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          浙江大華幕墻裝飾有限公司

          大型場館項目的幕墻設計—河南省體育館罩棚設計介紹
          浙江大華幕墻裝飾有限公司 2010/5/10 專家觀點

            一、 簡介

              河南省體育中心體育場位于河南鄭州市綜合投資區,系河南省重點工程,建筑面積46301m2。

              體育場罩棚為螺栓球和焊接球點網架結構?缍龋呵懊273.016m。后面251.678m。高度:前面51.486m,后面33.918m。如此大跨度的體育罩棚,在目前國內尚屬首例。本屋面罩棚體系不同于常規屋面體系,是一種特殊屋面體系,相當于幕墻體系,需要有工藝設計環節,參照幕墻設計管理規定。

              二 、工程特征:

             

              該工程地區粗糙度為B類,抗震設防烈度按7級設計。建筑耐火等級為I級。設計荷載下壓Wk1=1.35KN/m2。雪荷載Sk=0.27 KN/m2。該工程氣勢宏偉,造型別具一格,外裝飾效果整齊統一,充分體現出強大的生機和活力。

              針對該工程的特點,設計時采用浮動連接方式,定距壓緊式結構,巧妙的解決了適應主體結構變形、結構排水等問題,而且安裝方便。

              三、工況分析

              本工程屋面系統是以球網架及鋼龍骨做為支承,網架與主體結構連接,罩面鋁板系統通過次龍骨與主龍骨連接,從而實現外立面造型。從受力角度講,屋面鋁板受重力荷載、風荷載、雪荷載、地震作用、溫差作用以及各種聲波輻射等綜合作用,其受力復雜,這些荷載均通過次龍骨傳遞到主龍骨,再由主龍骨傳到網架系統,由網架系統傳到主體結構支座上。

              四、模型建立

              由于本工程屬于大型空間設計,與普通幕墻設計有本質區別,設計過程由建模開始。對網架、網架支座、主龍骨、次龍骨、屋面鋁板系統整體建立三維模型,利用有限原理對其進行實物與力學模型的轉換,將其轉化為梁單元,從而確立計算模型,并將周邊約束施加到作用點上,進行力學、變形及穩定性計算。通過計算確定允許的變形量,根據模型受到全部荷載而變形后的形狀和尺寸,進行屋面板塊的分格設計及系統結構設計,從而確保板塊分格尺寸準確以及正常施工和使用功能。

              五、變形量分析

              根據計算,本工程網架系統最大位移接近正負80mm,(位于網架拱形前端中間位置)。由于此變形導致整體幾何形狀下沉,使原設計幾何輪廓變化。我們的分格設計是根據變形后的尺寸進行的分格。從而保證加工出的板塊能夠順利地安裝到相應位置上。如果分格設計不考慮此變形,則設計出的板塊尺寸將比實際需要尺寸略大,造成板塊間預留變形縫被占用,無法實現溫差變形,造成功能喪失。為此,網架整體的變形分析計算對本工程設計極為重要。

              六、分格設計

              立面分格設計以建筑師的思路和外裝飾效果為原則,充分融合我司的產品特點,在立面分格上進行了仔細的構思,該罩面工程外形由于是球體的一部分,按常規考慮會使異型板材的數量巨大,不但加工、施工不便,而且會增加成本。在設計分格時采用計算機三維繪圖方法,對屋面進行了模擬分析,利用地理學中的經、緯線原理,使分格尺寸在球形屋面上保證了最大限度的一致性,不但方便了生產加工,而且滿足了外裝飾效果;另外我們對球形屋面按排水溝位置進行了分區編號,使安裝工人很容易找到板塊的對應位置,極大地方便了施工。從內視效果看,次龍骨的布置整齊而有規律,在空間上與主龍骨縱橫交錯,使交流、開放的時代主題得到體現,增強了其觀賞性。

              本工程典型分格主要有以下幾種:

              (1)屋面罩面鋁板局部分格。異型板材規格少,按排水溝位置將屋面分區,安裝方便,外視效果整齊、美觀。

              (2)屋面鋁板、格柵局部分格。鋁板與格柵的分格相協調,與總體建筑風格相統一,觀賞性強。

              七、結構及功能設計

              1.鋁板罩面系統選型依據 具有優良的水密性能,具有良好的適應變形性能和整體強度、保證內外視效果并降低工程造價是本次罩面系統選型的依據。

              2.鋁板罩面系統的主要結構形式及特點

              本工程屋面鋁板系統采用C型鋼做龍骨。鋼龍骨與副框之間有彈性膠墊相隔,橫豎龍骨之間、豎龍骨與次龍骨之間的連接實現了三維調整,有效地適應了主體結構的變形。優良的內外視效果:設計時使分格尺寸在球形屋面上盡量達到一致,減少異形板的數量,方便了生產加工,降低成本,這樣使整個建筑在外視效果上整齊劃一,美觀大方。通過巧妙地布置次龍骨及屋面龍骨,使龍骨分布均勻、整齊,得到了較好的內視效果。

