金属屋面及采光顶应用实例——北京汽车博物馆屋面幕墙工程

金属屋面和采光顶的应用实例北京汽车博物馆屋面幕墙工程作者：李淼 金长江 李轶群 日期：2011-4-12【摘要】 本文结合实际工程（北京汽车博物馆）讲述了金属屋面和采光顶的结构特点和设计中应注意的问题等。【关键词】 金属屋面、直立锁边板、采光顶。Abstract：This paper illustrates the characteristics of the metal roof and skylight system and the issues to be specifically concerned during design through the example of Beijing Automobile Museum project.Key Words：metal roof、u shape panel for lock standing seam system、transparent roof system1 前言博物馆、展览馆、科技馆、体育馆在每个城市中都有很多不同的场馆，但是从英国的大英博物馆到中国的北京大剧院，从19世纪中期的压型薄钢板屋面到2010年南非世界杯的足球场馆，大部分场馆的外立面装饰项目中都不约而同的采用金属屋面或采光顶的设计。场馆的设计越来越奇异，越来越梦幻，金属屋面以其能够实现各种复杂造型并且色彩鲜明，得到了建筑设计师的青睐。当单一的金属屋面不能实现建筑师的意图时，简洁且通透的采光顶也就自然的进入了设计师的视线，而且采光顶的应用也更好的满足了建筑物的采光性能，所以这两种建筑外装形式越来越多的出现在人们的眼球中。2 北京汽车博物馆概述北京汽车博物馆（以下简称汽博）是北京市重点工程，建筑面积49048平方米，整体造型如同一只明亮的眼睛，寓意以开放和宽广的视野看世界，建成开馆后将成为一个充满动感的科普教育基地和文化旅游项目。汽博项目由德国HENN建筑事务所完成建筑设计，由北京市建筑设计研究院完成施工图设计。汽博的建筑设计，展览陈设和科技项目均定位国际水准，无论是建筑空间、展区规划、展览主题选择还是对展品、展项的具体设置，都秉承“绿色、科技、人文”的宗旨，面向大众和青少年，以传播汽车文化、沟通汽车信息、体验汽车科技、享受汽车乐趣为目的。北京汽车博物馆鸟瞰图本工程屋面部位为“眼睛”的造型，造型的顶部为一个椭圆眼睛形状的大半个球体，同时采用了金属屋面和采光顶的设计。瞳孔位置为圆形玻璃采光顶，眼睑位置为带状玻璃采光顶，其他部位为双层金属屋面系统。双层金属屋面系统内层采用铝镁锰直立锁边板屋面系统，外层为3mm厚装饰铝板。屋面内部为主体钢结构，双层金属屋面系统和采光顶系统通过钢制转接件与主体钢结构连接。下面，我们就北京汽车博物馆屋面工程的金属屋面系统和采光顶系统的结构进行简单的介绍和分析。3 金属屋面系统由金属面板与支承结构（支承装置与支承结构）组成，不承担主体结构所受作用且与水平方向夹角小于75的建筑围护结构称为金属屋面。随着科技发展与进步，新材料、新技术、新工艺不断勇现，金属屋面已成为替代传统材料建造建筑物屋顶的一项新技术，尤其是近三十年来，随着建筑金属材料加工工艺和喷涂技术的发展，金属屋面已经成为了低层非居住建筑物屋顶的主流形式。金属屋面具有强度高、耐久性好、容易造型、色彩鲜艳多变、性能稳定可靠等特点。汽博金属屋面系统为双层金属屋面结构，内部功能层采用1.0mm厚铝镁锰直立锁边板屋面系统，外层装饰层采用装饰3mm厚铝单板结构。