金属屋面系统

（CumulativetyNO.154）

“梅花形”双曲面金属屋面系统的设计与研究

王爱梅1，蒋凤昌2，高 飞3，孔俊东3

（1.江苏华电工程设计院有限公司，江苏 无锡 214028；2.同济大学 上海科瑞建设项目管理有限公司，上海 200092；

3.中国江苏国际经济技术合作公司，江苏 南京 210008）

摘要：梅花形双曲面金属屋面系统是无锡新区科技交流中心工程的设计难点。工程选择保温隔音层、防水层和装饰层所组成的三层板构造系统，既保证了建筑的美观，又实现了建筑保温、隔热、隔音、防水等性能。

关键词：梅花形；双曲面；金属屋面；虹吸排水；系统设计中图分类号：TU758　　　　　　文献标识码：A文章编号：1009-2374 （2010）19-0037-02

1　工程概况

无锡新区科技交流中心金属屋面系统设计为梅花形（图1），造型独特，象征无锡市花。该建筑是包含园区业绩展示厅、规划展示厅、艺术作品展示厅、市民服务中心、影剧院等大空间的公共建筑。建筑面积约36000m2，下部主体为钢筋混凝土框架结构，上部为钢结构屋盖。金属屋面高低起伏，檐口标高最矮处为12.9m，最高处为31.2m。花心部位最高处标高为18.3m，花瓣部位最高处标高为32.9m。屋顶设有直径24m、宽度6m的环形玻璃采光顶。“梅花形”双曲面金属屋面系统的设计是本工程项目的重点与难点。

图1 “梅花形”屋顶平面图

2　金属屋面的构造设计

梅花形金属屋面为双曲面金属屋面，设计考虑美观、节能、防水、防雷等性能要求，选择三层板系统：保温隔音层、防水层和装饰层。典型构造如图2所示：

图2 金属屋面的典型构造

屋面最上层蜂窝铝板的分格按径向和环向布置，径向投影距离1050mm，环向投影距离2500mm，成五边形扩散。标准板块1050mm×2500mm（投影尺寸），采用平面板现场冷弯成双曲面，根据屋面三维放样，同一位置平板与冷弯成形后的相应各点距离小于30mm，冷弯成型是完全可实现的。

屋面直立锁边铝镁锰板的布置是与5片花瓣的屋脊线成90°角布置，这样布置有利于屋面板的排水。

屋面采用开敞式系统，具有以下特点：2.1　丰富了屋面的装饰效果

设计采用盒式蜂窝铝板具有及高的强度保证每块屋面板的平整度，盒式蜂窝铝板可以加工成平面任意形式、单曲面及双曲面保证满足梅花形屋面造型；安装系统保证了每一片板的角度都可以任意调节，保证了曲面的一致性。2.2　提高了节能、降耗的效果

选择开放式系统，保证了装饰层内部与外部空间可以进行空气对流减少热交换，降低风荷载对建筑物的破坏，同时具有多重的隔音保证。

屋面保温采用100mm厚的保温岩棉，下部设计有50mm厚的吸音棉，经计算屋面系统的传热系数冬季为0.3W/m2·K，夏季为0.304W/m2·K，保温性能优越。

3　结构计算与设计

3.1　荷载计算

(1)金属屋顶的自重荷载计算。金属面板采用15mm厚的铝蜂窝板，自重荷载标准值取GAK=70.0N/m2，考虑龙骨和各种零部件等后的金属屋顶重力荷载标准值GGK=0.20kN/m2。按《金属与石材幕墙工程技术规范》(JGJ133-2001)，取永久荷载分项系数rG=1.2，则考虑龙骨和各种零部件等后的金属屋顶重力荷载设计值为GG=1.2×0.20=0.24kN/m2。

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37(2)风荷载计算。根据风洞实验报告，作用在金属屋面上的WK=1.08kN/m2(正风压)，WK=-3.33kN/m2风荷载标准值取：(负风压)。按《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102-2003)

第5.4.2条，风荷载分项系数取rW=1.4，则作用在屋面上的风荷载设计值：正风压W=1.4×1.08=1.512kN/m2；负风压W=1.4×（-3.33）=-4.662kN/m2。(3)雪荷载计算。按《建筑结构荷载规范》(GB50009-22001)取基本雪压S0=0.40kN/m，积雪分布系数取μr=1.0，

