國(guó)家速滑館適應(yīng)索網(wǎng)變形的柔性屋面構(gòu)造體系研究

孫衛(wèi)華，鄭方，趙衛(wèi)中，董曉玉/SUN Weihua,ZHENG Fang,ZHAO Weizhong,DONG Xiaoyu

國(guó)家速滑館是北京2022 年冬奧會(huì)北京賽區(qū)標(biāo)志性的建筑，也是唯一新建的競(jìng)賽類場(chǎng)館，其獨(dú)特的曲面玻璃幕墻象征著冰和速度，被譽(yù)為“冰絲帶”（Ice Ribbon，圖1），位于北京奧林匹克森林公園西側(cè)，與鳥(niǎo)巢、水立方遙相呼應(yīng)（圖2）。冬奧會(huì)期間，國(guó)家速滑館將承擔(dān)速度滑冰項(xiàng)目（Speed Skating）的比賽和訓(xùn)練；賽后將成為能夠舉辦滑冰、冰球和冰壺等國(guó)際賽事及大眾進(jìn)行冰上活動(dòng)的多功能場(chǎng)館（圖3、4）。

1 國(guó)家速滑館效果圖（圖片來(lái)源：北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司）

2 水冰火的立意對(duì)比（圖片來(lái)源：鄭方）

3 國(guó)家速滑館工程外景（攝影：林志云）

4 國(guó)家速滑館工程夜景（攝影：劉興華）

1 屋面的生成

1.1 屋面形態(tài)的生成邏輯

國(guó)家速滑館秉持“綠色辦奧”理念，將控制制冰運(yùn)行能耗作為綠色節(jié)能設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。速滑館比賽大廳的空間形態(tài)和容積大小是冰場(chǎng)環(huán)境控制和運(yùn)行能耗的關(guān)鍵因素之一，其空間容積越小，就越容易實(shí)現(xiàn)冰場(chǎng)比賽環(huán)境的精準(zhǔn)控制和制冰能耗的節(jié)約運(yùn)行。因此，塑造合理的比賽大廳的空間形態(tài)，特別是選擇合適的屋面形態(tài)是這項(xiàng)工作的第一步。

國(guó)家速滑館圍繞400m 標(biāo)準(zhǔn)速滑競(jìng)賽賽道，打造世界首例“全冰面”速滑場(chǎng)館，其連續(xù)無(wú)縫冰面面積達(dá)11,578m2，為目前世界最大的室內(nèi)人工冰面，環(huán)繞上述競(jìng)賽場(chǎng)地（FOP）連續(xù)布置12,000座看臺(tái)和觀眾休息空間，形成長(zhǎng)軸240m，短軸176m 的場(chǎng)館正橢圓平面（圖5）。在這樣集約的平面基礎(chǔ)上，依據(jù)比賽場(chǎng)地和看臺(tái)凈高需求，頂棚采用沿橢圓短軸（東西）方向兩端隨看臺(tái)升高，沿長(zhǎng)軸（南北）方向兩端隨看臺(tái)降低的一種馬鞍形雙曲面的屋面造型。若保持同樣的比賽大廳平面布局和最高點(diǎn)凈高要求，采用常規(guī)的平屋頂或拱形屋頂（矢高15m），其比賽大廳屋面下的空間容積分別約為620,000m2和760,000m2，而采用馬鞍形態(tài)的屋面則可以壓減非必要的室內(nèi)空間，因此，國(guó)家速滑館比賽大廳的空間容積只有約470,000m2，相比節(jié)省了32%和62%（圖6）?？梢?jiàn)，馬鞍形雙曲面的頂棚是壓減比賽大廳空間容積最為有利的屋面造型（圖7）。

