深圳國(guó)際會(huì)展中心雙曲幕墻屋面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

徐 強(qiáng) 劉樹鵬 深圳市方大建科集團(tuán)有限公司

1 前言

深圳國(guó)際會(huì)展中心位于粵港澳大灣區(qū)灣頂，其南鄰深圳寶安國(guó)際機(jī)場(chǎng)、北鄰空港新城，是集展覽、會(huì)議、旅游、購(gòu)物、服務(wù)于一體的綜合會(huì)展類建筑群。作為全球最大的會(huì)展中心，其總建筑面積達(dá)158 萬(wàn)平方米，建筑面積相當(dāng)于6 座“鳥巢”，包含18 個(gè)兩萬(wàn)平方米標(biāo)準(zhǔn)展廳、1 個(gè)四萬(wàn)平方米展廳、1 座南北向約1800m 長(zhǎng)中央廊道、2個(gè)登錄大廳及11棟附屬建筑，東西向?qū)挒?40m。深圳國(guó)際會(huì)展中心創(chuàng)造多項(xiàng)世界之最，也是目前世界上建筑面積最大的單體建筑，其中最引人矚目的當(dāng)屬中央廊道屋面，作為全球長(zhǎng)度最長(zhǎng)的金屬屋面其南北向長(zhǎng)約1800m，東西向?qū)挒?2.5m，貫穿南北，聯(lián)通東西。整個(gè)中廊屋面呈雙曲造型，蜿蜒起伏，恢宏大氣，猶如龍騰四海般包羅萬(wàn)象，充分展現(xiàn)了作為中國(guó)改革前沿的深圳蓬勃發(fā)展的繁榮景象（圖1、圖2）。

圖1 深圳國(guó)際會(huì)展中心屋面效果圖

圖2 深圳國(guó)際會(huì)展中心屋面施工現(xiàn)場(chǎng)照片

深圳國(guó)際會(huì)展中心中央廊道雙曲屋面主體結(jié)構(gòu)采用分叉柱支撐的空間鋼結(jié)構(gòu)，由平面模擬雙曲面，主體鋼梁呈菱形分布，菱形對(duì)角線長(zhǎng)約為9m×6m左右，菱形邊長(zhǎng)約6.5m左右，整個(gè)雙曲屋面約2200個(gè)菱形，每個(gè)菱形尺寸接近但不相同，屋面主體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，中央廊道雙曲屋面幕墻形式主要包括五個(gè)系統(tǒng)：屋面金屬板和采光玻璃幕墻系統(tǒng)、屋面吊頂格柵系統(tǒng)、屋面排水溝及外包鋁板幕墻系統(tǒng)、屋面兩側(cè)導(dǎo)雨百葉系統(tǒng)和屋面防墜落系統(tǒng)。下面對(duì)深圳國(guó)際會(huì)展中心中央廊道雙曲屋面幕墻設(shè)計(jì)的重點(diǎn)、要點(diǎn)進(jìn)行介紹和分析。

2 雙曲屋面幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于屋面整體呈雙曲造型，但主體鋼結(jié)構(gòu)是由平面模擬雙曲面，使得每個(gè)菱形格尺寸大小不等，且菱形格內(nèi)的南、北兩個(gè)小三角形不共面，有2°～8°夾角，鋼梁與鋼梁之間的跨度也較大，達(dá)6.5m，對(duì)角線更是長(zhǎng)達(dá)9m。根據(jù)主體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工難度和工期要求，幕墻主龍骨采用了單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

a）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)兼有桿件結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)的主要特性，受力合理，可以跨越較大的跨度。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是典型的空間結(jié)構(gòu)，合理的曲面可以使結(jié)構(gòu)力流均勻，結(jié)構(gòu)具有較大的剛度，結(jié)構(gòu)變形小，穩(wěn)定性高，節(jié)省材料。

b）具有優(yōu)美的建筑造型，無(wú)論是建筑平面、外形和形狀都能給設(shè)計(jì)師以充分的創(chuàng)作自由。薄殼結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)的形態(tài)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)幾乎都可以實(shí)現(xiàn)。既能表現(xiàn)靜態(tài)美，又能通過(guò)平面和立面的切割以及網(wǎng)格、支撐與桿件的變化表現(xiàn)動(dòng)態(tài)美。

c）應(yīng)用范圍廣，既可以用于中、小跨度的民用和工業(yè)建筑，也可用于大跨度的各種建筑，特別是超大跨度的建筑。在建筑平面上可以適應(yīng)多種形狀，如圓形、矩形、多邊形、扇形以及各種不規(guī)則的平面，在建筑外形上可以形成多種曲面。