              3.鋁板格柵的結構形式

              鋁板格柵根據其在裝飾面上的位置采用了兩種不同的結構形式:

              (1)大面格柵:將雙面噴涂的弧形穿孔鋁板同加強鋁型材緊固,形成弧形格柵頁片,頁片的兩端同次龍骨連接,形成格柵整體。

              (2)后檐口處格柵:

              后檐口裝飾格柵采用了50槽鋼及鋼板制成鏤空的變截面裝飾鋼架,不同寬度的頁片通過裝飾鋼架同次龍骨連接,保證了此處獨特的裝飾效果。

              4.排水天溝的設計

              做為屋面排水的重要設施,如何既有效地完成排水功能,又得到良好的裝飾效果,是我們設計要重點解決的問題。根據這個思路,我們設計了暗藏式排水天溝系統。

              5.防雷設計

              按照《建筑防雷設計規范》(GB50057-93)要求,建筑物防雷設計,不僅要考慮頂層雷擊,還要考慮側向雷擊。由于本工程大面積使用鋁板,屬重要防雷建筑。合理的防雷措施將使外飾面免受雷擊,達到安全使用功能。在設計中,采用防雷電纜將面材——鋁單板同龍骨導通,龍骨同網架通過連接件連通,形成10米×10米的避雷網絡,屋面體系通過網架體系可靠接地,不但可以有效地避免雷電對屋面自身的損害,從而保證建筑的安全,而且可以避免鋁板表面積累靜電吸附灰塵從而影響外視效果。

              幕墻形成了自身的防雷體系,并與主體結構可靠接地,共同形成防雷體系,接地電阻小于4歐姆。

              6、內視效果的工藝設計:

              罩棚幕墻的內視不同于其它幕墻,而有著嚴格的要求。由于罩棚最低點與看臺最高點有兩米之差。主次龍骨的排布,鋁單板加強筋的排布等都會對內視效果造成舉足輕重的影響。設計時,主龍骨排布延緯線方向連續。用球點托盤擋住伸縮間隙。次龍骨與橫框均采用不銹鋼螺栓連接。次龍骨間距4米均勻排布。橫框800mm均勻排布。內視呈800×4000網格形狀,龍骨表面均涂防火漆處理,與網架金屬表面處理協調一致。

              由于罩面工程宏大,受形狀影響,每榀間距約12米。呈近似梯形,且上下邊界處會出現三角形、梯形、五邊形板塊。如果每塊板加強筋自行均布,則安裝后整體板塊加強筋不對線,左右錯位,內視非;靵y。設計時,充分考慮以上問題,從分格圖入手,每榀的三個分格,中間分格為4米,呈矩形,兩邊呈直角梯形,矩形板加強筋距均布。直角梯形從直角邊開始,按矩形板加強筋距離向邊側排布。這樣,整體安裝時,每榀板加強筋全部對線,內視效果非常漂亮,實現了內視的設計要求。

              八、設計選材:

              1. 鋼材:

              實現罩棚幕墻連接的主次龍骨的鋼材選擇有著嚴格的要求。主龍骨既能滿足大跨度的強度、撓度要求,又要滿足網架變形的要求,以實現在網架變形時對次龍骨不造成破壞性擠壓。

              選材時,根據周密計算,主龍骨選用300×100×50輕型鋼。次龍骨選擇80×40×15輕型C型鋼。為減少焊接變形,次龍骨與主龍骨的連接采用國產優質不銹鋼螺栓。鋼材材質嚴格執行國家規范要求,出廠,檢測合格證書。

              2. 面材:

              罩棚幕墻面材的選擇是此工程能否達到經久耐用、美觀大方,且具有時代感的前衛建筑標志的一大關鍵。罩棚面材的作用是遮光避雨。對網架結構的蔽護可供選擇的板材限以下三種:鋁合金單板、鋁復合板、鋁蜂窩板。下面就三種金屬板材的特點及加工工藝,安裝工藝擇優選用進行分析:

              鋁復合板按慣例分為普通型復合板和防火型復合板。普通型復合板全由內外兩層均為0.5mm厚的鋁板,中間夾一層2-3mm厚的聚乙烯塑材,經過熱加工冷加工復合而成,厚度有3mm、4mm等種類。一般3mm厚鋁復合板多為內裝飾選用,4mm厚鋁復合板為外裝修用。而防火型鋁復合板是中間夾一層難燃或不燃材料復合而成。復合板表層鋁板很薄,受熱變形影響,一般表面處理采用氟碳滾涂處理,表面顏色可按使用要求調制處理,能夠實現設計師的與周圍環境協調的美學創意。但鋁復合板板材同時存在許多缺點:首先,復合板中間夾層的復合材料沒能排除有毒成份,不屬環保產品。其次,兩層金屬面與中間夾層在受力及局部溫度作用下,會產生起皮,鼓包等現象。再次,由于加工及時性安裝等產生的應力,使得板面不平,在陽光照射下,產生漫反射現象,對整體幕墻效果的美觀造成很大影響。鋁復合板的安裝需要將復合板邊緣機械刨90o槽口,以便折邊。這樣剩下的0.5mm厚鋁板會對強度造成很難克服的薄弱隱患。針對鋁復合板特點的綜合分析,本工程本著“百年大計,安全第一”的原則沒有選用。

              蜂窩板的選用在工程中也受很多條件限制。幕墻用的蜂窩板表面處理基本與復合板相似。厚度方面的選擇余地相對大些,有10mm、12mm、20mm、25mm不等?筛鶕煌こ、不同強度、保溫要求選擇。與鋁復合板相比,蜂窩板具有更好的強度和保溫性能。但從經濟上講,要比復合板貴很多。這樣,受生產條件的影響,蜂窩板的板幅選擇性不大。對此工程板塊分割效果而言,存在著利用率不好,而使平米用量加大,造成成本大大增加,這也是本工程沒有選用它的主要原因之一。

              鋁單板相對以上兩種面材有著許多優點:鋁單板是采用高強度的鋁合金軋制而成,其強度要比純鋁板高1倍左右。厚度選擇余地大,根據工程需要有2 mm、2.5mm、3mm等。表面處理分為粉末靜電噴涂和氟碳噴涂。表面顏色也可根據需要加高保色性顏料,使表面顏色具很廣泛選擇性,可以與建筑周圍的色調相協調。

              本工程選用2.5mm厚的鋁單板。表面處理氟碳噴涂,銀灰色,這主要是考慮了鋁單板的以下幾個優點:

              1) 抗腐蝕性好:

              由于工業的發展,空氣污染日益嚴重,酸雨也難以抗拒,這對外露的面材都會造成直接的危害。鋁單板的表面氟碳噴涂處理,在抗腐性能上有很大優越性。

              2) 硬度好:

              鋁單板表面硬度較好,耐磨擦、耐碰撞?紤]到冬日積雪、夏日冰雹會對罩面造成傷害,而鋁單板的表面即使受到大冰雹的撞擊,鋁板產生微變,但表面涂層無損壞,能完好保護內層鋁板,防止腐蝕。

              3) 可塑性好:

              本工程選用鋁單板,除以上優點,就是鋁單板的可塑性能獨占鰲頭。本工程的罩面幕墻造型,可以形象地比喻為“斜切的西瓜牙兒”,即邊界高度各異的雙曲面。對面板的彎曲性,加工性要求較高。鋁單板則能滿足設計要求。

              九 、配合施工設計:

              罩面的不規則形狀對現場施工帶來了新的課題:“滿堂紅”腳手架的昂貴價格使其無法被采用。而面對“關門”的施工周期,必須大面展開施工人員。人員安全的施工條件成了首要解決的大問題。設計時,經與設計院,網架廠家及行業專家探討,在網架輻桿不能受力的前題下,在受力球上,采用“抱夾式”連接,即用12根腳手管抱夾住鋼球。然后,在腳手管抻出鋼管連接在一起,形成“浮于網架球面上的階梯形腳手架系統”。外加設安全網。此種“懸浮式腳手架”,既避免了昂貴的“滿堂紅”,又保障了施工人員的方便、安全。

              十、結束語:

              此種大型場館式異形罩棚幕墻,對我們屬于第一次施工,成功的工藝設計是我們的財富。具有點睛之筆的“懸浮式腳手架”方案,更能激發我們向無前例的困難挑戰。工程的勝利竣工能大大提高我們的市場競爭力,對我們有著非常重大的意義。
           

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