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芜湖文化艺术中心异型金属屋面的设计与施工

来源:2019年会论文集  作者:陆立刚  日期:2019-4-12
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    摘要:本文结合芜湖文化艺术中心工程异型金属屋面系统工程实例,分析了异型金属屋面系统的结构与构造设计思路、典型关键节点和相关施工特点,介绍了屋面主体异型空间球网架钢结构设计、内层屋面钢檩条与主体钢结构网架的连接设计、屋面防潮设计、防结露设计、节能设计、隔声吸音设计、内层直立锁边屋面板的设计、外层屋面钢构架设计、开放式构造外层屋面蜂窝铝板设计、屋面排水系统设计、屋面系统的防雷设计、屋面系统上人钢梯和防坠落系镏环的设计等。
    关键词:钢结构建筑信息子模型、异型空间球网架钢结构、双层金属屋面系统、直立锁边金属屋面、高强度铝合金T形支座、虹吸式屋面雨水排水系统。

  1.工程概况

  芜湖文化艺术中心位于芜湖市黄山西路,紧邻长江沿岸,由文化中心、艺术中心两个单体建筑以及配套商业设施构成,文化中心建筑标高(词条“建筑标高”由行业大百科提供)31.6米,艺术中心建筑标高21.5米。文化中心造型如同一枚开启的贝壳,饱满而丰盈,而位于其北面的艺术中心则取形于一枚完整贝壳,体型丰盈剔透、顺势而卧,以贝壳孕育珍珠来寓意芜湖城市依江发展的勃勃生机和璀璨前景,为芜湖市标志性建筑

  芜湖文化艺术中心工程二层及以下为一个结构整体、二层以上为文化中心、艺术中心二个独立的结构单元,设一层地下室。文化中心、艺术中心地上四层,采用全现浇钢筋混凝土框架结构(词条“框架结构”由行业大百科提供),屋面采用支撑于钢筋混凝土主体结构上的异型空间钢结构

  首层商业采用框架结构铝合金中空玻璃幕墙(局部采用点式玻璃幕墙);二层以上采用钢组合结构曲面玻璃采光天窗及弧形铝合金遮阳百叶;屋面系统采用双层金属屋面(词条“金属屋面”由行业大百科提供),外层屋面为15mm厚氟碳喷涂铝合金蜂窝板,内层屋面除采用0.9mm厚原色锤纹铝合金板直立锁边系统。

  芜湖文化中心和艺术中心外形为被垂直曲面切割(词条“切割”由行业大百科提供)的球面体,设计与施工难度很大,必须结合工程实际情况,采取适应本工程的异形幕墙和金属屋面结构设计和施工工艺才能控制好建筑造型,实现建筑效果。

  2. 芜湖文化中心异型金属屋面的设计

  2.1芜湖文化中心金属屋面系统的构造设计

  芜湖文化中心金属屋面系统构造层典型节点如图2.1.1-2.1.2所示。

  2.2文化中心屋面主体钢结构设计

  文化中心屋面主体钢结构采用支撑于钢筋混凝土主体结构上的异型空间钢结构,其外形非常复杂。本工程采用BIM技术指导异型空间钢结构的设计、测量放线、构件加工及现场安装全过程。利用专用软件进行三维建模,确定异型空间钢结构各定位点和钢构件尺寸,对钢构件进行编码,再按编码部件虚拟装配出异型空间钢结构整体模型,实现虚拟装配和施工模拟,并依此对异型空间钢结构安装施工作业流程予以优化。结合BIM技术制定异型空间钢结构的测量、定位放线和安装控制专项方案,利用全站仪、激光经纬仪、光学水准仪等先进的测量工具,实行异型空间钢结构工程全程测控和安装偏差控制。利用钢结构建筑信息子模型将异型空间钢结构的构件模型尺寸转换为加工尺寸数据,并将数据输入加工设备进行构件加工,然后在工厂按照钢结构建筑信息子模型指导模拟现场实际进行构件预拼装,复核无误后再运到现场安装。(文化中心异型空间钢结构网架如图2.2.1-2.2.6所示)。

