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透光屋面设计
作者:未知    来源:网上搜集    浏览次数:     添加时间:2009-3-7

                        1   概述    

透光屋面也称为采光顶,它由透光面材和支承结构组成,是一个完整的结构系统。透光屋面通常与竖直平面交角大于15°。与竖向平面交角小于15°的部份归入建筑幕墙。多数情况下透光屋面的底平面接近于水平面或者处于水平面上。
    由于建筑功能和建筑艺术的要求,透光屋面常常和不透光的屋面(如金属屋面)构成一个屋面的整体。如国家大剧院为平面212m×143m、高45.8m的落地椭球穹顶。两端为金属钛板屋面,中部则为透明的玻璃屋面。
    玻璃穹顶由中央向四周倾斜度不断加大,周边部分与竖向平面夹角往往小于15°,已进入幕墙的范畴。由于在同一屋面上难以完全划分屋面与幕墙,因此其设计与施工也常要参照现行行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102和《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133的相应规定。目前,《采光顶与金属屋面工程技术规范》正在筹划编制中。

                        2   透光屋面的选型

2.1  透光屋面的外形
    建筑师根据建筑艺术和建筑功能首先决定透光屋面的外部形状。常用的透明屋面外形有以下几大类。
    1.平面及若干个平面的组合
    平面透光屋面可以水平放置或倾斜放置。实际上由于排水的需要,水平放置的屋面也有一定的排水坡度(通常3%左右)。
    若干个平面组成折面或角锥面,也广泛应用于公共建筑和标志性建筑,其中最有名的是巴黎卢浮宫玻璃金字塔(底边:36m×36m)。天津泰达植物园的四角锥底边达50m×50m。
    2.微弯双曲面和扁平双曲面
    微弯双曲面和扁平双曲面在任意正交方向,曲率的乘积(高斯曲率)大于零:K=KxKy>0
    多数情况下曲面正放,形成上凸采光屋面;也有些工程采用下凹反放的方式,此时要采用内排水措施。
    微弯双曲面的矢高f通常为跨度的1/15~1/30;扁平双曲面的矢高f通常为跨度的1/5~1/15。低矢高可以降低室内空间高度,有利于节约能源。
    3.柱面
    一根直线(母线)沿着另一根曲线(准线)平行移动,便形成柱面。柱面为单曲面,其高斯曲率为零:
    当准线为圆弧时,形成最常用的圆柱面。此外,还有椭圆柱面和抛物线柱面,以及沿波形曲线生成的波形柱面。
    4.穹顶
    穹顶通常是球面或椭球面的一部份,位于建筑物的顶部。在许多大型公共建筑中,则常为落地的半球或半椭球。穹顶往往涵盖了墙体和屋面。
    5.双曲抛物面
    双曲抛物面常称为马鞍形曲面。它在两个正交方向上曲率的方向相反,高斯曲率小于零:K=KxKy<0
    双曲抛物面通常由张拉双向索网或双向受拉膜生成。
    6.其它任意形状的曲面
    有时,因建筑艺术的要求,透明屋面可以采用形状复杂的或者组合的曲面,这时屋面的形状只能通过其曲面各点的三维坐标来描述。采用复杂形状透光屋面的著名工程有英国伦敦大英博物馆扩建部份、意大利米兰的新会议展览中心等。

2.2  透光面板的相对位置
    在多数情况下,透光面板位于支承结构的上面或外面,将支承结构包封在室内。但有时建筑师为了强调支承结构的形式美,也可以将支承结构显露在室外,透光面板位于支承结构的下面或内面,形成倒挂面板。北京香山植物园温室的蜗壳部份,钢管桁架外露,中空玻璃倒挂在桁架下面。英国伦敦滑铁卢高速列车站、德国法兰克福机场高速列车站、德国莱比场国际博览会等,均为倒挂玻璃透明屋面。

2.3  面板的支承方式
    透光面板可采用四边金属框支承。与玻璃幕墙的面板类似,框支承面板可采用明框、半隐框和隐框方式。在屋面坡度较大时,雨水不容易滞留,可采用明框面板。通常半隐框面板的外露金属框与排水方向一致布置,避免灰尘和雨水积聚。
玻璃面板还可以采用点支承,通过钢爪或夹板固定玻璃。