金属屋面系统的主檩条为C型钢，表面热浸镀锌处理，与主体钢结构桁架通过钢制转接件连接；上铺0.5mm厚彩色镀铝锌压型钢底板做为屋面底板，在压型钢板上放置25mm吸音棉和100mm保温棉；内层屋面板为1.0mm厚铝镁锰直立锁边板，表面聚酯漆涂层处理；外层装饰铝板连接系统为圆钢管外包铝合金型材，钢管表面热浸镀锌，铝合金型材表面粉末喷涂处理；装饰铝板为3mm厚铝单板，铝板表面氟碳喷涂处理。其结构设计主要包含以下几个部分。3.1檩条设计本工程的主体钢结构桁架由土建公司完成，幕墙公司负责主檩条和次檩条的设计安装。主檩条沿球体的经线方向布置，通过钢制转接件与主体钢结构的进行折线弧度连接。主檩条的C型钢规格为200*70*20*3mm，与主体桁架成垂直方向布置，间距保持为1.2米，通过转接件与主钢结构桁架连接，转接件上开长条孔，用螺栓连接。次檩条通过次檩条转接件与主檩条连接，并在其连接部位设置隔离垫片以防止变形噪声。次檩条转接件上同样开有长条孔，长条孔可以使主、次檩条有一定的伸缩量，这样可以保证伸缩变形，提高了幕墙的抗震变位能力。3.2 压型钢板与吸音棉的设计3.2.1压型钢板屋面层是屋面系统功能层中的最底层，压型钢板铺设在主檩条上，主要起到室内装修、承载保温棉和吸音棉重量的功能。压型钢板选择彩色镀铝锌钢板（双层镀铝锌量大于140g/m2），表面采用聚脂或硅改性聚脂烤漆处理，压型钢板的厚度为0.5mm，肋高25mm，肋间距50mm。压型钢板采用不锈钢自攻自转钉固定于主檩条上。自攻自转钉钉帽处加设防水垫圈，并在自攻自转钉与板材交接部位加注具有一定蠕变性的密封胶进行密封。压型钢板从下至上竖向布置，相邻板块横向叠加一个波峰（或波谷），竖向叠加5080mm，且上面的钢板压住下面的钢板。在设计过程中，尽量减少压型彩钢板的数量，即减少压型彩钢板的交接缝。3.2.2吸音层选用25mm厚无机纤维喷涂隔音棉。吸音棉铺设在压型钢板上，设计要求为拼缝密实，不留间隙。在接缝处，采用错开搭接方式。吸音板与龙骨交接的位置，也要保证吸音棉与次檩条贴实贴紧，不能留有缝隙。为了保证吸音效果，在压型钢板上设计消音孔，孔的间距和所形成的整体图案以美观为宗旨，满足设计师的意图。3.2.3保温棉采用100mm厚玻璃丝保温岩棉，置于吸音棉之上。在其下部的次檩条上设置钢丝网，做为保温棉的支撑，保温棉铺在其上部。保温棉的铺设方法同吸音棉。3.3直立锁边板的设计汽博屋面壳体为二次椭球表面，采用直立锁边屋面防水系统。屋面板为1.0mm厚铝镁锰合金直立锁边板，锁边高度65mm，宽400mm 以内，采用了相应的上窄下宽（或上宽下窄）的扇型板，板与板之间紧密地扣合，完整地包覆了球体表面。其固定方式、温度变形自由伸缩、良好的抗风压和耐腐蚀性及灵活的现场生产方式保证了其致密防水系统的功能。3.3.1固定方式屋面防水系统采用直立锁边的固定方式。ST铝合金固定座首先被固定在檩条上，再将屋面防水板扣在固定座的梅花头上，最后用电动锁边机将屋面板的搭接扣边咬和在一起。由于采用了直立锁边的方式，屋面没有螺钉外露，且屋面板能沿着固定座头在热胀冷缩时自由伸缩。3.3.2温度变形的技术措施任何材料都会有热胀冷缩现象，尤其金属材料的热胀率高。对于本工程的金属屋面，由于北京冬夏温差很大，因此如何使屋面板自由伸缩，避免因为伸缩受阻而产生的变形或撕裂渗漏的问题，就至关重要。