  2.3文化中心内层屋面檩条与主体钢结构网架的连接设计

  根据内层屋面檩条与网壳连接设计需求,网架上弦每个连接球顶部及网架周边连接球底部均设置檩托支座。钢结构网架支托(檩托)的安装精度是确保屋面整体外形尺寸的关键,网架支托采用Q235B钢材机械加工制作,在主体钢结构网架安装完成后,利用全站仪对每个网架支托点进行空间位置测量,并利用测得的空间三维数据重新建立三维模型,并与原设计三维模型对照,确定每个网架支托安装的长度尺寸(如图2.3.1所示)。通过调节网架支托旋入网架球体的尺寸,可以吸收由于主体钢结构网架产生的部分偏差。

  内层屋面的主龙骨(主檩条)采用140x80x5矩形钢管,纵向布置@2800,安装在网架支托上。内层屋面的次檩托采用60x60x3方钢管,次龙骨(主檩条)采用120x60x3矩形钢管,横向布置@1210,为确保内层屋面安装后的外形尺寸,在安装次龙骨时必须将结构偏差调节到设计允许偏差范围内(如图2.3.2所示)。

  内层屋面的底层防水镀锌钢板(词条“镀锌钢板”由行业大百科提供)采用0.8㎜厚YX-820型镀锌(词条“镀锌”由行业大百科提供)压型钢板,可解决屋面伸缩变形的问题,又为安装人员提供了安全可靠的踏板,应避免施工时损坏底层钢板(如图2.3.3-2.3.4所示)。

  2.4文化中心屋面防潮(词条“防潮”由行业大百科提供)、防结露(词条“结露”由行业大百科提供)、节能及隔声功能的设计

  2.4.1防潮、防结露设计:本工程在内层屋面次龙骨上铺设一道30x30x0.8镀锌钢丝网,在钢丝网上铺设一层PE防水透汽膜,然后再铺设150㎜厚单面铝箔玻璃棉(词条“玻璃棉”由行业大百科提供), (如图2.4.1所示)。

  PE防水透气膜由三层构成(PP纺粘无纺布+PE高分子透气膜+PP纺粘无纺布),纺粘无纺布的作用主要是增强拉力和静水压及保护中间层(PE高分子透气膜)。【PE防水透气膜原理】在水汽的状态下,水颗粒非常细小,根据毛细运动的原理,可以顺利渗透到毛细管到另一侧,从而发生透汽现象。当水汽冷凝变成水珠后,颗粒变大,由于水珠表面张力的作用(水分子之间互相“拉扯抗衡”),水分子就不能顺利脱离水珠渗透到另一侧,也就是防止了水的渗透发生,使透汽膜有了防水的功能。 

  PE防水透气膜的施工铺设应沿着屋面的顺水方向,搭接长度为10cm,内层屋面的铝合金T型支座穿过防水透气膜时,在铝合金T型支座与防水透气膜交接处,用丁基胶带环绕一圈进行密封。此外,防水透气膜不宜长期暴露在紫外线下,应尽快施工完成。 

  在冬季芜湖地区金属屋面的室内外温差较大,在内层屋面结构设计中应注意冷桥的处理,支撑内层金属屋面板的铝合金T型支座采用隔热垫;在玻璃棉底部铺设一层PE防水透汽膜,室内的水汽可以有效通过防水透气膜排出室外,又可防止冷凝水(词条“冷凝水”由行业大百科提供)通过PE防水透汽膜渗透到室内;外层的金属屋面采用开放式结构,可将内层与外层屋面间的水汽排出室外,避免金属屋面发生结露现象。

  2.4.2节能设计:本工程保温层(词条“保温层”由行业大百科提供)采用150㎜厚欧文斯科宁超细玻璃棉(A级防火、单面铝箔,容重为20㎏/㎡,导热系数为0.038W/m.k,憎水(词条“憎水”由行业大百科提供)率>98% ),金属屋面的热工(词条“热工”由行业大百科提供)性能满足建筑节能设计要求。