5 國(guó)家速滑館首層平面

6 國(guó)家速滑館容積比較剖面示意（5.6繪制：孫衛(wèi)華）

7 國(guó)家速滑館內(nèi)景（攝影：孫衛(wèi)華）

1.2 屋面結(jié)構(gòu)的選型比較

在確定了國(guó)家速滑館馬鞍形雙曲面屋頂?shù)慕ㄖ螒B(tài)后，下一步就是選擇合適的屋面結(jié)構(gòu)體系。對(duì)比超大跨度空間常見(jiàn)的網(wǎng)架體系、桁架體系和索網(wǎng)體系等3 種屋面結(jié)構(gòu)體系（圖8）：本項(xiàng)目采用網(wǎng)架和桁架方案的結(jié)構(gòu)高度分別為8m 和10m，而索網(wǎng)方案僅有0.2m；三者總體用鋼量差異不大，但索網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)工廠加工，現(xiàn)場(chǎng)地面拼裝，其施工措施費(fèi)遠(yuǎn)低于網(wǎng)架或桁架方案，綜合造價(jià)可節(jié)省約20%，同時(shí)通過(guò)索網(wǎng)軟結(jié)構(gòu)整體提升，索網(wǎng)方案可節(jié)省工期約3 個(gè)月；通過(guò)降低建筑整體高度，可以減小室內(nèi)比賽大廳空間容積約200,000m2，約占比賽大廳空間容積的50%，從而大大降低室內(nèi)運(yùn)行能耗，同時(shí)降低建筑高度還可節(jié)省建筑立面幕墻面積約4800m2，約占整體玻璃幕墻面積的25%?？梢?jiàn)，索網(wǎng)方案在建筑形態(tài)、理念、造價(jià)、運(yùn)行成本、施工工期等各方面相比網(wǎng)架或桁架方案更有優(yōu)勢(shì)，因此國(guó)家速滑館主體屋面最終確定采用馬鞍形單層雙向正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。該屋面索網(wǎng)平面投影為正橢圓形，周邊拉結(jié)于巨型環(huán)桁架上，環(huán)桁架支承于看臺(tái)斜柱上；索網(wǎng)長(zhǎng)軸為穩(wěn)定索，最大跨度198m，拱度7m，共30 道；短軸為承重索，最大跨度124m，垂度8.25m，共49 道；網(wǎng)格平面投影間距4m[1]（圖9）。

8 國(guó)家速滑館屋蓋結(jié)構(gòu)方案對(duì)比簡(jiǎn)圖（繪制：王哲）

9 國(guó)家速滑館結(jié)構(gòu)體系分解圖（繪制：宋剛）

國(guó)家速滑館屋面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)索體總長(zhǎng)度約20,410m，總重量約968t，張拉投影面積約19,300m2，是世界上類似結(jié)構(gòu)中跨度和規(guī)模最大的[2]（圖10、11）。

10 國(guó)家速滑館屋面索結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)（攝影：孫衛(wèi)華）

11 國(guó)家速滑館屋面結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)（圖片來(lái)源：北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司）

2 屋面設(shè)計(jì)的難點(diǎn)分析

2.1 屋面體系適應(yīng)結(jié)構(gòu)變形的需求分析

索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是一種體系受力合理的張力結(jié)構(gòu)，是一種典型的柔性結(jié)構(gòu)和可變體系，其平衡形式隨荷載分布方式而變，在承受荷載過(guò)程中，產(chǎn)生的位移變形較大，并且結(jié)構(gòu)變形會(huì)引起其內(nèi)力重新分布，表現(xiàn)出很強(qiáng)的幾何非線性[3]。表1 統(tǒng)計(jì)了國(guó)家速滑館屋面在特定工況組合下，屋面相對(duì)初始態(tài)的索網(wǎng)位移和變形情況。索網(wǎng)最大向上和向下豎向位移分別為-520mm 和332mm，承重索會(huì)因此相應(yīng)產(chǎn)生52mm 的伸長(zhǎng)變形和206mm 的壓縮變形，穩(wěn)定索則會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生35mm 的壓縮變形和152mm 的伸長(zhǎng)變形。另外，在局部吊掛荷載作用下，索網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)局部較大的變形，在變形最大處的索夾會(huì)產(chǎn)生垂直于索夾平面1°夾角的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化為屋面索網(wǎng)單跨（4m）內(nèi)的平面位移為±20mm。