直立锁边板的四边仅有一边固定，固定座也仅仅限制板在宽度方向上不移动，屋面板在长度和宽度方向上可以自由伸缩，因而不产生温度应力。3.3.3抗风本工程场地空旷，风力较大，铝合金装饰板系统所承受的荷载通过受力杆件全部传至防水板系统上。由于其特殊的固定方式，避免了一般的螺钉固定系统在遭遇大风时因反复受正负风压而在钉孔位置产生的应力集中。我们此前针对此系统所进行的试验表明该系统单肋单点在1.5KN的模拟集中风荷载力的作用下仍处于弹性变形，未发生破损。3.3.4防腐和耐久性屋面防水面板采用的铝镁锰合金具有重量轻强度高的特点，具有比普通铝合金更好的防腐和耐久性，特别是在酸性的环境下。经过权威机构认证，在一般环境下，采用该材料制作的屋面板的使用寿命超过40年。除面板外，其它从辅料到配件及螺钉都具有良好的防腐蚀能力，例如ST铝合金固定座下带有绝缘硬塑料隔热垫，隔离了铝材和下部的钢底板或檩条，从而避免电化腐蚀；紧固件采用了进口不锈钢螺钉和防水铝铆钉，使得屋面的使用不因为某一环节薄弱而受影响。3.3.5防水直立锁边防水屋面板从材料、固定方式上达到了很好的防水性能，并且由于板肋直立，其排水截面比普通板大，其肋高达65mm，更能保证其屋面板在横向倾斜情况下（双曲屋面）的防水性能，例如德国的法兰克福商业中心、杭州大剧院、中国国家大剧院、汕头的游泳跳水馆及大连理工大学体育馆等许多重要建筑均有成功运用。对金属屋面常见的收边泛水伸缩问题，采用了专门的2mm泛水板与屋面板连接搭接，搭接部位施密封胶密封，保证泛水能自由伸缩而不影响屋面的防水功能。3.3.6防火铝镁锰合金原色锤纹板的表面，经英国国家标准局BBA认证为AA级标准，不起火、不蔓延。3.3.7防雷根据建筑防雷设计规范，0.5mm以上的金属屋面可以作为接闪器。在本工程中，经由屋面防水板接入的雷电电流，通过拆除固定座螺钉的防水胶垫，增加导电接触点的办法，导入钢构接地。导电接触点的间距约8 X 10 米。3.3.8灵活的压型技术和生产方式为了很好地覆盖该球面，我们将现场设计、测量，采用先进的压型技术，在现场压制，生产的扇形板可以使板面完整地覆盖整个表面。3.4 装饰铝板的设计装饰铝板为方形铝板板块，铝板板块由铝单板与铝合金副框用螺钉连接而成。屋面球面通过铝板板块折线拼装来完成，则铝板板块均位于立体空间内，每个板块的空间坐标都不相同。对此，我们采用了三维立体设计方式，通过立体建模，来确定每个板块的实际形状。对于曲率、板块的连接位置、立边的位置和弧度均以坐标形式绘出。同时，为了保证铝板板块表面的一致性，在设计时也对生产加工工序进行了考虑，拟采用冷压和冷焊技术对立边进行拼装，并通过再修复研磨的工序来保证。3.5 装饰铝板的连接设计：铝单板与特制的铝合金副框连接，形成整体的装饰板块。板块的连接顺序为铝板板块-铝板幕墙龙骨-铝合金转接件-屋面连接系统。为了实现板块的连接，还专门设计了专用的铝合金转接支座与铝板幕墙龙骨连接，该支座由两支铝合金型材相互咬合而成，其下端夹在屋面板的T型固定钢支座上，采用螺栓夹紧。支座顶部的平板做为铝板幕墙龙骨连接的平台，铝板幕墙龙骨与转接件平台用螺栓连接，幕墙龙骨为圆铝管。同时，也为板块与支座的连接特制了铝合金L型转接件，转接件通过连接螺栓连接于副框上，在L型立板上，开有竖向长条孔，可实现高度方向上的调整。L型转接件在板块安装前预安装在铝板板块的副框上。铝板板块通过铝合金压板压装在幕墙龙骨上。以上设计，不仅可以满足安装过程中的三维调整，而且还通过L型转接件与板块的自由调节实现各个自由度方向的转运，从而大大提高了幕墙的温度变形和抗震变位能力。