哈爾濱大劇院金屬屋面積雪、積冰防墜落設(shè)計(jì)淺析

劉會英 LIU Huiying

山西凱的建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃有限公司

生活在北方的人應(yīng)該對屋面積雪、積冰現(xiàn)象不陌生，在一些村莊，這樣的狀態(tài)能保持整個(gè)冬天，還成為了獨(dú)特的景色。但人們很少關(guān)注的是，在春回大地、冰雪消融的時(shí)候，建筑的屋檐往往會掛起成排的冰凌，有時(shí)還會帶著屋頂?shù)姆e雪一起滑落下來，對行人和房屋造成危害。所以在北方，屋面除冰是人們經(jīng)常面臨的一個(gè)問題。

近年來，大型公共建筑屋頂積雪、積冰墜落事件在國內(nèi)外時(shí)有發(fā)生，造成了一些人身和財(cái)產(chǎn)損失，而解決這一問題的方法多停留在傳統(tǒng)的人工除冰和后期清掃上，耗時(shí)耗力、效果不佳。本文結(jié)合哈爾濱大劇院項(xiàng)目，通過分析高寒多雪地區(qū)公共建筑屋面積雪防滑、防墜落問題，結(jié)合建筑立面設(shè)計(jì)、金屬屋面構(gòu)造系統(tǒng)設(shè)計(jì)等諸多因素，提出針對這一問題的解決方案。

1 項(xiàng)目簡介

哈爾濱大劇院位于哈爾濱市松北區(qū)文化中心島內(nèi)，項(xiàng)目總建筑面積79 396m2，包括大劇院（1 527座）、小劇場（414座）、地下車庫及附屬配套用房等，建筑高度56.48m。建筑造型自由流暢，屋面起伏多變，好似隨風(fēng)隆起的雪山，又好似山舞銀蛇，婀娜多姿，體現(xiàn)了北國風(fēng)光大地景觀的設(shè)計(jì)理念（圖1）。

業(yè)主：哈爾濱市松北投資發(fā)展集團(tuán)有限公司

建設(shè)地點(diǎn)：哈爾濱市松北區(qū)文化中心島內(nèi)

建筑設(shè)計(jì)：MAD 建筑師事務(wù)所

主持建筑師：馬巖松、黨群、早野洋介

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：Jordan Kanter、Daniel Gillen、Bas van Wylick劉會英、傅昌瑞、趙偉、李健、鄭芳、Julian Sattler Jackob Beer、J Travis Russett、Sohith Perera Colby Thomas Suter、于魁、Philippe Brysse、黃偉Flora Lee、王偉、謝怡邦、Lyo Hengliu Alexander Cornelius、Alex Gornelius、毛蓓宏Gianantonio Bongiorno、Jei Kim、陳元宇、于浩臣、覃立超Pil-Sun Ham、Mingyu Seol、林國敏、張海峽、李廣崇Wilson Wu、馬寧、Divide Signorato、Nick Tran、向玲Gustavo Alfred Van Staveren、楊杰

幕墻顧問：英海特幕墻顧問公司、中國京冶工程技術(shù)有限公司

幕墻施工：沈陽遠(yuǎn)大鋁業(yè)工程有限公司

總建筑面積：79 396m2

設(shè)計(jì)時(shí)間：2010.04

建成時(shí)間：2015.10

圖片版權(quán)：MAD 建筑師事務(wù)所

2 屋面除雪、除冰的案例研究

他山之石，可以攻玉。首先了解現(xiàn)有屋面的除雪、除冰方式，通常有以下四種。

（1）人工手動清掃

人工手動清掃常見于普通民宅的屋面積雪處理，適用于屋面面積較小、檐口高度不高的建筑，一般情況下人在地面上利用加長桿的雪鏟便可完成除雪操作。這種方式成本低，操作靈活，可根據(jù)需要隨時(shí)除雪、除冰；但完全由人工手動完成，勞動量較大，效率不高。

（2）人工+機(jī)械吹噴

人工+機(jī)械吹噴多用于屋面相對大一些的民宅和公共建筑，一般由操作熟練的專業(yè)人員攜帶專業(yè)工具和安全防護(hù)措施進(jìn)行操作。這種方式需要專業(yè)人員配合專業(yè)機(jī)具，效率高、效果好、省時(shí)省力；但對清掃人員的專業(yè)性要求較高，且具有一定的危險(xiǎn)性。