表1 國(guó)家速滑館屋面典型荷載工況下的豎向變形位移統(tǒng)計(jì)表（繪制：孫衛(wèi)華）

為保證結(jié)構(gòu)安全，我們要求在上述索網(wǎng)變形下，屋面基層構(gòu)造（如檁條、壓型支承板、屋面面板等）附屬構(gòu)件不能對(duì)索網(wǎng)構(gòu)件內(nèi)力產(chǎn)生額外影響，即附屬構(gòu)件不參與主體索網(wǎng)結(jié)構(gòu)受力，也不對(duì)主體索網(wǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生面內(nèi)抵抗作用，只將附屬構(gòu)件承受的外部荷載傳遞給主體索網(wǎng)結(jié)構(gòu)；同時(shí)屋面基層構(gòu)造附屬構(gòu)件也不因主體索網(wǎng)結(jié)構(gòu)受力而產(chǎn)生自身功能性破壞。

同樣，屋面防水面層構(gòu)造、室內(nèi)頂棚構(gòu)造、屋面設(shè)備管線系統(tǒng)等屋面相關(guān)構(gòu)造體系都需要具備這種能適應(yīng)索網(wǎng)柔性屋面結(jié)構(gòu)體系變形的能力。

2.2 直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析

目前國(guó)內(nèi)超大跨鋼結(jié)構(gòu)輕型屋面常見(jiàn)做法為鋼結(jié)構(gòu)+檁條+壓型金屬支承板+保溫層+直立鎖邊金屬面板的金屬屋面系統(tǒng)（圖12）。這種構(gòu)造體系中固定支座僅限制屋面板在板寬方向和上下方向的移動(dòng)，理論上在溫度變化時(shí)，屋面板能夠在固定支座上沿板長(zhǎng)方向自由伸縮，不會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力和溫度變形問(wèn)題[4]。若基于柔性變形的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，一般將上述屋面體系中的固定支座改為滑動(dòng)支座，進(jìn)一步加大其適應(yīng)索網(wǎng)變形的能力[5]。

12 直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)示意（繪制：孫衛(wèi)華）

但工程實(shí)踐中，金屬板和支座之間的滑動(dòng)存在著諸多不確定因素，并且其滑動(dòng)變形需求和咬合力需求是一對(duì)矛盾，往往鎖邊咬合處出現(xiàn)了溫度變形應(yīng)力，從而加重了鎖邊咬合處的抗拉脫能力不足的問(wèn)題，其負(fù)壓抗風(fēng)揭性能明顯較弱。大型公共建筑上屋頂金屬面板被大風(fēng)掀起的工程事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響了這些公共場(chǎng)所的正常使用和運(yùn)營(yíng)，也給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了極大風(fēng)險(xiǎn)和隱患[6]（圖13）。依據(jù)前面國(guó)家速滑館屋面結(jié)構(gòu)變形量分析，在不考慮疊加屋面板本身溫度形變情況下，僅結(jié)構(gòu)變形需要通過(guò)滑動(dòng)支座解決的滑動(dòng)距離最大就有76mm。這個(gè)距離遠(yuǎn)超常規(guī)的屋面變形量，對(duì)直立鎖邊金屬屋面的屋面板和支座都提出了超常的要求，也就意味著更加巨大的風(fēng)險(xiǎn)。另外，國(guó)家速滑館馬鞍形雙曲面造型屋面上還設(shè)置了環(huán)形玻璃天窗、排煙天窗、排水天溝，屋面構(gòu)造復(fù)雜，對(duì)常規(guī)的金屬屋面體系的施工精度和防水性能也提出了巨大的挑戰(zhàn)。

