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鄂爾多斯博物館雙曲異型金屬屋面的設計

來源:2011年會論文集  作者:王德勤  日期:2011-4-28
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[提要] 以鄂爾多斯博物館的實際工程為例,對該項目在設計過程中碰到的難點進行分析。同時介紹異型金屬屋面的基本概念、結構與構造設計原理、節點的設計思路和相關的施工技術。用大量的現場圖片、圖紙,針對在異型金屬屋面和幕墻的設計中碰到的難點和關鍵技術進行分析從屋面最外面的裝飾面板到連接件、防水層、保溫層、隔熱層、隔聲層以及排水屋面構造、除雪融冰系統等的設計作一介紹。
[關鍵詞]    鄂爾多斯博物館,直立鎖邊的金屬屋面,弧形鋼管檁條,壓型板,頂部裝飾板帶
 
  2.6面層裝飾帶的設計:
  博物館的建筑外形是建筑設計院(MAD建筑事務所)提供的三維模型。 因此,我們的面層裝飾帶的定位完全是按照三維模型進行設計和控制的。
  建筑外表面的裝飾鋁板整體建筑效果見下圖示意:(如圖2.6.1)

  由于所有鋁板裝飾帶都是雙曲面的,曲率變化無規律,并且每個板都是唯一的。所以如何確定每塊板的加工圖,并且讓板的加工工藝易于實現呢?我們先分析板的樣式為條狀板,長度方向曲率變化明顯,但短方向曲率對邊的影響不大,如果用直線進行代替,則可以用平面板或者單曲板來實現建筑效果。由于鋁板的短方向尺寸小,其拱高完全可以忽略不計。于是,我們按照這種思路對原裝飾板進行放樣,只對鋁板在長方向進行彎曲。這樣得到的鋁板和原鋁板的外形幾乎沒有區別,但大大的降低了鋁板加工的難度和成本。
  由于鋁板的長方向的曲線是一條復雜的曲線,也就是說,鋁板如果事先彎曲,那在一塊板上,將有許多不同的曲率半徑,這在加工中很難實現。而且,即使這樣做了,也不見得和現場的鋁管能夠很好的結合。所以,這種做法是不合適的,也是不易實現的。因此,我司考慮利用鋁板的本身撓度來適應建筑外形。對絕大部分鋁板按照其展開圖進行加工,這里加工廠加工的鋁板就是平面板了,只對少數撓度比較大的板預先彎弧加工。當然,即使這樣,鋁板的邊線依然是一條復雜的無規律曲線。而且,鋁板的加工在長方向上不能折邊,在短方向上通過鋁板加強肋將鋁板固定在水平圓管上。
  由于從軟件中提取的鋁板都是雙曲面的,需先將這些雙曲面重新放樣,并將這些曲面展開。如果鋁板的高斯曲率大,則板邊會出現裂口,這會影響板展開模擬的精度。用板邊線重新放樣鋁板就是為了使曲面展平的精度更高。如果是單曲版,則展開是毫無問題的。
  3 功能性節點的設計方案
  3.1屋脊與排水天溝
  3.1.1屋脊設計方案
  由于鄂爾多斯博物館金屬屋面的外形復雜,高低起伏曲面轉角多,建筑外形要求過度順滑,在視覺上無明確的屋脊線。但是由于功能的要求,在相鄰的兩個區域中的排水走向不一致,每一塊金屬面板的伸縮變形方向不一致。所以,必須在適當的位置設置屋脊。用它來作為屋面排水方向的分界和金屬面板的可變形伸縮端。(如圖3.1.1a、b)

  屋脊的位置是根據排版分區設計時高點的位置線所確定的。所以在頂部形成了多條長短不一的曲線形屋脊。(如圖3.1.1a、)
  3.1.2排水天溝設計方案
  天溝槽的設計應考慮:
  1) 排水天溝宜采用防腐性能好的金屬材料,厚度不應小于2.0mm; (如圖3.1.2a)
  2)  防水系統宜采用兩道以上的防水構造。防水系統應具備吸收溫度變化等所產生的位移的能力。
  3) 排水天溝的截面尺寸應根據排水計算確定,并在長度方向上應考慮設置伸縮縫,天溝連續長度不宜大于20m。