（3）市政除雪車

市政除雪車適用于屋面大、檐口比較高的大型公共建筑，一般情況下由市政部門安排專業(yè)的高空除雪車進(jìn)行除雪，但也只是在具備這樣條件的城市市政部門才能提供此類服務(wù)。其優(yōu)點(diǎn)是功率大、效率高，可對面積較大的屋面進(jìn)行清理；但所需的費(fèi)用較高，一些普通的城市或偏遠(yuǎn)的市區(qū)并不具備這樣的條件。

（4）主動式防積雪、積冰墜落措施

除了以上三種清掃方式外，還可在屋面特定區(qū)域鋪設(shè)電伴熱的發(fā)熱電纜或融雪板，預(yù)防或減少屋面檐口及重要部位的積雪、積冰。這種方式可以有針對性地進(jìn)行鋪設(shè)，隨時(shí)打開電源融雪、融冰，且無需人工操作；但造價(jià)相對較高，電纜有老化和使用年限，而且需要專業(yè)工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行鋪設(shè)。此外，當(dāng)冰雪融化成水后，需經(jīng)由屋面排水系統(tǒng)排走，從而達(dá)到除雪、除冰的目的，所以這種方式一般用于比較重要的大型公共建筑，對造價(jià)的要求較高。

3 屋面積雪原理分析

1 哈爾濱大劇院冬景

2 屋面積雪分布圖

對建筑工程來說，每個(gè)項(xiàng)目都有其自身的特殊情況，很多問題不能一概而論，也不能簡單地照葫蘆畫瓢。因此，除了研究案例尋找解決方案，還需要在理論分析、設(shè)計(jì)原理和安全計(jì)算的基礎(chǔ)上總結(jié)出一整套可行的方案。在查閱了大量國內(nèi)外規(guī)范、設(shè)計(jì)資料后，我們發(fā)現(xiàn)國內(nèi)很少有關(guān)于屋面積雪、積冰防墜落的資料，只在建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范[1]里有一些關(guān)于屋面雪荷載的取值標(biāo)準(zhǔn)和基本雪壓規(guī)定，以及屋面積雪分布分析。

在附錄E基本雪壓、風(fēng)壓和溫度的確定方法中，對積雪分布保持均勻及局部積雪變異特別大的地區(qū)，提出了專門調(diào)查和特殊處理的要求，但并沒有給出具體的調(diào)查分析和設(shè)計(jì)處理方法。

于是，我們將目光投向國外，在北美、北歐和俄羅斯等國家和地區(qū)，對此類問題有較為豐富的研究和指導(dǎo)資料，本文借鑒美國的相關(guān)規(guī)定作為參考來分析和尋求解決方案。美國的相關(guān)規(guī)范[2]在提出屋面積雪的清除方案之前，對降雪類型、雪重范圍、降雪率、風(fēng)雪荷載以及環(huán)境溫度、風(fēng)對積雪的影響等都提供了詳細(xì)的分析方法，并且對不同的屋面結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類比較。不同的屋面結(jié)構(gòu)材料、不同的跨度，都有不同的處理方式。此外，規(guī)范中還提出了預(yù)防和監(jiān)控積雪對建筑持續(xù)產(chǎn)生不利影響的方法和策略，在這里就不一一列舉，僅選擇對分析和解決本項(xiàng)目有借鑒意義的方法和原理進(jìn)行分析和研究。

首先，對屋面積雪情況進(jìn)行全面分析。如圖2所示，積雪在屋面的不同區(qū)域分布不同，有些地方積雪厚度非常大，而有些地方則很少。這就意味著在較大降雪量的情況下，積雪會給屋面帶來非常不均勻的外部荷載，而這種荷載還會隨著時(shí)間和溫度的變化而改變。圖3反映了屋面的積雪會受到風(fēng)向的影響，在不同風(fēng)向和屋面形狀的共同作用下，同一片屋面的積雪分布情況相差很大。圖4則顯示了積雪在屋面不同區(qū)域的堆積情況，一般情況下屋面的凹陷區(qū)域是積雪較大的區(qū)域，而高低跨屋面的積雪則會形成局部的滑移。

其次，分析屋面形成積冰的原理。如圖5所示，一般情況下坡屋面的檐口處是最容易形成積冰的區(qū)域，因?yàn)樵趬γ婧臀菝孓D(zhuǎn)折交接的部位最易形成冷橋，建筑室內(nèi)外的熱量在此進(jìn)行交換，從而形成積冰。這種情況在平屋面也同樣會出現(xiàn)，但原因有所不同，平屋面與墻面轉(zhuǎn)折部位常常設(shè)置排水的檐溝，使雪水集中在此，形成積冰區(qū)域。圖6展示了消除檐口積冰的原理，即如果在積雪的表層屋面和內(nèi)層屋面之間有一個(gè)空腔，則檐口處就會相對不容易積冰，冷橋部位的熱空氣會隨著空腔向上流動、擴(kuò)散出去，從而使上層的積雪底部保持相同的溫度，這樣就不會形成局部的積冰情況。