13 典型金屬屋面風(fēng)揭破壞現(xiàn)場(chǎng)（攝影：龍文志）

2.3 屋面排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路分析

國(guó)家速滑館馬鞍形雙曲屋面由于四周幕墻檐口、環(huán)桁架空間結(jié)構(gòu)以及環(huán)形天窗的阻擋，屋面雨水無(wú)法靠重力自然組織形外直接排放，必須進(jìn)行內(nèi)排水組織設(shè)計(jì)。由于馬鞍形雙曲面天然的坡度趨勢(shì)，形成的自然屋面坡度會(huì)將屋面的雨水引向南北兩個(gè)低點(diǎn)區(qū)域匯聚，現(xiàn)有計(jì)算方法很難準(zhǔn)確計(jì)算出屋面雨水的徑流分布并據(jù)此合理布設(shè)排水點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)中必須采取相應(yīng)的措施將屋面的匯水面積進(jìn)行劃分，分散雨水匯聚面積和集中排放壓力；同時(shí)應(yīng)提供可靠的屋面溢流系統(tǒng)，減小超量雨水匯聚造成的屋面局部集中荷載，保證屋面安全。

2.4 屋面防水卷材選型及其構(gòu)造要求分析

由于柔性屋面基層的變形需求，屋面的防水材料首先應(yīng)該具備高性能的彈性拉伸能力，同時(shí)應(yīng)具備優(yōu)異的抗拉伸疲勞能力；其次，防水材料應(yīng)該能適應(yīng)該屋面復(fù)雜曲面的造型，防水材料及其構(gòu)造應(yīng)該具備相當(dāng)?shù)娜嵝孕巫兡芰?，容易施工、便于維護(hù)；第三，防水面層應(yīng)滿足建筑屋頂作為第五立面的美觀需求，符合建筑雙曲面的造型邏輯，表面光滑平整，也能利于雨水的排放和保持屋面清潔；第四，該防水材料應(yīng)該具備可靠的固定構(gòu)造措施，滿足抗風(fēng)揭能力要求；第五，該防水材料應(yīng)該具備大面幅尺寸，減少材料拼縫，降低滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 屋面構(gòu)造設(shè)計(jì)節(jié)能需求分析

我們可以把國(guó)家速滑館比賽大廳看作是一臺(tái)4.2億升的大冰箱，它包括屋面在內(nèi)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能就是節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵因素。設(shè)計(jì)中不僅要保證屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的指標(biāo)合理，減少冷橋構(gòu)造；要統(tǒng)籌自然通風(fēng)和排煙需求，避免過(guò)多的天窗熱損耗，同時(shí)采取必要的遮陽(yáng)構(gòu)造，避免光線直射冰面；還要盡量提高屋面反射系數(shù)，降低屋面吸熱效應(yīng)。另外一方面，國(guó)家速滑館擁有近12,000m2的冰面，光潔平整的冰面會(huì)產(chǎn)生特有的反射效應(yīng)，為降低屋頂對(duì)冰面的熱輻射，需要尋找一種節(jié)能頂棚，來(lái)進(jìn)一步降低冰場(chǎng)的運(yùn)行能耗。

3 屋面體系的技術(shù)創(chuàng)新

3.1 首創(chuàng)的單元式板塊屋面基層體系

面對(duì)上一章節(jié)分析的索網(wǎng)變形需求和常規(guī)金屬屋面適應(yīng)能力的矛盾和風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)變方向，借鑒建筑幕墻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，發(fā)現(xiàn)單元式幕墻的抗結(jié)構(gòu)變形能力、抗震能力都較框架式幕墻有一定的提升。幕墻單元塊是一塊塊工廠整體加工制作的組件，其單元塊的結(jié)構(gòu)本身具有一定的整體剛度。正如索網(wǎng)結(jié)構(gòu)上的玻璃幕墻基本都是采用點(diǎn)支玻璃構(gòu)造（圖14），這些玻璃塊可以理解為一種極至簡(jiǎn)潔的單元體，這也正印證了單元式幕墻適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)變形的能力優(yōu)勢(shì)[7]。同時(shí)，對(duì)于雙曲拋物面索網(wǎng)，當(dāng)其水平投影為正方四邊形網(wǎng)格時(shí)，一個(gè)重要特性為每個(gè)空間網(wǎng)格的4 個(gè)角點(diǎn)共面[8]。此時(shí)，單一索網(wǎng)網(wǎng)格內(nèi)的不同檁條是共面的，具備形成一個(gè)單元整體的前提條件。