2.4  支承结构
    支承结构可以采用玻璃肋,玻璃肋宜 采用夹层玻璃,防止破碎坠落。点支承玻璃中的玻璃肋,应采用钢化夹层玻璃。
    绝大多数支承结构为钢结构。可以划分为刚性结构、柔性结构和混合结构三大类:
    1.刚性结构:梁、拱、树状支柱;桁架和网架;单层和双层网壳等。
    2.柔性结构:张拉杆索体系;自平衡索杆体系;索网;整体张拉索穹顶等。
    3.混合结构:同时采用刚性结构和柔性结构的支承体系。

                         3  材料
3.1  透光面板
    3.1.1  玻璃
    大多数透光屋面的面板采用玻璃,选择玻璃的品种时应考虑以下因素:
    1.安全
    为防止玻璃坠落飞散伤人,透光屋面的中空玻璃内侧(下侧)玻璃应采用夹层玻璃;单片玻璃也应采用夹层玻璃。
    工业厂房的采光天窗,允许采用夹丝玻璃。玻璃中的夹丝在边缘容易生锈使玻璃染上黄褐斑,影响美观,民用建筑一般不采用。
    2.承载力
    当承载力有要求时,可采用钢化玻璃。点支承玻璃,支承处的孔洞和夹板下会产生大的应力集中,应采用钢化玻璃及其制品。
    由于钢化玻璃有自爆的可能,为防止玻璃肋自爆使面板失去支承而坠落,玻璃肋不应采用单片化玻璃。点支承玻璃肋应采用钢化夹层玻璃。
    3.节能
    国家标准《公共建筑节能设计标准》GB50189已经颁布,对透光部份的传热系数K和遮阳系数S已经提出了明确要求。
    可以采用LowE玻璃来降低能耗,双银LowE中空玻璃可以达到传热系数K的要求。
采用阳光反射玻璃、本体着色玻璃和遮阳LowE玻璃可以降低遮阳系数。有时还可以采用彩釉印花玻璃。当仅靠玻璃自身无法达到遮阳要求时,只能另加遮阳板或遮阳帘。
    3.1.2  聚碳酸酯板
    聚碳酸酯板(即PC板)也称阳光板,质轻,不发脆,上海铁路南站圆形屋面部分已经大面积采用。目前在一般工程中应用还不多,主要是人们担心其耐老化性能比不上玻璃。而且PC板在雨和冰雹冲击下会发生大的声响,被称为钢鼓效应,不便用于对噪声控制较严的工程中。
    透明聚炭酸酯板的透光率依厚度不同,可为65%~80%,着色板的透光率与颜色和厚度有关,从25%到65%都有,可按需要选择。
    3.1.3  ETFE薄膜和薄板
    ETFE薄膜为乙烯--四氟乙烯共聚物,透光度可达95%,有较高的抗拉强度,良好的耐久性和不燃性。常用厚度为:薄膜0.05~0.5mm,薄板0.5mm~2mm。国家体育场(鸟巢)采用ETFE薄膜作为透光屋面。国家游泳馆(水立方)则采用厚度为0.25mm和0.20mm的三层蔚蓝色薄膜做成充气气枕,作为墙体和屋面的面料。气枕共约3000个,大小形状各异,最大尺寸为9m,厚2.5m。气枕充气气压为100Pa。
    金属材料
    3.2.1  铝合金型材
    铝合金型材主要用于铝框、柃条和梁。其性能应符合现行行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102的相关规定。
    3.2.2  碳素结构钢和低合金结构钢
    这是支承钢结构的大宗材料,包括热轧型钢、钢管和冷成型薄壁型钢。常用材质为Q235和Q345,要求有良好的可焊性能。表面常采用聚氨酯喷涂和氟碳喷涂。
    3.2.3  不锈钢材
    不锈钢材主要用于钢管结构和拉杆、连接件、点支承爪件。宜采用奥氏体不锈钢,304、316牌号。拉索通常采用不锈钢绞线,其直径不应小于8mm。
 
             4   建筑设计

4.0  建筑设计的范围
     目前,透光屋面的建筑设计分别由设计院的建筑师和承建厂商进行。设计院主要由建筑功能和建筑艺术的要求,对屋面进行选型,确定其形状、支承状态、板块划分、支承结构的类型和布置,进行热工性能设计并选用面板材料。然后厂商根据这些要求进行深化设计,出施工图并付诸实现。
除选型和板块划分外,建筑设计通常还包含以下内容:确定建筑性能;排气排烟窗设计;排水;防火;防雷;安全措施;遮阳装置;清洗装置。