同时，在L型立板上还开有条纹，与螺母垫圈配合使用，达到板块的限位和固定作用。4 采光顶由透光面板与支承体系（支承装置和支承结构）组成，不承担主体结构所受作用且与水平方向夹角小于75的建筑维护结构称为采光顶。随着大量展览馆、体育馆、车站、机场等公共建筑的兴建，建筑物的跨度越来越大，通过门窗、幕墙玻璃进入室内的光线越来越不能满足室内采光的要求，所以在大跨度屋盖上大面积设置玻璃采光顶进行室内采光，尽量减少室内光源的能耗成为新的发展趋势，此结构不但使建筑更加美观，而且促进能源节约。因此，越来越多的建筑师和结构工程师在设计中采用玻璃天窗来实现建筑更亮、更轻、更美的高科技效果，增强城市的现代化气息。汽博屋面眼睑位置的双曲面造型玻璃采光顶采用半隐框断热玻璃幕墙结构。横向采用隐框处理，流水方向无阻挡以利于排水。曲面造型采用平面玻璃板块拟合曲面造型来实现。此处幕墙结构分格为1480X3000，幕墙采用钢龙骨，表面氟碳喷涂处理。铝合金框料内视表面粉末喷涂处理，外视表面氟碳喷涂处理。面材为8+16A+8+1.52PVB+8mm钢化透明LOW-E中空夹胶玻璃。球型“眼睛瞳孔”采光顶采用明框幕墙结构，与屋面交接位置结构采用隐框幕墙结构。其结构设计主要包含以下几个部分。4.1 主框设计主框采用钢型材，为了保证幕墙的设计强度，所有主框的计算按照最危险处取值，且风荷载标准值按抗风压变形性能四级取值，经过仔细校核，得出幕墙主框的具体尺寸。4.2 与主体连接设计采光顶玻璃幕墙与主体连接形式是竖框连接件-主体钢结构。钢竖框通过转接件与主体钢结构进行有效连接。转接件上开长条孔，并用螺栓连接，以此来保证竖框位置的可调整性。4.3 竖框间的连接设计幕墙竖框前端通过转接件与主体结构连接，后端则通过钢插芯与下层竖框插接在一起，下端可以相对移动，使竖框始终处于受拉的合理状态。同时，相连两竖框接合部位的横断面之间留有设计间隙（一般20mm可满足设计要求），保证在温度、沉降等其它外力作用下，上下竖框可以相对滑动，吸收变形，保证竖框不会因受力互相挤压而破坏。4.4 横竖龙骨间的连接设计横龙骨采用角片与主框进行连接，并在横框的前端使用机制螺钉与角片连接固定。同时横框与主框接触部位留有1.5mm的间隙，保证横框在温度变形的作用下，可以自由伸缩。另外，角片与竖框通过双头螺柱连接，并在两者间采用胶垫进行隔离，提高幕墙的抗震性能，消除伸缩噪声。4.5 面材的连接设计面材连接通过明框部位的铝合金压板将玻璃板块压装在幕墙的铝合金龙骨上，扣板外部再扣装装饰扣板。在玻璃板块与龙骨之间设置有三元乙丙胶条进行隔离，在起到密封作用的同时，也实现了板块与龙骨间的弹性接触，消除磨擦噪音。在玻璃的下部，采用了铝合金托板，对玻璃进行承托，以防止结构胶长期受剪切而撕裂。隐框幕墙板缝位置打胶密封处理。5 屋面工程的设计重点5.1 屋面各部分结构的三维建模屋面由上层装饰铝单板、直立锁边铝镁锰金属板和保温棉、吸音棉及下层压型钢板三层面板组成。各层面的球面设计是本工程的难点，更是重点。对于各层面的球面设计，采用了三维空间设计的方式，根据主体钢结构的空间位置（即三维坐标点），使用三维设计软件进行空间建模、坐标定位和模拟放样，准确找出各层面的关系，确定各层面板块的形状以及连接点的位置。主要包括以下几个方面：5.1.1. 底层为压型钢板和吸音棉，分格设计为扇形，通过以上设计确定每块扇形压型钢板板的扇形大小、位置、交接位置的分布、曲面的曲度，主檩条的位置、分布和弧度，以及转接件的位置和坐标等。