14 北京新保利大廈索網(wǎng)玻璃幕墻（攝影：孫衛(wèi)華）

因此，經(jīng)過(guò)多輪行業(yè)專家的專項(xiàng)論證，最終確定國(guó)家速滑館主體索網(wǎng)屋面基層采用國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的單元式板塊體系。該屋面基層由1122 個(gè)相互獨(dú)立的單元板塊平鋪而成，任意相鄰單元板塊之間均設(shè)置變形縫，不產(chǎn)生相互作用力，能夠更好地適應(yīng)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變形需要（圖15）。同時(shí)，板塊全部在工廠加工制作，能夠大大提高屋面基層質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，提升項(xiàng)目的預(yù)制率，又可以大大節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的時(shí)間和人力，給其他工程作業(yè)留出空間和時(shí)間（圖16）。

15 國(guó)家速滑館屋面施工現(xiàn)場(chǎng)航拍（圖片來(lái)源：北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司）

16 國(guó)家速滑館屋面單元板塊施工現(xiàn)場(chǎng)（攝影：孫衛(wèi)華）

3.2 高效的組合式鋼架單元板塊構(gòu)造

上述這1122 個(gè)單元板塊，依據(jù)屋面4m×4m的索網(wǎng)網(wǎng)格、屋面天溝、屋面天窗及索網(wǎng)邊緣邊界條件，被分為標(biāo)準(zhǔn)單元、天溝單元、天窗單元和邊緣異形單元等4 類（圖17）。為了提高單元板塊的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)效率，減少型鋼截?cái)嗪投魏附庸ぷ髁?，本?xiàng)目創(chuàng)造了一種組合式鋼架結(jié)構(gòu)，由標(biāo)準(zhǔn)的鋼柱、角鋼、鋼梁、連接板以及螺栓組合形成。4 根U 型鋼柱通過(guò)水平鋼梁連接形成空間矩形結(jié)構(gòu)體，并可以與索網(wǎng)索夾進(jìn)行固定連接；底層、頂層和側(cè)面的金屬承板通過(guò)螺栓與鋼柱、鋼梁固定，在其內(nèi)部填充滿足熱工性能的保溫材料，形成密閉的屋面單元板塊（圖18）。這種組合式鋼架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，整體性好；可實(shí)現(xiàn)自由組合不同面積大小的鋼架屋面，且鋼架結(jié)構(gòu)之間拆裝方便，大大提高了制作標(biāo)準(zhǔn)化和裝配效率。

17 國(guó)家速滑館屋面單元板塊數(shù)字模型

18 國(guó)家速滑館屋面單元板塊拆分（17.18繪制：宋剛）

3.3 新型的隱形變形縫構(gòu)造

國(guó)家速滑館屋面綜合考慮索網(wǎng)屋面變形和單元板塊安裝需要，屋面板塊之間變形縫的寬度最終確定為90mm。單元板塊四周變形縫密布，總長(zhǎng)度約9000m，并且由于正交網(wǎng)格、屋面天溝、天窗和異形邊界的原因，出現(xiàn)了大量的十字縫、立體縫、異形縫，其分布密度和施工難度均遠(yuǎn)超常規(guī)屋面工程。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中摒棄了常規(guī)屋面變形縫需凸出屋面的防水構(gòu)造做法，創(chuàng)造了一種新型變形縫防水構(gòu)造（圖19）。該變形縫防水層由兩道高彈性防水卷材組成，下層卷材內(nèi)陷于變形縫之中利用長(zhǎng)度冗余適應(yīng)變形需要，并在其上方嵌填保溫材料，避免冷橋同時(shí)作為上層防水卷材的支撐層；上層采用大幅面、高彈性防水卷材跨縫平鋪于屋面單元板塊基層上，利用卷材自身彈性適應(yīng)屋面變形（圖20）。這樣上層防水卷材規(guī)整且拼縫少，可有效掩蓋單元式屋面上的變形縫，使其隱形，而屋面則更加美觀，不易積水，且具有優(yōu)良的防水性和適應(yīng)變形能力（圖21）。