    4.1  建筑功能设计
    4.1.1  风压变形
    在风荷载标准值wk作用下,刚性支承屋面的挠度不宜大于跨度的1/250。柔性支承屋面的挠度不宜大于跨度的1/200;索网的挠度不宜大于跨度的1/40。
进行风压变形检测时,除挠度满足上述要求外,透光屋面不应出现面板破碎、板缝渗水漏气和其它破损现象。
    4.1.2  气密性能
    在有空调、采暖、通风的要求时。屋面的气密性能不应低于3级。并宜通过试验予以验证。
    4.1.3  水密性能
    在热带风暴和台风袭击地区,水密性设计可按下式取值,固定部分取值不宜小于1000Pa:



    在其它地区,可按式(1)计算值的70%采用,且固定部分不宜低于700Pa。
    由上述取值P可决定屋面固定部份的水密性等级。开启部份水密性按与固定部份相同等级采用。
    水密性能宜通过水密试验验证。
    4.1.4  保温隔热性能
    透光屋面的保温隔热性能要求按《公共建筑节能设计标准》GB50189决定。选定面板材料后,分别进行热工计算。
     4.1.5  光学性能和遮阳设施
    根据遮阳系数要求和透光条件选用相应的玻璃牌号,决定是否采用遮阳措施。
4.2  排气窗和排烟窗
    复盖面积较大的透光屋面,宜设置排气窗、排烟窗。当屋面高度不大于12m,可采用开启扇自然排风、排烟;当屋面高度大于12m时,应采用机械排风、排烟。排气窗、排烟窗的开闭宜采用电动方式。

4.3  排水设计
    要根据透光屋面的外形,合理组织排水途径,设置天沟、落水管等排水设施。排水量宜考虑当地50年一遇、20分钟最大降雨量。排水口应有防止堵塞的措施。
    平屋面要有排水坡度,考虑到玻璃自身有向下的弯曲,屋面总排水坡度不宜小于3%。
    索网有很大的挠度,平面索网宜倾斜布置以防止中部积水。
    有可能结露时,透光屋面室内侧应设接水槽并形成冷凝水的排水系统。接水槽也可以结合支承结构的型材截面形式统一考虑,此时应注意各层型材截面接水槽的位置要相配合,应能顺畅排水。

4.4  防火
    屋面支承结构的防火要求要根据室内空间的情况决定。屋面高度较大,室内可燃物也较少的条件下,屋面支承结构可不设防火表面层。一般情况下支承钢结构宜设置表面防火涂层。
大型公共建筑(如会展中心等)室内设有防火玻璃隔断时,处于防火隔断两侧的屋面板块应采用防火玻璃及其制品。

4.5  防雷
    如果透光屋面周边与较高的建筑紧邻,周边建筑能提供有效防雷能力,则较低的屋面不必单独进行防雷设计。一般情况下,透光屋面的金属支承结构应相互导通,形成完整的防雷体系,并与主体结构防雷体系连通。必要时,可在屋面最高点设置接闪器。
    屋面钢结构应与主体结构防雷体系连接,利用主体结构防雷系统接地,构成导电回路。实测透光屋面支承结构的接地电阻不宜大于5Ω。

4.6  安全措施
    4.6.1  玻璃
    透光屋面的单片玻璃应采用夹层玻璃;中空玻璃的室内侧应采用夹层玻璃。点支承面板的夹层玻璃应由钢化玻璃制作。
    玻璃肋应采用夹层玻璃;点支承玻璃肋应采用钢化夹层玻璃。
    4.6.2  倒挂隐框玻璃
    倒挂隐框玻璃应加金属连接件,防止结构胶失效导致玻璃坠落。
    4.6.3  ETFE薄膜
    ETFE薄膜,尤其是气枕屋面,外侧应设置防鸟网,防止薄膜被鸟喙啄破。
    落地球顶、椭球顶,应在周边设置水面或绿化带防止人为的损坏。

4.7  遮阳措施
    设在透光屋面外侧(上侧)的遮阳板对遮阳特别有效。也可以在内侧(下侧)设置遮阳帘。遮阳板和遮阳帘宜采用电动操作方式。也可以采用智能化系统进行自动控制。

4.8  清洗设备
    人力清洗和机械清洗是目前常用的清洗方法。
    采用人力清洗方案时,倾斜、弯曲的透光屋面应设置固定绳缆和小吊凳用的固定挂钩或固定轨道。
    机械清洗可采用回转式清洗机,相应设置环形轨道;也可采用吊篮式清洗机,相应设有清洗机的移动轨道。
    在我国目前污染较重的大气条件下,采用自洁玻璃的效果,尚需通过实践经验来判断。