2则雪荷载标准值SK=μ·rS0=1.0×0.40=0.40kN/m。雪荷载作用效应的分项系数取rs=1.4，则雪荷载设计值为2S=r·sSK=1.4×0.40=0.56kN/m。

水板二次防水，防止少量渗漏水进入室内。

(4)屋面活荷载计算。按《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)屋面活荷载标准值取HK=0.5kN/m2，分项系数取rH=1.4，则屋面活荷载设计值为H=rH·HK=1.4×0.5=0.7kN/m2

。3.2　金属屋面板计算

屋面装饰面板选用15mm厚的铝蜂窝板。幕墙分格宽

度B=1250mm，幕墙分格长度H=2500mm。该铝蜂窝板面板属于框支承体系，面板两边简支固定，计算铝面板时，考虑受力最不利的影响，选择受力最不利的部分，采用SAP2000有限元软件分析计算。

铝蜂窝板的最大弯曲应力为24.642N/mm23.3　直立锁边防水板的计算

Kalzip截面的选择：0.9mm厚，Kalzip65/400型屋面板，面板宽度为400mm，计算模型的选择为多跨连续梁，计算跨度L=1650mm，面板最大长度为23000mm ，面板倾斜角度(水平角)为α=28°。支座弯矩及反力综合验算： Mm,f Rb M+<1.0B,KRB,K 经过验算，在永久荷载+风荷载压力+活荷载(雪荷载) 的组合作用下，强度计算满足要求。3.4　主次檩条的设计

依照本工程的几何规律，主檩成环向布置，投影间距3000mm，在空间上沿着屋面法向方向。次檩成径向布置，投影间距<1400mm。

4　封边节点的设计

金属屋面与玻璃幕墙结合处的封边节点设计非常重要。依据规范(GB/T21086-2007)的相关规定，玻璃幕墙的空气渗透性能设计为3级要求，雨水渗漏性能亦设计为3级。如图3所示，金属屋面封边节点的防水系统构造包括：不锈钢天沟、2mm厚铝板防水层、风琴板防水胶条等构件。

由于屋面与夹板式点支玻璃幕墙各自采用独立的支撑体系，屋面与夹板式点支玻璃幕墙的交接部位可能产生位移，因此上部接口采用风琴胶条作过渡连接，使得即使产生位移也能够自身吸收，不产生面板的损坏或发生雨水渗漏。屋面檐口采用蜂窝铝板开缝设计，外部设置挡水胶条，内部设计有批

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38图3　金属屋面封边节点图

5　虹吸排水的设计

依据《建筑给水排水设计规范》(GB50015-2003)和《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》(CECS183：2005)对金属屋面虹吸排水系统进行设计。

本工程所有屋面汇水面积为10300m2。整个屋面设3圈天沟和5个导流槽，最外圈天沟设无锡地区50年暴雨重

现期，降雨历时5分钟暴雨强度5.15L/s.Ha，K=1.1，共有6个虹吸系统；中圈天沟和内圈天沟设无锡地区10年暴雨重现期，降雨历时5分钟暴雨强度3.91L/s.Ha，K=1.1，共有6个虹吸系统，其中中圈天沟4个，内圈天沟2个。中圈天沟和内圈天沟溢流设置为无锡地区50年暴雨重现期，中圈3个溢流系统，内圈1个溢流系统。

设计中主要考虑的要点如下：

(1)相邻两个雨水斗之间的间距不超过20m。

(2)为确保系统使用寿命，水平管段应有效控制管道因温差而产生的收缩膨胀，采用进口HDPE管道伸缩率必须不大于1%。

(3)管道的支吊架采用专业的方钢悬吊系统，能有效控制HDPE管道热胀冷缩的功能，有足够的强度支持管道和流体的重量，以及高速水流的冲击力。

(4)管道系统内最大负压值不大于0.08MPa，管道采用热熔连接方式。

(5)水平管道的充满度不小于60%，最小流速不小于0.7m/s。

(6)为了更有利产生虹吸，加快屋面雨水排放速度，所有雨水横管不设置检查口，仅在每个系统一层立管处设置检查口。

6　结语

通过对梅花形双曲面金属屋面的精心设计，选择了三层板构造系统，既保证了建筑的美观，又能很好地实现建筑保温、隔热、隔音、防水等性能。

作者简介：王爱梅（1969-），女，江苏华电工程设计院有限公司工程师，研究方向：建筑工程设计与管理。