3 主風(fēng)向下的屋面積雪分布示意圖

4 積雪滑移分布示意圖

最后，考慮防止屋面積雪、積冰墜落的方法和構(gòu)造。在檐口附近按照一定的間距布置防止積雪、積冰墜落的掛雪措施，可以有效減少墜落的情況，同時(shí)為清掃爭取時(shí)間。

5 屋面積冰示意圖

6 屋面防積冰示意圖

4 哈爾濱大劇院金屬屋面積雪、積冰的防墜落設(shè)計(jì)

經(jīng)過以上分析和資料研究后，結(jié)合實(shí)際情況，我們對哈爾濱大劇院積雪、積冰的防滑、防墜落設(shè)計(jì)有了清晰的解決思路和方法（圖7，8）。

4.1 設(shè)定合理、保險(xiǎn)的屋面雪荷載取值

以國內(nèi)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定為依據(jù)，設(shè)定合理、保險(xiǎn)的屋面雪荷載取值。依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012），以續(xù)表E.5中關(guān)于基本風(fēng)壓、雪壓的取值規(guī)定，考慮到項(xiàng)目所在區(qū)域的位置、項(xiàng)目的重要性，經(jīng)結(jié)構(gòu)工程師和幕墻顧問共同研究決定按最不利荷載工況核算，以高于重現(xiàn)期100年的基本雪壓進(jìn)行取值，將基本雪壓定為0.7kN/m2。按續(xù)表7.2.1中第6種情況“多跨單坡屋面（鋸齒形屋面）”對屋面、天窗及室外人行步道處的積雪分布系數(shù)進(jìn)行取值，并將其體現(xiàn)在建筑屋面主體鋼結(jié)構(gòu)和金屬屋面分層構(gòu)造的計(jì)算和設(shè)計(jì)上。圖9是本項(xiàng)目最終的金屬屋面標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)詳圖，可以看到在下部屋面主體鋼結(jié)構(gòu)的球形節(jié)點(diǎn)向上，二次結(jié)構(gòu)、金屬屋面檁條、龍骨尺寸和分布間距，以及鍍鋅鋼板、鋁鎂錳直立鎖邊板等一系列結(jié)構(gòu)構(gòu)件都結(jié)合上部雪荷載的情況給予了充分的考慮。最上層裝飾板選擇5mm厚的鋁板，以確保屋面的平整度，避免由于積雪的壓力使局部下凹，造成隱患。

4.2 選擇直立鎖邊的金屬屋面系統(tǒng)

比較幾類屋面的構(gòu)造方式，最終選擇直立鎖邊的金屬屋面系統(tǒng)。原因如下：（1）哈爾濱大劇院的屋面為曲面異形，外觀飄逸靈動，富于變化。直立鎖邊系統(tǒng)對實(shí)現(xiàn)此類屋面有比較好的完成度。（2）基于主體內(nèi)部的空間，雖然大劇院的屋面下有近一半的小跨度空間，完全可以用常規(guī)的屋面形式實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)也有大跨度、起伏較大的大空間。金屬屋面系統(tǒng)可以較好地兼顧這兩種不同跨度的空間，使其具有更好的完整性。（3）直立鎖邊系統(tǒng)加上面層的外裝飾鋁板恰好在構(gòu)造上形成了內(nèi)外兩層屋面板，兩層屋面板中間是一個(gè)連續(xù)的、與外部大氣連通的空腔，這樣就在積雪的下方形成了一個(gè)空氣恒溫層（圖10）。同時(shí)，加強(qiáng)鋁鎂錳防水板下部的保溫層構(gòu)造（采用總厚度170mm的雙層錯(cuò)縫搭接方式），可以杜絕局部冷橋，從而減少屋面局部的積冰情況。

7 屋面積雪、積冰防墜落措施分布圖

8 屋面曲面分析圖

9 哈爾濱大劇院金屬屋面橫斷面標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)圖

10 哈爾濱大劇院金屬屋面構(gòu)造空腔分析圖

11 天窗軌道擦窗機(jī)清掃節(jié)點(diǎn)

12 人行步道局部剖面圖

13 天窗邊部檐口的上人式清掃步道+安全繩掛鉤節(jié)點(diǎn)

14 安全清洗掛鉤節(jié)點(diǎn)