4.9  除冰雪措施
    位于寒冷和严寒地区的透光屋面,可设置电热式溶雪和除冰设备。新建的中央电视大楼已在屋面和檐口采取了这种设施。 

                     5  结构设计一般原则

5.1  荷载和作用
    透光屋面的荷载和地震作用,可参照《建筑结构荷载规范》GB50009和《建筑抗震设计规范》GB50011的规定。
    5.1.1  重力荷载
    作用于屋面的自重、活荷载、雪荷载,可按荷载规范GB50009的相应规定采用。对于有可能积水的屋面,尚应考虑50年一遇、20分钟最大降雨量,扣除排水量后作为屋面的积雨荷载。
    5.1.2  地震作用
    透光屋面应考虑水平地震作用和竖向地震作用。
    1.对于面板和直接与面板连接的支承结构,地震作用可按下式计算:
  

    式中, 为地震作用系数,由设防烈度决定其数值,7、8、9度设防时,分别为0.08、0.16和0.32;G为面板或支承结构的自重。
    2.间接支承面板的支承结构,宜与主体结构一起,通过地震反应分析决定其地震作用的数值。
   作为近似的取值,竖向地震力可取结构支承的全部自重的10%(7度抗震设计)和20%(8度抗震设计)。这个数值约(2-2)式取值的40%,但大于常规屋面结构竖向地震力的取值,已经具有较大的安全储备。
    5.1.3  风荷载
 
    5.1.4  温度作用
    对于面板,由于板缝和安装空隙可以允许其温度变形,因此一般不进行温度应力计算。
    支承钢结构宜进行温度作用的计算。温度变化值可近支承结构可能的年间温度变化值决定,一般可考虑±30℃。
    拉杆和拉索、索网等预张拉结构,应对张拉时温度与年间最高、最低温度的温差进行核算,此温差可按实际情况取值。

5.2荷载和作用效应的组合
    5.2.1  组合
    荷载和作用效应的标准值Sk应按荷载规范GB50009的规定进行组合:

5.2.2 分项系数 
    1. 承载力计算

    2.挠度和变形计算
    所有分项系数均取为1.0。
5.2.3  组合值系数
    1.一般情况下,除永久荷载外,所有可变荷载和作用效应的组合值系数依其参加组合的顺序取值,第一、第二和第三个可变荷载和作用效应的组合值系数分别取为1.0、0.5和0.2。
    2.当永久荷载的分项系数 取为1.35时,只有竖向荷载和作用参与组合,此时第一、第二、第三个可变荷载和作用效应的组合值系数分别取为0.6、0.3和0.1;考虑竖向风荷载时,向下的风荷载组合值系数取为0.7,其它可变荷载不考虑。

5.3  材料强度设计值
    屋面设计时,结构的总安全系数K由荷载及作用的分项系数K1和材料系数K¬¬2来表示:
                 K=K1K2       (5)
    透光屋面的风荷载、施工荷载或雪荷载起控制作用,K1为1.4。所以材料系数K2可由K/1.4决定,K¬2的数值可按下表采用:
    表1   材料系数K2

    材料强度设计值f应按下式采用:
              F=fk/K2     (6)
    式中fk----材料强度标准值。
    金属材料强度标准值一般按其屈服强度标准值 采用,但拉索以其抗拉强度标准值 作为材料强度标准值fk。
     材料强度设计值可按现行行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102的规定采用。

5.4   面板材料的力学性能
5.4.1  玻璃
    玻璃的力学性能可按《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003第5.2节的规定采用。
5.4.2  聚碳酸酯板
    聚碳酸酯板(阳光板、PC板)自重轻,有高的耐冲击强度(为玻璃的100~200倍),其主要力学性能见表2。
                      表2      聚酯酸酯板力学性能

5.4.3  有机玻璃
    有机玻璃即增塑丙烯酸甲酯聚合物,其力学性能见表3
                      表3    有机玻璃力学性能

5.4.4  氟素树脂板
    氟素树脂板即PVDF,具有氟碳材料的高强、耐老化,耐污染性能,其力学性能见表4。  
                    表4   氟素树脂板的力学性能

5.4.5   ETFE
    ETFE为乙烯一四氟乙烯共聚物,可以为膜材(厚度0.05~0.5mm)也可以为板材(厚度大于1mm),为高性能、耐久的透光材料,其力学性能见表5。
                             表5    ETFE材料的力学性能


 

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