d）可以用小的構(gòu)件組成很大的空間，而且桿件單一，這些構(gòu)件可以在工廠預(yù)制實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，安裝簡(jiǎn)便快速，適應(yīng)采用各種條件下的施工工藝，不需要大型設(shè)備，因此綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好。

e）計(jì)算方便。目前我國(guó)已有許多適用于多種計(jì)算機(jī)類型的各種語(yǔ)言的計(jì)算軟件，為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的計(jì)算、設(shè)計(jì)和應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。

f）由于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)呈曲面形狀，形成了自然排水功能，不需像網(wǎng)架結(jié)構(gòu)那樣采用小立柱找坡。

深圳國(guó)際會(huì)展中心中央廊道雙曲屋面幕墻網(wǎng)殼桿件采用180m×100m 矩形鋼通，沿主曲率方向布置，即與主梁平行，分格劃分為沿主梁方向邊長(zhǎng)的四等分，菱形9m對(duì)角線設(shè)置鋼通將菱形分割為兩個(gè)三角形，三角形之間形成夾角，菱形格四邊采用18#槽鋼，每個(gè)菱形格為一榀大鋼架，整榀吊裝，吊裝到位后槽鋼對(duì)拼，形成整體網(wǎng)殼（圖3、圖4）。

圖3 雙曲屋面幕墻龍骨現(xiàn)場(chǎng)照片1

圖4 雙曲屋面幕墻龍骨現(xiàn)場(chǎng)照片2

每榀菱形鋼架采用8點(diǎn)支撐，其四角和四邊中心各設(shè)置支座支撐，支座設(shè)計(jì)為鉸支座，釋放溫度應(yīng)力。鋼架網(wǎng)殼采用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000（Structure Analysis Program 2000）進(jìn)行三維非線性動(dòng)力分析和設(shè)計(jì)，SAP2000是一種集成化的通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件，可以對(duì)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體性能分析并提出解決方案，主要適用于模型比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如橋梁、體育場(chǎng)、工業(yè)建筑、網(wǎng)架等結(jié)構(gòu)形式，目前已在工程界得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)SAP2000 設(shè)計(jì)分析，有力保證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和安全性。本項(xiàng)目屋面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)計(jì)算按50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓值0.75kN/m2A 類和風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告對(duì)比，二者較大值作為計(jì)算依據(jù)，充分考慮了風(fēng)荷載、自重荷載、活荷載、溫度荷載和地震荷載的影響，通過(guò)多種荷載組合的對(duì)比，選取最不利組合進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性分析驗(yàn)算（圖5、圖6）。

圖5 雙曲屋面幕墻龍骨強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算

圖6 雙曲屋面幕墻龍骨剛度驗(yàn)算

3 雙曲屋面金屬板和采光玻璃幕墻設(shè)計(jì)

3.1 金屬板塊

中央廊道雙曲屋面金屬板幕墻占整個(gè)屋面面積的90%左右，為本項(xiàng)目最主要的幕墻系統(tǒng)。本文所述金屬板幕墻或金屬屋面的金屬板塊、鋁板板塊是指外飾面由3mm 厚鋁單板和內(nèi)飾面由2mm 厚鋁單板組合而成的夾心板，夾心板中間填充50mm 厚隔音巖棉，內(nèi)外飾面表面處理均采用氟碳噴涂，由鋁合金龍骨支承并連接，使其形成既有內(nèi)、外裝飾性，又能滿足防水、保溫、隔聲等各項(xiàng)金屬板幕墻和金屬屋面所需要的物理性能指標(biāo)，易于裝配的金屬板塊系統(tǒng)（圖7、圖8）。

圖7 金屬板塊三維示意圖

圖8 金屬板塊和玻璃板塊現(xiàn)場(chǎng)施工照片

這種板塊最大的特點(diǎn)是：金屬板塊全部在工廠加工制作，便于對(duì)板塊的加工質(zhì)量和精度進(jìn)行控制，在工地現(xiàn)場(chǎng)只進(jìn)行板塊的裝配式吊裝，板塊裝配到位后，在完成建筑立面和屋面的使用功能的同時(shí)，能一次性完成外飾和內(nèi)飾效果，不再對(duì)室內(nèi)、外進(jìn)行面層裝飾，節(jié)省了大量的時(shí)間和費(fèi)用。