19 國(guó)家速滑館變形縫構(gòu)造節(jié)點(diǎn)（繪制：孫衛(wèi)華）

20 屋面變形縫實(shí)物樣板模型

21 國(guó)家速滑館屋面變形縫施工現(xiàn)場(chǎng)（20.21攝影：孫衛(wèi)華）

3.4 新型的等高線天溝系統(tǒng)

上一章節(jié)中分析了國(guó)家速滑館屋面雨水分區(qū)排放的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)利用數(shù)值模擬軟件，針對(duì)某一單一降水事件，跟蹤模擬不同時(shí)間步長(zhǎng)任意時(shí)刻所產(chǎn)生的徑流水量，根據(jù)模擬結(jié)果，采用設(shè)置屋脊、導(dǎo)水坎以及等高線排水天溝等技術(shù)措施，對(duì)屋面匯水面積進(jìn)行人為劃分，得出最適合的屋面排水區(qū)域劃分方式（圖22）；再利用三維軟件Rhino，在面積均衡的基礎(chǔ)上將分區(qū)邊界設(shè)置為等高條件，將屋面化為9 個(gè)等面積區(qū)域，形成了8 條等高線屋面天溝，并將等高線天溝與外圈環(huán)形天溝連通，形成屋面排水系統(tǒng)；以此為基礎(chǔ)進(jìn)行屋面雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在天溝適當(dāng)位置設(shè)置虹吸雨水斗，后續(xù)再對(duì)此雨水系統(tǒng)的虹吸形成進(jìn)行再次模擬，作為系統(tǒng)的理論驗(yàn)證。在屋面深化設(shè)計(jì)中，根據(jù)板縫排布和三維激光掃描現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)天溝在單元板塊之間的具體位置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。這種新型的屋面分區(qū)方式能夠最大程度地有利于組織雨水匯聚和雨水口的分散設(shè)置，保證雨水系統(tǒng)的高效工作和屋面安全（圖23）。

22 國(guó)家速滑館屋面雨水徑流數(shù)字模型（繪制：李丹）

23 國(guó)家速滑館屋面施工現(xiàn)場(chǎng)航拍（圖片來(lái)源：北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司）

3.5 創(chuàng)新的屋面雨水溢流系統(tǒng)

在上述屋面排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中結(jié)合屋面天溝和虹吸排水系統(tǒng)，發(fā)明了一種排水性能良好的新型雙鞍形屋面溢流系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括屋面天溝、虹吸斗集水井及連通天溝和集水井的溢流管道。其中環(huán)形天溝設(shè)置于雙鞍形屋面環(huán)形天窗的內(nèi)外兩側(cè)，在天溝的側(cè)壁設(shè)置有相互間隔的多個(gè)溢水口，與不銹鋼溢流管道連接。當(dāng)屋面雨水流量超過(guò)設(shè)計(jì)排水能力時(shí)，超量雨水通過(guò)天溝集水井側(cè)壁的溢流口流向溢流管道，自建筑南北兩端的首層室外吊頂上的泄水口排向室外場(chǎng)地，以保障建筑的結(jié)構(gòu)安全和排水安全。

3.6 防水卷材選型與產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)

