建模找形,然后确定出每个支座的坐标。然后利用cad三维立体模型对整个工程进行线性建模,在整个模型中可以很清楚的表现出每个龙骨和面板的位置和大小,特别是复杂造型和收口位置,为后期的施工和提料奠定了基础。而且对龙骨的定位和结构的安装也起到了指导作用。(如图2.1.5-2.1.6)

  

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  2.2、铝镁锰高直立锁边金属屋面板的性能分析安装要点

  防水性能的保证和屋面板热变形性能的分析:本工程采用的是直立锁边屋面板型,板肋直立,使得其排水断面几乎不受板肋影响,所以有效排水截面较普通板型更大,加之板肋较高65mm,更能保证屋面板在坡度平缓情况下的防水性能,同时使屋面的适应性更强。

  金属屋面系统利用板的折边变形和板肋空隙来制调整热胀冷缩。对每块400mm宽的金属屋面板,可调节的量可达5mm,在总的可调整量内完全可以吸收该方向的结构位移。

  能有效吸收屋面由于热胀冷缩而产生的横向变形和由于底部结构的不均匀沉降而产生的垂直变形。金属面板的固定座和下部的保温材料及钢檩条跟随主体结构上下运动,而板面的折边可以吸收大量的形变。在沿板肋的纵向,板更有足够的挠度吸收可能产生的竖向形变。

  在板的长度方向 屋面板和铝合金固定座采用机械咬合的方式来连接,屋面板通过机械咬合力扣合在铝合金固定座的梅花头上,但屋面板仍可以在铝合金T码固定座上自由滑移,固定座自带橡胶隔热垫以消除冷桥的影响,固定座与面板咬合处应在应安装前倒角,以减少面板自由伸缩时与固定座顶端的磨擦影响面板使用功能和耐久性。此种连接方式可充分吸收屋面板由于热胀冷缩在纵向产生的变形。

  在金属屋面系统安装前,支撑结构的精确定位安装十分重要。施工现场根据三维模型中的空间尺寸坐标点对钢结构龙骨进行安装。其安装精度将直接影响着最外层的铝镁锰直立锁边板的安装精度。(如图2.2.1~2.2.4)

  

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  在直立锁边铝镁锰金属面层防水板设计要求上,根据三维排板模型要求和使用安装位置,分别采用标准直板、标准扇形直板。扇形板端头板宽不小于245mm且不大于570mm,标准板端头板宽为400mm。所有板厚均为0.9mm,板肋高度为65mm,室外表面涂层为氟碳喷涂。面板室外表面必须粘贴保护膜,以防止涂层在运输、加工制作、安装过程中被损伤。单张面板应根据排板模型要求长度采用专用压型机器一次连续加工成型,横向搭接采用暗扣式机械咬合固定在铝合金T码固定座上 ;每张面板的锁边应采用有爬坡功能的锁边设备一次完成,锁边完成。(如图2.2.5~2.2.8)

  

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  2.3、金属屋面板的排版设计

  金属屋面板的排版设计是否可行,屋面板对曲面、扇形斜面的顺滑覆盖是保证屋面板能自由伸缩及防水的关键,因而分析屋面板铺设在扇形斜面上的效果,并根据分析结果制定相应的排板方案决定着整个屋面工程的成败。为了确保其使用功能必须对不规则的外形进行详细的分析,这样才能完成合理的排版设计。

  根据建筑图纸,建立精确的三维模型,将模型分为两大区域并分别绘制屋面的平面投影点和线,对扇形的铝镁锰直立锁边板的分布尺寸加以精确定位(如图2.3.1,图2.3.2)。

  

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  在两个区域,大剧院和音乐厅之间由建筑外形边缘自然分界。在大剧院区域中的金属屋面按照屋面板倾斜的方向分成两个分区。在音乐厅区域中的金属屋面板由于其全部金属屋面板的倾斜方向基本是一致所以只作为一个分区(如图2.3.3,图2.3.,4)。

  对倾斜扇形曲面金属屋面在排版设计时需要考虑到屋面板的倾斜方向和板的长度变化以及曲面的弯曲方向,确定是否全部使用扇形板。如大面积使用直板,会出现扭曲甚至无法安装的情况,在此情况下,全部使用扇形板或大部分使用扇形板能很好的保证外形的尺寸精度,这将是最好的解决办法。

  2.4、檐口弧形铝板设计

  在建筑周围有一圈弧形的收口铝板,该铝板随建筑曲线做自由盘旋,不同区域弧度变化比较大,如何能够保证各区域间檐口铝板之间能够顺滑完美的过渡,成为幕墙设计施工过程中重点需要解决的问题。在设计之初,根据设计图纸做了样板件,在现场进行了试安装。结果效果让人不满意,问题主要体现在:板缝大小不一、相邻铝板高低不平; 针对这种情况对铝板的加工做出改进,要求铝板两侧板线与该位置弧线圆心相交,以实现板缝的大小一致;针对相邻铝板高低不平的问题,采用铝板插接的做法保证相邻铝板间的连接平整,以此来使整个檐口圆弧铝板连接顺滑。建成后,整个建筑周圈的檐口铝板与建筑浑然一体。(如图2.4.1,图2.4.2)。

  

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  2.5、屋面的清洗机构的设计

  建筑外表面的清洗,是通过从金属屋面上安装的清洗吊环机构实现的,吊环分布在金属屋面上,其间距和位置是根据。屋面的具体形状设置的,间距一般在4米左右,吊环的分布主要考虑清洗时清洗机构的设置,确保清洗人员能够顺利清洗整个屋面。吊环采用不锈钢材质,通过不锈钢螺栓固定在金属屋面板上,螺栓并不穿过屋面板,杜绝由于钻孔引起的渗水可能。大剧院和音乐厅的外立面幕墙清洗采用地面移动清洗车+人工清洗方式,并在建筑物室外广场间隔一定间距预留清洗水源。(如图2.5)

  

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  图2..5金属屋面上安装的不锈钢清洗吊环示意图

  3、结束语:

  临沂大剧院独特的造型和丰富的文化内涵让人们眼前一亮的同时也给设计和施工提出了更高的要求。在这个项目的金属屋面、幕墙的施工图设计和现场施工过程中,我们遇到很多新的难点和新问题。由于篇幅的原因,此篇文章中也只介绍了与金属屋面施工图设计相关的一些体会来供大家参考。临沂大剧院工程是临沂市北城新区的地标性工程,也必将成为临沂最重要的文化主阵地。

  参 考 文 献

  [1] 《建筑幕墙》,中华人民共和国国家标准, GB/T 21086-2007

  [2] 《采光顶与金属屋面技术规程》,中华人民共和国行业标准, JGJ255-2012

  [3] 《金属屋面与幕墙设计说明书》,临沂大剧院项目,2013.04

  [4] 王德勤,鄂尔多斯博物馆双曲异型金属屋面的设计,《中国建筑防水》, 2011 08第15期,15-22页

  全文摘自2015全国铝门窗幕墙行业年会论文集《不锈钢板幕墙设计、施工要点》,作者孟根宝力高,王晓明。转载请注明出处和作者。