  玻璃棉是由高速离心设备将高温熔融玻璃制成无机纤维,再添加入防尘油和特制粘接剂,通过专用设备制作成棉絮状细纤维,纤维和纤维之间为立体交叉,互相缠绕在一起,呈现出许多细小的间隙,最后固化定型。玻璃棉除具有成型好、体积密度小、导热系数彽、保温绝热的特点,还具有如下特点:

  抗潮湿性能:经测试,玻璃棉的憎水率>98% ,玻璃棉浸湿经干燥后其保温性能可完全恢复。

  防火性能:根据中国国家标准GB50016,经检测,欧文斯科宁超细玻璃棉不燃性(A级)合格。

  耐腐蚀性能:玻璃棉是一种无机纤维,化学性能稳定、不会与钢材间发生电化学腐蚀(词条“化学腐蚀”由行业大百科提供)

  隔声性能:玻璃棉可视为多孔材料,隔声吸音性能良好。

  环保性能:玻璃棉的纤维平均直径为 4.0-6.0μm,不含渣球,对人体皮肤的刺激性较小。

  2.4.3隔声吸音设计:文化中心金属屋面的空气层隔声性能,主要是通过双层金属屋面板(内设空气层,0.8mm厚底层压型钢板、150㎜厚玻璃棉、内层屋面0.9mm厚原色锤纹铝合金板和外层屋面15mm厚铝合金蜂窝板等隔声层)实现的,铝合金蜂窝板和玻璃棉都是很好的隔声吸音材料。经测试本工程金属屋面的隔声吸音性能达到了设计要求,而且在风雨天气,当雨水敲击金属屋面时不会对室内产生雨噪声影响。

  本工程文化艺术中心剧场主要用于歌剧、戏剧等演出,也可用于各种音乐演出、大型会议等,需要满足多用途使用要求。为加强剧场观众厅与主舞台上空的金属屋面的隔声吸音效果,在内层屋面底层压型钢板与保温玻璃棉之间加设了一层12㎜厚石膏板。通过声学分析及计算机模拟,剧场总体具备良好的声学条件,有较高的语言清晰度,声场分布均匀。从测试结果看,剧场混响时间与设计值相一致,清晰度指数较高。

  2.5内层屋面板的设计

  内层屋面系统的最重要也是最基本的功能是防水,本工程底层硬质防水镀锌钢板采用0.8㎜厚YX-820型镀锌压型钢板,内层屋面板采用(0.9mm厚原色锤纹铝合金板)直立锁边结构(如图2.5所示),通过双层防水方案来确保内层屋面系统的防水功能。

  2.5.1内层屋面板采用强度(词条“强度”由行业大百科提供)高且防腐蚀性能好的0.9mm厚原色锤纹铝镁锰合金板(合金状态为H44,合金成分为AA3004,抗拉强度≥180MPa,屈服强度≥150MPa,金属延伸率≥4%)。

  本工程金属屋面为双向弯曲,跨度大,铝镁锰合金板的弹性模量小,适用于双向弯曲屋面。直立锁边屋面板的板肋直立(板肋高度65mm),使得其有效排水截面大于普通板型,更能确保屋面坡度平缓情况的防水功能,在板中间沿纵向间距100mm布置的小圆弧型加强筋,使得直立锁边屋面板具有较强的强度及刚度

  内层直立锁边屋面板采用纵向通长无搭接(文化中心屋面板最大长度78米)、横向(即板宽方向)360°咬合式搭接。本工程将大型可移动加工中心(由数控(词条“数控”由行业大百科提供)压板机和弯弧机组成)运抵施工现场,在施工现场完成这种超长的直立锁边铝屋面板的制作加工。针对这种超长的直立锁边铝镁锰合金板,制定专吊装方案,制作专用的钢结构吊装桁架,将加工完成的直立锁边铝镁锰合金板捆绑在钢结构吊装桁架的底部,通过现场塔吊将其吊装到屋面的安装位置。(如图2.5.1.1所示)。