依據(jù)前文對(duì)國(guó)家速滑館柔性屋面對(duì)防水層的柔性變形的需求分析，設(shè)計(jì)中通過(guò)材料參數(shù)、檢測(cè)試驗(yàn)、實(shí)體模型、現(xiàn)場(chǎng)樣板等方式，重點(diǎn)分析了聚氯乙烯（PVC）、熱塑性聚烯烴（TPO）、三元乙丙橡膠（EPDM) 3 種最常見(jiàn)的屋面高分子防水卷材，綜合對(duì)比它們?cè)诳估瓘?qiáng)度、拉伸性能、抗疲勞性能、耐候性能、材料硬度、質(zhì)感色彩、使用壽命、固定方式、施工措施等多方面的優(yōu)劣表現(xiàn)，最終確定選用彈性好、柔性好、耐候好、幅面大、易施工的三元乙丙橡膠卷材（EPDM)作為屋面防水層材料。

EPDM 卷材通常為黑色，目前只有國(guó)外個(gè)別廠家可以提供白色產(chǎn)品，為此，我們和國(guó)內(nèi)的相關(guān)材料廠商合作，研發(fā)成功了國(guó)內(nèi)第一款白色EPDM 卷材樣品，雖最終由于產(chǎn)品性能調(diào)試周期等問(wèn)題，沒(méi)有在本工程上采用，但客觀上推動(dòng)了國(guó)內(nèi)防水卷材產(chǎn)品的研創(chuàng)工作。

3.7 新型的防水卷材復(fù)合鋪貼構(gòu)造

傳統(tǒng)單層屋面EPDM 卷材常用以下3 種方式固定：空鋪壓頂固定系統(tǒng)、滿粘固定系統(tǒng)、機(jī)械固定系統(tǒng)。由于國(guó)家速滑館復(fù)雜的雙鞍形屋面，且屋面基層為數(shù)個(gè)單元板塊拼裝完成，屋面變形縫密布，對(duì)屋面防水系統(tǒng)長(zhǎng)期的抗風(fēng)揭作用和耐久性能提出了更高的要求。因此，本項(xiàng)目開(kāi)創(chuàng)了一種EPDM 防水卷材采用膠粘滿粘+機(jī)械固定的新型復(fù)合固定安裝系統(tǒng)，不僅提高了屋面整體的抗風(fēng)揭作用效果，使屋面更加安全和耐用，延長(zhǎng)了建筑的耐久年限，而且可以選用更寬泛的EPDM 卷材幅寬，減少了卷材的搭接，提高防水質(zhì)量，降低了材料損耗同時(shí)又節(jié)約了人工成本（圖24）。

24 國(guó)家速滑館屋面防水卷材施工現(xiàn)場(chǎng)

3.8 多效的硅基涂料防水復(fù)合保護(hù)層

目前單層卷材防水屋面，由于卷材及其接縫外露，缺乏有效保護(hù)，隨著使用年限增加，易出現(xiàn)卷材接口開(kāi)裂、卷材局部損壞和老化問(wèn)題。國(guó)家速滑館為避免上述問(wèn)題，同時(shí)最大發(fā)揮EPDM 材料應(yīng)有性能優(yōu)勢(shì)，最終屋面采用白色硅基涂料面層（保護(hù)層）+黑色EPDM 卷材防水層的新型復(fù)合屋面防水層體系，既增強(qiáng)了建筑屋面的防水性、耐久性和觀賞性，延長(zhǎng)了屋面防水卷材的使用壽命；同時(shí)，采用白色面層，又能滿足建筑的冰雪主題和冷屋面（Cool Roof）的節(jié)能要求（圖25）。

25 國(guó)家速滑館屋面硅基涂料施工現(xiàn)場(chǎng)（24.25攝影：孫衛(wèi)華）

3.9 創(chuàng)新的屋面防火隔離系統(tǒng)