本項(xiàng)目屋面金屬板均為菱形板塊，邊長(zhǎng)尺寸約為1.5m×1.5m，內(nèi)、外飾面鋁板通過(guò)鋁合金型材副框組合而成，并每隔500mm 設(shè)置“幾”字型鋁合金加強(qiáng)筋支撐，副框與外飾3mm 鋁板采用折邊鉚釘固定，并在背面打結(jié)構(gòu)膠，加強(qiáng)筋與副框采用角碼連接，加強(qiáng)筋與面板采用種焊螺栓和結(jié)構(gòu)膠連接，與內(nèi)飾面板鉚釘拉接。內(nèi)外飾面板形成整體，共同承受風(fēng)荷載和地震荷載，并采用幾何非線性的有限元方法進(jìn)行計(jì)算。為降低噪音和熱輻射，在內(nèi)外飾面板中間填充50mm 厚隔音巖棉，金屬板塊通過(guò)鋁合金壓塊與鋁合金龍骨機(jī)械連接，詳細(xì)節(jié)點(diǎn)做法見圖9、圖10所示。

圖9 金屬板幕墻節(jié)點(diǎn)做法

圖10 金屬板和鋁合金龍骨連接節(jié)點(diǎn)

3.2 采光玻璃面板

圖11 采光玻璃幕墻節(jié)點(diǎn)做法

圖12 采光玻璃幕墻四性試驗(yàn)照片

采光玻璃幕墻僅占整個(gè)屋面面積的10%左右，玻璃配置為12mm+1.52PVB+12mm 超白鋼化夾膠玻璃，采用鋁合金副框+結(jié)構(gòu)膠組框形式，并在玻璃每邊設(shè)置兩個(gè)圓形不銹鋼壓塊壓住玻璃，增加面板的安全可靠性和抗風(fēng)掀性能。玻璃面板在工廠打膠組框，保證打膠質(zhì)量，玻璃面板與鋁合金龍骨連接做法與上述金屬板幕墻類似，在此不再贅述，詳細(xì)節(jié)點(diǎn)做法見圖11、圖12所示。

3.3 三角形交接面板塊連接設(shè)計(jì)

由于深圳國(guó)際會(huì)展中心中央廊道屋面為雙曲面，為便于面板加工和現(xiàn)場(chǎng)施工，屋面面板采用平面模擬雙曲面做法，即按主體結(jié)構(gòu)大菱形格劃分，將大菱形格內(nèi)分為兩個(gè)大三角形，三角形內(nèi)所有面板均為共面，但在兩個(gè)大三角形交接處不可避免的會(huì)產(chǎn)生折線夾角（圖13）。且由于每個(gè)菱形格大小尺寸不一，導(dǎo)致二面角也不相同，從172°漸變至178°，如果仍按常規(guī)副框設(shè)計(jì)，則副框開模數(shù)量巨大，也不便于材料組織和工廠組裝，而面板編號(hào)數(shù)量巨大，給現(xiàn)場(chǎng)安裝也帶來(lái)很大影響。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁合金副框，如圖14所示，金屬板塊副框型材分為固定副框和活動(dòng)副框兩部分，其中固定副框主要用來(lái)板塊組框，活動(dòng)副框用來(lái)調(diào)整角度，二者通過(guò)球型鉸連接，可以調(diào)節(jié)正負(fù)6°～7°，完全滿足面板二面角調(diào)節(jié)需求。同時(shí)，球型鉸是從一端穿入，為通長(zhǎng)設(shè)置，受力性能良好。由此也大大減少了型材開模數(shù)量，降低了材料組織和工廠組裝難度，提高了現(xiàn)場(chǎng)安裝效率。

圖13 二面角示意圖

圖14 三角形交接處面板連接節(jié)點(diǎn)

4 雙曲屋面防水構(gòu)造設(shè)計(jì)

深圳國(guó)際會(huì)展中心中央廊道雙曲屋面寬度方向呈弧形造型，長(zhǎng)度方向呈高低起伏變化，屬于典型的坡屋面，根據(jù)GB 50693—2011《坡屋面工程技術(shù)規(guī)范》第3.2.3條規(guī)定“大型公共建筑、醫(yī)院、學(xué)校等重要建筑屋面的防水等級(jí)為一級(jí)”，故本項(xiàng)目屋面防水應(yīng)按一級(jí)設(shè)計(jì)。

4.1 面板接縫防水設(shè)計(jì)