5.1.2.中间层为铝镁锰直立锁边板和保温层，分格设计同样为扇形，并放样确定每块扇形直立锁边板的扇形大小、位置、交接位置的分布、曲面的曲度，以及次檩条的位置、分布和弧度等。5.1.3. 最外层为装饰铝单板，以中间层的铝镁锰直立锁边板为基础，建立屋面系统的三维模型，来确定每块铝板板块的空间位置、三维坐标，以及转接件的位置。5.2 屋面结构的防水做为屋面系统工程，排水与防水性能的好坏可谓是本工程成功与否的关键。本工程属开放式结构，利用第二层的直立锁边板系统实现防水。直立锁边板的结构特点及安装工艺保证了良好的防水和排水性能。具体为以下几个方面：5.2.1 直立锁边板采用暗扣式直立锁边固定方式， “” 型的板肋在经过机械锁边后紧扣铝合金固定座的梅花头，有效支撑屋面板承受正负压荷载，而板面完整无破损，无穿透式螺钉外露，消除了传统压型板和铝平板常见的漏水隐患。5.2.2 屋面板的生产非常方便快捷，它使用先进的压型机器在工地现场进行生产压型，可以根据需要生产各种长度的屋面板，不受运输条件的限制，从而消除屋面板在长度方向上的搭接缝，减少了漏水的机会。5.2.3 压型金属屋面板漏水的一种常见原因是水从板肋的搭接缝漫进室内，特别是当屋面坡度较小时，如果遭遇罕见大暴雨或板面排水受阻时最易发生。普通金属压型板排水能力直立锁边板的板肋高度为65mm，是国内现有压型板中板肋最高的，而且由于板肋直立，在相同宽度下屋面板排水截面最大。下图表示直立锁边板与普通压型板的排水能力比较。直立锁边屋面板排水能力5.2.4 在整个屋面的周圈设计一道集水槽，集水槽呈“U”字形，由3mm不锈钢板（316材质）制作，尺寸500mm250mm，集水槽的一边布置在直立锁边铝合金屋面板的内部，这样沿各道锁边面板流下的雨水被集水槽收集。在集水槽上周圈均布150mm的不锈钢落水管（其他公司完成）。落水管沿屋面边缘檐口布置，空间位置在屋面檐口铝板内，与檐口铝板龙骨连接固定。落水管上口采用专用接头与集水槽连接，接口处由两道密封胶垫压紧，确保不漏水。通过以上几个环节，可保证雨水有序、顺畅地排入地面而不发生渗漏和积水，达到内排水的预期效果。5.3 屋面与玻璃交接收口屋面系统采光天窗交接收口既要满足交接封修的功能，又要能够使雨水排出，因而封修主要包括三部分：5.3.1从屋面系统的直立锁边板上加一层铝合金披水板，披水板与玻璃交接位置采用PVC隔热型材垫框，将铝板折边与垫框用螺钉连接，与玻璃交接位置打胶密封处理。披水铝板与屋面直立锁边板连接，下垫铝合金Z型支撑。5.3.2外饰铝单板折边后与固定于转接件上的铝圆管龙骨连接，而直立锁边板仍然开放，满足排水功能。5.3.3从直立锁边板下缘用封修铝板将保温棉、防潮膜、吸音棉、无纺布、压型钢板等一道封住，并在接缝处打胶密封。5.4 屋面板分格本工程屋面眼睛部位为不规则空间椭圆曲面。为满足本工程光滑圆润、处处熠熠生辉的艺术效果，我们对其分格设计进行了充分的考虑。本工程分格设计的主要原则是：a. 满足建筑设计效果及屋面的性能要求；b.满足结构强度和刚度要求；c.考虑屋面采光天窗与屋面的交接、对齐；d.考虑屋面的收边处理；e. 考虑各种不同材料交界、组合的处理方式。5.4.1在分格上采用计算机三维绘图方法，对屋面壳体进行整体模拟分析。并利用地理学中的经、纬线原理，将建筑沿经、纬线方向分割，形成一个个长条形的空间曲面板块。5.4.2