  内层直立锁边屋面板的安装固定(词条“固定”由行业大百科提供),首先将铝合金T型支座用高强度不锈钢螺钉固定在次龙骨上,再将内层屋面铝板扣在T型支座梅花头上,最后通过电动锁边缝合专用设备将公边与母边紧密搭接咬合在一起并紧紧扣住T型支座梅花头。屋面板采用直立锁边固定方式,从构造上杜绝了传统采用螺钉穿透固定方法产生的渗漏水隐患。(如图2.5.1.2-2.5.1.3所示)。

  内层直立锁边屋面板还具有防毛细水的构造功能。板肋公边顶部的一道断水凹槽在咬合后形成的空腔扩大了板肋的缝隙,能够防止毛细现象的产生,可避免雨水因毛细作用进入内层屋面,内层直立锁边屋面板构造具有良好的防水功能。

  内层直立锁边屋面板的折边和板肋空隙可以吸收由于屋面主体钢结构网架的不均匀沉降和内层金属屋面因热涨冷缩产生的横向变形,横向每块400mm宽的屋面铝板可调节5mm,整体屋面完全可以吸收屋面结构垂直方向和横向位移变形。直立锁边屋面板是通过咬合固定在T型支座梅花头上,内层屋面板沿纵向可以沿支座自由滑动,使得在纵向内层屋面板有足够的挠度(词条“挠度”由行业大百科提供)吸收由于屋面主体钢结构网架的沉降和因热涨冷缩产生的竖向变形。

  2.5.2 T型支座采用183#高强度铝合金支座(带隔热垫),为防止内层屋面板在T型支座上滑动时被支座划伤,将T型支座梅花头的上端设计成圆弧形,T型支座的间距以及连接不锈钢螺钉的数目需根据结构计算确定。

  T型支座底部设计有绝缘隔热垫片,采用具有足够强度及抗老化性能的聚酰氨材料制作,既可以防止铝合金支座与钢檩条间产生电化学腐蚀,又可以有效降低内层金属屋面的噪声和热传导

  在T型支座的隔热垫底部粘附一定厚度的丁基胶带,对T型支座螺钉孔有很好的防水密封作用。

  2.6外层屋面板的设计

  本工程外层屋面饰面板采用15mm厚氟碳喷涂(词条“喷涂”由行业大百科提供)铝合金蜂窝板(外层屋面板布置如图2.6所示),整个外层屋面由扇形板和异形板组合成一枚开启的贝壳造型,屋脊中心环由8块半径R1400mm的弧面扇形板组成,其余每圈环等距增加2800mm,屋面檐口周圈设置有排水天沟。

  2.6.1外层屋面的转接钢龙骨采用60x40x4矩形钢管@1230,通过铝合金专用卡子和连接钢件安装固定在内层屋面板的直立板肋上(与T型支座位置对应),外层环形钢龙骨采用60x40x4矩形钢管弯制,通过连接钢件安装固定在转接钢龙骨上,连接钢件设计成三维空间可调节方式,通过调节保证整个外层屋面的曲面平滑过渡和流畅(如图2.6.1所示)。

  2.6.2外层屋面的板缝采用开放式构造,可降低屋面清洗维护的成本,不存在硅酮密封胶老化污染问题,有利于屋面的长期清洁。屋面采用内外兼顾的排水方式,降雨时,大量的雨水沿着屋面坡度顺排到底部屋檐排水沟,由板缝间隙进入到内层屋面的少量雨水,则沿内层直立锁边屋面板顺排到底部屋檐排水沟,不会在内、外层屋面产生积水。雨过天晴,在阳光照射下金属屋面的表面温度会迅速上升,开放式板缝构造有利于内、外层屋面间的空气与外部流动交换,既可将内层的湿热空气迅速排出,又可有效地降低屋面板的表面温度,起到一定的节能环保作用。(如图2.6.2所示)。