為保證本項(xiàng)目消防安全，我們?cè)趪?guó)家速滑館首創(chuàng)了一種適用于卷材防水屋面防火隔離帶系統(tǒng)。這套金屬板防火隔離系統(tǒng)設(shè)置于屋面天溝內(nèi)，不影響屋面的建筑效果，還對(duì)天溝的防水層進(jìn)行保護(hù)；通過(guò)金屬板穿孔構(gòu)造，不會(huì)影響天溝的排水能力，又能滿足屋面的抗風(fēng)揭性能；通過(guò)鋼支架與穿孔金屬板自由端之間形成壓接固定，能夠適應(yīng)屋面主體的結(jié)構(gòu)變形和溫度變形，避免對(duì)屋面防水面層的損壞（圖26）。

26 國(guó)家速滑館屋面防火隔離帶節(jié)點(diǎn)圖（繪制：孫衛(wèi)華）

3.10 節(jié)能的復(fù)合吊頂系統(tǒng)

為了降低頂棚對(duì)冰面的輻射熱負(fù)荷，國(guó)家速滑館比賽大廳冰面上方采用高反射、低輻射、低透射的LowE 膜吊頂。LowE 膜表面有一層特殊的金屬涂層，將其發(fā)射率降低到0.25，其吸收和發(fā)射熱量的能力降低；同時(shí)高反射和低投射性能，將屋頂外來(lái)的熱量反射回去，起到熱屏障的作用，整體可以降低40%的頂棚熱輻射量。同時(shí)，在吊頂LowE膜上方利用鋼絲網(wǎng)隔空設(shè)置玻璃絲棉吸音層，形成頂棚吸音構(gòu)造，比賽大廳內(nèi)的聲波通過(guò)膜材料的微孔進(jìn)入空氣層，再到吸音棉層，綜合吸聲系數(shù)（NRC）可達(dá)0.9。這種創(chuàng)新性的節(jié)能吸聲復(fù)合吊頂，平行懸吊于屋面索網(wǎng)下方，形成內(nèi)外一致、飄逸靈動(dòng)的空間效果（圖27）。

27 國(guó)家速滑館室內(nèi)吊頂實(shí)景（攝影：孫衛(wèi)華）

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，本文首先復(fù)盤(pán)了屋面設(shè)計(jì)圍繞綠色節(jié)能和結(jié)構(gòu)最優(yōu)的理性推導(dǎo)過(guò)程，闡述了國(guó)家速滑館柔性屋面的生成邏輯，提出屋面變形需求這一核心問(wèn)題；再通過(guò)屋面變形的量化數(shù)據(jù)和常規(guī)金屬屋面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面，分析了屋面系統(tǒng)適應(yīng)索網(wǎng)變形的諸多技術(shù)挑戰(zhàn)和進(jìn)行系統(tǒng)性技術(shù)創(chuàng)新的必要性；最終本項(xiàng)目屋面設(shè)計(jì)中以創(chuàng)造性的單元式屋面板塊基層為基礎(chǔ)，通過(guò)防水材料、變形構(gòu)造、排水系統(tǒng)、復(fù)合吊頂?shù)榷喾N創(chuàng)新性的措施，首創(chuàng)了一種金屬單元柔性屋面系統(tǒng)，解決了屋面系統(tǒng)適應(yīng)索網(wǎng)變形的問(wèn)題，兼顧了建筑效果、屋面安全、圍護(hù)節(jié)能等設(shè)計(jì)要求，填補(bǔ)了裝配式模塊化屋面系統(tǒng)的空白。

對(duì)國(guó)家速滑館“冰絲帶”索網(wǎng)雙曲面柔性屋面體系開(kāi)展研究，既是對(duì)其設(shè)計(jì)過(guò)程的梳理和設(shè)計(jì)理念的剖析，也凸顯了該屋面體系在促進(jìn)建筑全生命周期的綠色低碳運(yùn)行，提高建造預(yù)制率，控制施工周期和工程造價(jià)等方面的比較優(yōu)勢(shì)，具備了對(duì)類似超大跨空間場(chǎng)館核心技術(shù)系統(tǒng)建設(shè)的推廣價(jià)值，也更加彰顯了國(guó)家速滑館屋面體系技術(shù)創(chuàng)新的示范意義?！?/p>