防水性能是屋面最重要的物理性能指標(biāo)之一，如何確保屋面不漏水是設(shè)計(jì)必須考慮的問題。屋面板塊與板塊之間膠縫作為第一道防水措施是設(shè)計(jì)首先必須要考慮的。為了保證膠縫在各種工況下能實(shí)時(shí)保證氣密和水密性能要求，需要設(shè)計(jì)多寬的膠縫才能滿足？需要采用何種密封材料？根據(jù)GB 50345—2012《屋面工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：

a）接縫寬度應(yīng)按屋面接縫位移量計(jì)算確定；

b）接縫的相對(duì)位移量不應(yīng)大于可供選擇密封材料的位移能力；

c）應(yīng)根據(jù)屋面接縫變形的大小以及接縫的寬度，選擇位移能力相適應(yīng)的密封材料。

本項(xiàng)目屋面90%為金屬鋁板，10%為玻璃，而鋁板線膨脹系數(shù)是玻璃的2.35 倍，故本文僅考慮鋁板與鋁板之間膠縫的設(shè)計(jì)。參考JGJ 102—2013《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》條文說(shuō)明相關(guān)規(guī)定，鋁板與鋁板之間膠縫寬度需要經(jīng)過(guò)計(jì)算確定，計(jì)算公式如下：

式中：

Ws——膠縫寬度，mm；

α——面板材料的線膨脹系數(shù)，鋁板材料線膨脹系數(shù)為2.35×10-5/℃；

ΔT——面板年溫度變化，鋁板外表面最大溫差可取100℃；

δ——硅酮密封膠允許的變位承受能力，本項(xiàng)目按大變位50級(jí)密封膠計(jì)算，即取0.5；

b——計(jì)算方向面板的邊長(zhǎng)，鋁板計(jì)算方向邊長(zhǎng)取1600mm；

dc——施工偏差，可取為3mm；

de——考慮地震作用等其他因素影響的預(yù)留量，可取2mm。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，按大變位密封膠計(jì)算的膠縫寬度為：

若按常規(guī)密封膠計(jì)算，即δ取0.2，則膠縫寬度：

通過(guò)計(jì)算對(duì)比發(fā)現(xiàn)，常規(guī)密封膠用于屋面時(shí)需設(shè)計(jì)較寬的膠縫，對(duì)屋面外觀效果影響較大。所以本項(xiàng)目屋面鋁板與鋁板膠縫按20mm 設(shè)計(jì)，密封膠采用大變位硅酮密封膠，同時(shí)采用雙道打膠工藝，保證屋面第一道防水效果能達(dá)到本項(xiàng)目水密性能要求（圖9、圖10）。

4.2 二道防水構(gòu)造設(shè)計(jì)

屋面面板接縫作為第一道防水措施，其采用的密封膠難免會(huì)因反復(fù)拉伸、陽(yáng)光暴曬、紫外線致老化、現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量等各種因素影響而撕裂導(dǎo)致雨水滲漏，故設(shè)計(jì)二道防水構(gòu)造是十分必要的。

圖15 鋁合金龍骨拼接處防水構(gòu)造設(shè)計(jì)

深圳國(guó)際會(huì)展中心中央廊道屋面分格劃分按一定規(guī)律及圖案交錯(cuò)布置，幕墻龍骨沿分格布置，接頭處多呈“十”字和“米”字型，實(shí)際工程案例中屋面漏水往往是因?yàn)榻宇^位置沒有處理好，導(dǎo)致滲漏水沿接縫往下滴水，故龍骨接頭位置防水構(gòu)造設(shè)計(jì)是二道防水的重點(diǎn)。本項(xiàng)目在承托面板的鋁合金龍骨上設(shè)計(jì)了“U”型擋邊，型材內(nèi)滿鋪EPDM-S 橡膠水槽，形成第二道柔性防水體系，在龍骨交接處采用了壓鑄成型的成品EPDM-S橡膠模，解決了龍骨接縫處的防水難題。成品橡膠模與橡膠水槽對(duì)接處留縫打膠，再加蓋薄膠皮并周邊打膠密封，EPDM-S橡膠能夠很好的和硅酮膠相容，且具有一定的粘結(jié)性能，能很好地適應(yīng)水槽的變形、變位，保證對(duì)接縫不撕裂、不滲漏，達(dá)到防水效果（圖15、圖16）。

圖16 鋁合金龍骨拼接處防水構(gòu)造現(xiàn)場(chǎng)照片

5 雙曲屋面排水天溝設(shè)計(jì)