  4)  天溝槽的設計時,在充分考慮到其自身的排水、引水的功能外,還要考慮到排水天溝是整個采光頂系統的一個組成部分。其功能要完整。特別是在保溫、隔熱、隔聲及裝飾性能上要根據不同的項目進行專門的設計。一般要求在天溝金屬槽的室內則設置填充保溫棉,在可視部分包飾裝飾面層。在天溝金屬槽的室外則涂防水油膏加防水卷材,這樣有利于減少噪聲,提高溝槽的防腐能力,提高使用壽命。(如圖3.1.2b、c)

  3.2虹吸系統的設計
  當雨水、雪水按照我們的要求匯入天溝內就進入了有組織的排水的過程 ,一般情況下從天溝內向外排水的方案有兩種:一是通過水的重力和天溝的排水坡度使雨水匯聚到落水斗處,通過排水管道有組織的排出。這種方法簡單易維護,大量使用在建筑上。二是近年來引進的虹吸排水系統技術。
   虹吸式排水系統的基本原理是當天溝積水深度逐漸加大并超過雨水斗上表面高度,摻氣比值迅速下降為零,雨斗內水流形成負壓或壓力流,瀉流量迅速增大,從而形成飽和排水狀態。其技術特點在于虹吸式雨水斗設計,水進入立管的流態被雨水斗調整,消除了由于過水斷面縮小而形成的旋渦,從而避免了空氣進入排水系統,使系統內管道呈滿流狀態。利用了建筑物高度賦予的勢能,在雨水的連續流轉過程中形成虹吸作用,導致水流速度迅速增大,實現大流量排水過程。
  由于鄂爾多斯博物館屋面形狀復雜,天溝的形狀、斜度相差很大,在排水過程中容易出現問題,所以我們在設計時充分考慮到使用的環境,在落水處增設防封堵構造,和溢流裝置。防止雨水在不能及時排出的情況下向外溢出。
  在設計坡度較大的排水天溝時,在天溝內設置了阻水板裝置來保證排水的順暢。
  3.3除雪融冰系統的設計
  1、天溝融雪系統設計要求為除冰和融雪,選用恒功率電伴熱帶,鋪設范圍為不銹鋼天溝.  
  2、根據本工程所在地的冬季氣候條件,為保證除冰和融雪的速度和效果,伴熱帶標稱功率為35瓦/米,天溝內鋪設方式采用1:6呈“S”型鋪設,天溝槽除冰融雪功率為210瓦/米。落水斗附近加密鋪設。
  3、除冰融雪控制系統和電源點的設置。
  4、天溝除冰融雪系統設計依據為《中華人民共和國行業標準JGJ142--2004(地面輻射供暖技術規程)》,散熱量計算如下:

  考慮鄂爾多斯博物館的重要性,屬特別重要的建筑物,所以本工程幕墻按照第二類防雷建筑物設計。本建筑的金屬屋面可直接作為接閃器,在必要位置和主體鋼結構導通,使金屬板與建筑的防雷體系可靠連接,并保持導電暢通。
  確保導通的做法是將鋁板和連接件之間的橡膠墊片取消,接觸表面的鋁板或鋁型材應去除氧化膜保護層,鋁鎂錳屋面板支持件T碼和支持龍骨的連接處取消安裝絕緣墊片。每個導通點的間距不大于10m。
  第二類防雷建筑物的滾球半徑為45m,滾球沿需要防止雷擊的部位滾動,當球體只接觸接閃器或只觸及接閃器和地面,而不觸及需要保護的部位時,該部位就得到了接閃器的保護。本建筑的水平裝飾鋁板作為接閃器,其間距只有100mm,所以,整個建筑可以得到有效保護。

