潍坊滨海展览馆
——异形金属屋面及高跨度玻璃幕墙设计
潍坊昌达建设集团装饰分公司付广文、郭宝胜、张超、付娜娜撰文
【摘要】：以潍坊滨海展览馆实际项目为例，分析该项目在设计过程中遇到的难点，同时介绍金属屋面及高跨度玻璃幕墙的基本概念、结构与施工设计原则及设计思路，并结合图纸及现场图片，分析幕墙设计过程中遇到的难点及关键技术。
【关键词】：潍坊滨海展览馆、悬挑屋面、大跨度玻璃幕墙
1. 简介
现有的建筑造型已呈现出多元化的发展方向，一些新派建筑师并不满足于常规的建筑造型，许多具有强烈视觉冲击力的建筑越来越多地呈现在我们面前。异形建筑和新材料在国内外许多建筑造型中的应用也越来越多，过去它们只是作为建筑造型中的个别单体钢结构隔层效果图，现在则被广泛地运用在整个建筑造型中。新的计算机技术完全可以满足幕墙造型设计的需要。
1.1项目概况：
潍坊滨海展览馆项目位于潍坊滨海经济技术开发区科教创新区，是一座集展览、会议、体育、文化为一体的综合性建筑。规划用地面积2.4万平方米；总建筑面积约2.5万平方米，其中地上建筑面积17556平方米，地下建筑面积7669平方米。地上四层，地下一层，建筑高度23.2米。项目地理位置优越，周边交通便利，是滨海区地标性建筑之一。建筑设计、施工图设计由朱锫建筑设计事务所、北京市建筑设计研究院完成。
潍坊滨海展览馆设计理念：大屋顶、大地平线。基于潍坊雄伟的平坦性，一望无际的地平线、海平面、天际线。三条线在天空之巅合二为一，给人一种“大漠孤烟”的感觉。屋顶与当地的地平线、海平面相呼应；其慢反射材质会在凸出的部分反射出人们在地面上的活动，吸引和容纳市民和游客。建筑本身就像一块海绵，人们像水一样被吸引和容纳在空间中。屋顶概念也来自中国古典建筑中凸出而平缓的大屋顶。屋顶下的盒子体积是当地盐文化的缩影，也就是盐的结晶。整体建筑效果如下图所示：（如图1.1、1.2所示）
图1.1 滨海展览馆图片
图1.2 滨海展览馆图片
2.异形金属屋面设计
2.1 金属屋面系统施工
潍坊滨海展览馆屋面为不规则四边形（最长边150m，最短边67.5m），以第一条天沟为界，四周设12.5m坡度，悬挑屋面最大悬挑距离27m。主体结构为钢结构网架支撑体系，金属屋面为0.9mm厚、高竖锁边、铝镁锰金属屋面板，最外层为3mm厚装饰铝板。（如图2.1所示）
图2.1 滨海展览馆屋面平面图
由于其规模及功能要求，金属屋面及幕墙的设计施工难度很大，需要结合工程实际情况，采用适应本工程的特殊结构、节点设计及施工工艺方案，才能顺利完成本工程。本工程屋面系统结构如下：（从下往上）
主支撑钢结构；檩条支撑、双向可调连接机构；檩条、弧形方管；波纹钢板（厚度0.5mm）；无纺布；50mm吸音棉；防潮层、聚乙烯防潮保温层；隔音层；防水板T型支撑体系；保温层、100mm保温棉；防水透气膜；铝镁锰金属屋面板，厚度0.9mm，高竖向锁边；转接头、铝合金材料连接装置；铝支撑管、70×40×3铝方管；表面铝合金装饰板，厚度3mm板，表面根据建筑要求颜色进行氟碳喷涂。（如图2.2-2.3所示）
图2.2 滨海展览馆屋面节点结构示意图1
图2.3 滨海展览馆屋面节点结构示意图2
从节点图中可以看出，本工程金属屋面部分的支撑结构分为三层：主要支撑异型钢网架结构，外侧钢檩条，为主体结构的次龙骨，屋面板等功能材料贴附在次龙骨上。第三层支撑结构为竖向锁边金属屋面板外侧的铝管檩条，为最外侧铝装饰板的支撑结构。（如图2.4、2.5所示）
图2.4 滨海展览馆主体钢结构
图2.4 滨海展览馆屋面檩条施工图
图2.5 滨海展览馆屋面装饰铝板图
2.2铝镁锰金属屋面板设计：
防水是屋面系统最基本、最重要的功能，其质量的好坏直接影响工程的形象和信誉。为此，屋面系统的防水性能是金属屋面最值得关注的方面。
普通波纹金属板采用螺钉穿入固定，钉孔仅靠螺钉下的橡胶垫圈密封。随着垫圈老化和屋面板反复受到风压，垫圈的密封性能将大大降低，从而导致漏水。另外，由于屋顶上有成千上万个钉孔，其施工质量也受到工人素质和技术水平的制约，难以保证。一旦出现问题，很难找到漏水点，也不容易补救。