排水天溝的作用是收集雨水，并能通過(guò)排水管系統(tǒng)有組織的迅速將雨水排出。天溝設(shè)計(jì)時(shí)除應(yīng)充分考慮其自身的排水、引水功能外，還要考慮到排水天溝是整個(gè)屋面系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，其功能要完整，特別是在保溫、隔熱、隔聲及裝飾性上要根據(jù)不同的項(xiàng)目進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)。一般要求在天溝金屬槽的室內(nèi)側(cè)可視部分設(shè)置裝飾面板，在裝飾面板與天溝面板內(nèi)部填充隔音棉減少噪音。

本項(xiàng)目根據(jù)屋面造型特點(diǎn)，將排水天溝設(shè)置在南、北兩側(cè)邊沿，排水天溝采用3mm 奧氏體316不銹鋼U 型天溝，用鋼通龍骨支撐，不銹鋼水槽底部設(shè)置1.5mm厚TPO防水卷材，排水槽底部可視部位采用3mm 氟碳噴涂鋁板進(jìn)行裝飾，鋁板與不銹鋼中空部分采用100mm 厚隔音棉填充密實(shí)，并在隔音棉下表面鋪設(shè)0.3mm厚隔汽膜，防止隔音棉受潮發(fā)霉。水槽內(nèi)設(shè)置了虹吸雨水管，由于水槽東、西方向坡道較大，為防止水槽內(nèi)匯聚的雨水流速、水量過(guò)大導(dǎo)致虹吸失效，故在水槽內(nèi)每隔4.5m設(shè)置了不銹鋼阻水板裝置，有效控制水流速度，并阻止異物進(jìn)入虹吸堵塞水管。排水天溝有效截面面積經(jīng)過(guò)計(jì)算確定，并且為防止虹吸堵塞情況下雨水上翻至屋面，在虹吸附近設(shè)置了溢流口，詳細(xì)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)見圖17所示。

圖17 不銹鋼排水天溝節(jié)點(diǎn)做法

6 雙曲屋面吊頂格柵設(shè)計(jì)

深圳國(guó)際會(huì)展中心中央廊道雙曲屋面主體鋼結(jié)構(gòu)下面設(shè)計(jì)了格柵吊頂，用以遮擋或弱化屋面幕墻內(nèi)部構(gòu)件。格柵吊頂采用直徑150mm鋁合金圓管，沿中廊南北長(zhǎng)度方向布置，并在主體鋼梁底部按一定規(guī)律設(shè)置150mm 和50mm 兩種大小不同的分縫，設(shè)置大小不同的分縫目的是：一方面是考慮將整個(gè)吊頂劃分成菱形，與鋼結(jié)構(gòu)菱形對(duì)應(yīng)，使得單一的吊頂呈現(xiàn)多樣化的視覺效果；另一方面是考慮屋面整體呈雙曲造型，格柵圓管現(xiàn)場(chǎng)整體吊裝難以達(dá)到很高的精度，圓管與圓管之間很難對(duì)齊，按大小分縫的方法可以弱化安裝誤差，消除圓管不對(duì)齊造成的視覺影響（圖18、圖19）。

圖18 吊頂格柵現(xiàn)場(chǎng)施工照片

圖19 吊頂格柵現(xiàn)場(chǎng)施工夜景照片

圖20 吊頂格柵鋼龍骨照片

本項(xiàng)目吊頂格柵采用裝配式吊裝方式，每個(gè)大菱形格為一榀單元，通過(guò)鋼圓管龍骨將格柵圓管組裝為一榀，格柵鋼龍骨在工廠完成，格柵圓管在工廠加工好，再統(tǒng)一運(yùn)輸?shù)焦さ噩F(xiàn)場(chǎng)，在地面完成格柵單元組裝和吊裝（圖20、圖21）。

7 結(jié)束語(yǔ)

深圳國(guó)際會(huì)展中心聚集了國(guó)內(nèi)外頂尖的建筑設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和幕墻公司，經(jīng)過(guò)幾年艱苦奮斗終于呈現(xiàn)出嶄新的面貌，筆者有幸參與建設(shè)倍感榮幸。其中，中央廊道雙曲屋面幕墻是施工難度最大、工期最短的一部分，在建設(shè)過(guò)程中匯聚了我們幕墻設(shè)計(jì)師的智慧和心血，本文所介紹的內(nèi)容和設(shè)計(jì)方案也是我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)和實(shí)踐中的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，受篇幅所限不能詳述，僅簡(jiǎn)要闡述雙曲屋面幕墻的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，供幕墻設(shè)計(jì)師參考。

圖21 吊頂格柵單元組裝照片