  3.5屋面的隔聲設計
  雨滴撞擊屋面引起屋面振動,將有兩種聲音傳向室內,一是屋面振動輻射出的空氣聲,一是通過結構傳遞的固體聲。如果屋面的構造具有良好的空氣聲隔絕能力及良好的撞擊聲隔絕能力,可降低雨噪聲。
  增加屋面質量是解決雨噪聲最為有效的途徑,但是對于金屬屋面等輕質屋面,通過增加屋面質量來可行性不大,因此只能通過改變屋面的結構做法降低雨噪聲對室內的影響。一般來說分層越多,層與層之間的界面越多。雨噪聲屬于在結構中傳遞的彈性波,波通過界面時會因反射等而降低繼續行進的聲能,因此界面有利于降低聲能。
  采用一層12mm厚紙面石膏板、8mm厚GRC板、1-2mm鋼板等形成隔聲層,通過降低層與層間傳遞的空氣聲可降低雨噪聲。但需要注意的是,必須進行縫隙處理,尤其是弧形屋蓋,隔聲層一定不能出現漏聲,否則隔聲性能將大打折扣。
  采用巖棉離心玻璃棉吸聲材料作層間填充,可提高隔聲層的空氣聲隔聲性能。同時,這些吸聲材料還具有提高保溫性能的效果。有些材料,如聚苯、聚氨酯等,雖具有保溫特性,但不具有不吸聲性能,對于雨噪聲的隔絕效果甚微。
  根據以往實驗室測試數據及工程經驗,在鄂爾多斯博物館項目中所采用的金屬幕墻綜合隔聲量約為30dB左右。為了增加屋面隔聲量,在輕質屋面板內,采用紙面石膏板、GRC板做隔聲層,可起到較好的隔聲效果。隔聲層一方面起到分層的作用,一方面也增加了部分重量,從兩方面提高了隔聲量。通過增加GRC板材后維護幕墻綜合隔聲量能夠增加10dB左右,達到40dB。
  屋蓋上下層板材由龍骨(或其他剛性支撐件)固定時時,受聲一側板的振動會通過龍骨傳到另一側板,這種象橋一樣傳遞聲能的現象被稱為聲橋。聲橋越多、接觸面積越大、剛性連接越強,聲橋現象越嚴重,隔聲效果越差。在板材和龍骨之間加彈性墊,如彈性金屬條或彈性材料墊對輕質屋蓋隔聲有一定的改善量,最多可以提高5dB以上。
  因此綜合以上各項因素,鄂爾多斯博物館金屬幕墻通過在屋面增加GRC板材和聚乙烯交聯減振墊層,綜合隔聲量能夠提高12~15dB。能夠有效的解決幕墻雨噪聲隔聲問題。
  3.6清洗機構的設計
  建筑外表面的清洗,是通過從金屬屋面上安裝的清洗吊環機構實現的,吊環分布在金屬屋面上,其間距和位置是根據。屋面的具體形狀設置的,間距一般在4米左右,吊環的分布主要考慮清洗時清洗機構的設置,確保清洗人員能夠順利清洗整個屋面。吊環采用不銹鋼材質,通過不銹鋼螺栓固定在金屬屋面板上,螺栓并不穿過屋面板,杜絕由于鉆孔引起的滲水可能。吊環的孔用于安裝清洗用的軟梯或繩索。清洗時用軟梯或繩索懸掛在清洗吊環上,清洗人員在軟梯或繩索上對建筑進行清潔。

  4 結束語:
  鄂爾多斯博物館項目的金屬屋面施工至現在為止已經基本竣工成形,施工現場正在進行工程的收邊、收尾工作。在這個項目的金屬屋面、采光頂、幕墻的施工圖設計和現場施工過程中,我們遇到很多新的難點和新問題,通過分析研究,問題都得到了順利的解決。在實踐中,我們針對具體的難點,用我們已掌握的技能加以突破,同時也獲得了很多解決問題的辦法。由于篇幅的原因,我的此篇文章中也只介紹了與施工圖設計所相關的一些問題。就施工過程中的施工組織、測量放線、空間幾何尺寸的定位、安裝過程中局部區域結構變形的監控等施工經驗,待總結后再作介紹。
  參考文獻
  [1] 《建筑幕墻》,中華人民共和國家標準, GB/T 21086-2007
  [2] 《金屬屋面施工組織設計》,鄂爾多斯博物館項目,2008.07
  [3] 《金屬屋面設計說明書》,鄂爾多斯博物館項目,2008.07
  [4] 王德勤,點支式玻璃采光頂應用技術探討,《2010年全國鋁門窗幕墻行業論文集》, 第6篇,49-66頁
  [5] 朱相棟,金屬屋面雨噪聲隔聲技術指標,清華大學,建筑環境檢測中心,2010.05

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