根据本工程的特点，我们金属屋面系统外层采用高直立锁边铝镁锰金属面防水板，第二层采用防水透气膜，采用双层防水方案，保证了屋面系统的防水性能。
竖向锁边铝镁锰金属面防水板设计要求中，标准板端宽为400mm。板厚全部为0.9mm，板筋高为65mm，室外面涂层为氟碳喷涂。板室外面必须贴保护膜，防止运输、加工、安装过程中涂层受损。单块板应按排板模型要求长度采用专用压机连续加工，一次成型，横向搭接处采用暗扣式机械卡口固定在铝合金T码固定座上；每块板的锁紧采用具有爬升功能的锁紧装置一次完成，锁紧完毕。（如图2.6所示）
图2.6 展厅屋面防水板照片
3.大跨度玻璃幕墙设计
3.1 幕墙概述
展馆玻璃幕墙由三部分组成，最宽处为30米，高23米，倾角大小不一，每部分幕墙都有不同的转角，为明框玻璃幕墙，玻璃板尺寸为1200×3000。
图3.1.1 玻璃幕墙分布图
节点设计
整体幕墙系统采用明框幕墙系统形式，但在结构形式和龙骨选择上有所创新。由于此幕墙位置无主体结构，竖龙骨须从楼面直连至屋面钢结构，简支跨度达23米，且有复杂的转角和各种倾斜角度；若按照1.2米玻璃格栅布置，会显得过于密集，导致室内通透度不足。最终确定了多层级结构方案：每隔4.8米为主龙骨（钢方管+T型钢组合），每隔1.2米竖向次龙骨采用350×200×30×30T型钢，水平龙骨采用300×200×20×20T型钢。玻璃采用6Low-E+12A+6超白中空钢化玻璃。
图3.1.2 玻璃幕墙完工图
图3.1.3 玻璃幕墙图
图3.1.4 玻璃幕墙节点图
图3.1.4 玻璃幕墙节点详图
3.2 结构设计
1.幕墙柱均匀截面分布方案
柱（间距1.2m、高约23m）：B460×150×10×10，最大长细比147＜150；
门洞边柱：B460x150x16x16，长细比148＜150；
横梁：B160×65×6×6、B200×65×6×6；
门洞上方横梁：B460×150×10×10；
最大位移70mm，挠跨比70/23000=1/328＜1/250；
用钢量约175吨；
2.幕墙主次柱多层构造方案（一）
主柱（间距4.8m、高约23m）：B500×150×16×16；最大长细比138＜150；
横梁（间距3m，跨度约4.8m~13m）：B200×100×10×10、B300×100×10×10（用于幕墙三合横梁端部）；
次柱：B200×65×6×6；
边柱：B300×200×10×10；
最大位移为91mm，挠跨比为91/23000=1/253＜1/250；
用钢量约129吨；
3、幕墙主次柱多层构造方案（最终方案）
幕墙钢结构示意图
3.2.1 计算模型
模型定义了竖向和水平荷载工况，其中竖向工况包括钢结构自重和玻璃幕墙附加自重；水平荷载工况包括地震荷载和风荷载，对于小震水平地震荷载，考虑X、Y方向的地震作用；风荷载按《建筑结构荷载规范》规定在+Y方向（风压）和-Y方向（风吸）施加。
模型底部采用铰接约束钢结构隔层效果图，主柱顶部采用铰接约束释放垂直力，边柱采用铰接约束释放相应楼层的垂直力。结构计算模型如下图所示：
图4.1 SAP2000计算模型
3.2.2 变形验证
在恒荷载和风荷载作用下，幕墙钢结构最大位移为49mm，结构高度为23m，因此最大位移比为49/23000=1/469。
图4.2 1.0D+1.0W1位移云图（mm）
潍坊滨海展览馆项目金属屋面幕墙施工现场目前正在进行收尾工作。在该项目金属屋面幕墙施工图设计和现场施工过程中，我们遇到了很多新困难、新问题，通过分析研究，成功解决了问题。在实践中，我们运用所掌握的技巧突破了具体的困难，也得到了很多解决问题的方法。由于时间关系，本文只介绍一些与项目施工图设计相关的经验，希望有机会与大家分享更多的技术经验。
本文刊登于《幕墙设计》杂志2015年第1期（2月刊）