  2.6.3屋面排水天沟采用(316级)2mm厚不锈钢板制作,采用虹吸排水系统有组织排水,排水天沟还设置有溢流口,可防止遭受特大暴雨时屋面不会发生倒灌积水现象。虹吸式屋面雨水排水系统和溢流口的的总排水能力,按不小于设计重现期为50年、降雨历时5min的设计雨水流量。根据屋面汇水面积的设计排水流量计算确定不锈钢排水天沟的过水截面尺寸为450mm宽X280mm高,不锈钢排水天沟设置多组独立分区的排水系统,每隔18米设置一道50mm宽伸缩缝,以吸收因温度变化和结构沉降等产生的位移。每个独立分区的排水系统设置两个虹吸式雨水斗,雨水斗设置在天沟的最低点。在不锈钢排水天沟的两侧和底部填充50mm厚保温玻璃棉,在不锈钢排水天沟槽内侧涂防水油膏并满铺防水卷材,以降低排水天沟雨水噪声。屋面雨水排水系统形成虹吸时因排水管道中水流流速较大,会发生振动,产生噪音,排水系统采取加密固定点的防振、防噪措施。每年定期进行系统的检查和维护,及时清除金属屋面、排水天沟、溢流口、雨水斗和管道中的树叶、污泥等杂质,确保虹吸式屋面雨水排水系统在暴雨来临时能正常发挥功能。(如图2.6.3.1-2.6.3.3所示)。 18

  2.6.4金属屋面系统的防雷(词条“防雷”由行业大百科提供)设计:芜湖文化艺术中心属于特别重要的建筑物,幕墙按第二类防雷建筑物设计。根据国家《建筑防雷设计规范》(GB50057)4.1.4条的相关规定,金属板下无易燃物,板厚≥0.5 mm时,屋面板可作为接闪器(除第一类防雷建筑物),本工程外层屋面板采用15mm厚氟碳喷涂铝合金蜂窝板,铝合金蜂窝板的正面和背面铝合金板的厚度均为1mm厚,铝合金蜂窝板屋面可直接作为接闪器,因此只需在必要位置与屋面主体钢结构网架的防雷体系可靠连接,并确保导电畅通。

  具体防雷做法是将每个单元铝副框一个角下面一段弹性垫更换成铝合金垫片,构成有效的防雷引下导通点,将接触表面的铝板或铝型材(词条“铝型材”由行业大百科提供)去除氧化膜保护层,直立锁边铝合金专用卡子与卡子转接钢件通过防雷组件(接线端子、铜编织带)连接构成有效的防雷引下导通点,内层屋面的防雷做法是采用防雷组件(接线端子、铜编织带)(上侧与铝合金T型支座连接,下侧与次钢龙骨连接 ),构成有效的防雷引下导通点,形成外层金属屋面板→外层屋面钢骨架→内层金属屋面板→铝合金T型支座→钢檩条→屋面主体钢结构的可靠导通电路,屋面每个防雷引下导通点的间距不大于8m(防雷做法如图2.6.4.1-2.6.4.2所示)。

  2.6.5金属屋面系统上人钢梯和防坠落系镏环设计:为便于金属屋面的维修与清洁维护,文化中心在造型凹沟的隐蔽部位安装有上人钢梯(用钢管制作,表面氟碳喷涂),防坠落系镏环根据屋面的造型设置,间距6米左右,确保屋面清洗人员能够安全清洗整个屋面。防坠落系镏环采用钢板制作(表面氟碳喷涂),穿过外层屋面板的板缝,安装在外层屋面环形钢框架梁上。维修与清洁维护人员经上人钢梯上到屋面,将清洗用的软梯或安全绳索通过卡扣悬挂在防坠落系镏环上,清洁人员在软梯或安全绳索上对屋面进行清洁(如图2.6.5所示)。

  3. 结束语

  受篇幅限制,本篇文章仅介绍了芜湖文化中心异型金属屋面系统的结构与构造设计思路、典型关键节点和相关施工特点。芜湖文化艺术中心采用的双层金属屋面系统,跨度大、整体性强、自重轻、强度高、耐腐蚀,结构美观、可抵消屋面钢结构沉降和温度变化产生的结构变形,屋面隔热保温、隔声效果良好,防潮、排水功能良好,安装施工工艺简单、施工周期短、劳动力投入较少、后期使用的清洗维护成本较低。

  参考文献:

  [1] 《采光顶与金属屋面技术规程》 JGJ 255-2012

  [2] 《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》 CECS 183-2005

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