4.3 在屋面構(gòu)造中實(shí)現(xiàn)防墜落的掛雪措施

原直立鎖邊系統(tǒng)有一些較為成熟的成品掛雪構(gòu)造，但其只能用于沒有外裝飾板的直立鎖邊屋面和對建筑外觀要求不高的項(xiàng)目上。

哈爾濱大劇院是標(biāo)志性文化建筑，需要在滿足功能的同時(shí)兼顧建筑的美觀，因此要求外裝飾鋁板本身具備掛雪功能。一般情況下常規(guī)的金屬屋面外裝飾鋁板采用平縫構(gòu)造，本身沒有掛雪的功能，從國外規(guī)范的分析可以看出，掛雪設(shè)計(jì)實(shí)際上是通過很多密布的小構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)的，也就是化整為零的原理。所以，如果每一塊外裝飾鋁板都能起到掛雪的功能，那就會得到理想的掛雪效果。受傳統(tǒng)坡瓦屋面的啟發(fā)，大劇院屋面采用搭接的形式，使外裝飾板層產(chǎn)生臺階，削弱屋面層的整體性。如果采用與傳統(tǒng)瓦屋面一樣的向下搭接方式，那橫向每層的搭接縫會產(chǎn)生視覺聚集效果，會影響到建筑外立面的觀感。因此，我們創(chuàng)造性地將外裝飾鋁板設(shè)計(jì)為“上搭接式”的構(gòu)造。這一節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢是：第一，利用裝飾鋁板搭接形成的高差，在坡道上形成防滑槽，產(chǎn)生掛雪的效果，對積雪起到了防滑作用。同時(shí)由于水平向的每層板之間都是上搭接關(guān)系，因此屋面被化整為零，整個(gè)屋面的積雪防滑任務(wù)分配到了每一塊外裝飾鋁板上。第二，由于鋁板做了上搭接處理，使得水平接縫消失，大大簡化了立面的拼縫效果，這樣立面看起來更加整體。

4.4 對哈爾濱大劇院屋面進(jìn)行整體分析

分別對哈爾濱大劇院屋面的形體、排水、坡度和日照進(jìn)行分析，修正并調(diào)整了金屬屋面區(qū)域局部凹陷、不平整的情況，使建筑外皮平整、順滑，消除局部積雪的可能。通過排水分析確定屋面整體的排水組織方案和所有天溝的位置，為下一步電伴熱電纜的鋪設(shè)和排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)確定基礎(chǔ)的信息和依據(jù)；通過坡度分析發(fā)現(xiàn)屋面在不同區(qū)域的坡度分布情況，在相對平整的區(qū)域充分考慮積雪荷載，在坡度較大的區(qū)域設(shè)置積雪防滑措施；通過日照分析確定建筑冬季長期背陰的區(qū)域，加強(qiáng)設(shè)置局部人工清掃、電伴熱等防積雪措施。

基于以上分析，最終完成了一整套屋面積雪、積冰清掃系統(tǒng)。除了可以清掃積雪、積冰外，還可以用于屋面的定期維修和清洗，使外幕墻維護(hù)系統(tǒng)更加完善。這個(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)組成部分，分別是天窗擦窗機(jī)軌道系統(tǒng)、鋁合金人行步道外加安全繩系統(tǒng)、電伴熱電纜系統(tǒng)和安全清洗掛鉤系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)分別對應(yīng)了不同的部位，可以結(jié)合不同的屋面，設(shè)計(jì)具體的清洗設(shè)施及構(gòu)造（圖11～14）。

這些構(gòu)件很好地融入了整個(gè)項(xiàng)目的外幕墻設(shè)計(jì)，不僅與各系統(tǒng)完美結(jié)合滿足功能需求，還保證了建筑的外觀效果，尤其是外裝飾鋁板通過巧妙的構(gòu)造設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了掛雪功能。項(xiàng)目于2015年底建成并交付使用，經(jīng)過半年的調(diào)試和準(zhǔn)備，在2016年4月底迎來了首場演出。至今經(jīng)過5個(gè)冬天的風(fēng)雪，沒有出現(xiàn)過一起屋面積雪、積冰墜落事件，局部的積雪情況因完善的清掃系統(tǒng)，也得到了及時(shí)清理。

5 結(jié)語

金屬屋面的積雪、積冰防墜落設(shè)計(jì)，是哈爾濱大劇院設(shè)計(jì)和建造中一項(xiàng)技術(shù)難題，其從建筑設(shè)計(jì)到幕墻深化、施工的整個(gè)過程，希望能夠?yàn)槲覈嚓P(guān)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和實(shí)踐提供示范。