異形玻璃采光頂設(shè)計(jì)

郭建華

0 引言

建筑采光頂由玻璃面板與支撐體系組成，不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)所受作用，且與水平方向平角小于75°的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。依照采光頂定義我們知道，采光頂無論結(jié)構(gòu)形式及所承擔(dān)的功能都和建筑幕墻極為接近，其設(shè)計(jì)原則也應(yīng)遵循建筑幕墻設(shè)計(jì)理念。

相應(yīng)原則包括以下幾點(diǎn)：

1)外觀滿足建筑設(shè)計(jì)要求與主體建筑相協(xié)調(diào)；

2)功能滿足使用需要；

3)性能與結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)需要；

4)設(shè)計(jì)滿足施工需要。

本文結(jié)合實(shí)例工程，闡述項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及設(shè)計(jì)理念，并針對(duì)采光頂設(shè)計(jì)過程中的防雷、排水、維護(hù)等容易引起工程隱患的點(diǎn)作以論述，希望可以供相關(guān)設(shè)計(jì)人員作以借鑒。實(shí)例工程包括鋼結(jié)構(gòu)梭形采光頂、鋁合金錐形采光頂、鋼鋁結(jié)合拱形光頂。

1 工程實(shí)例介紹

1.1 明框錐形采光頂設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)(見圖1)

圖1

為了達(dá)到采光頂?shù)拿烙^，兩側(cè)斜立柱相互連接，以及與中頂部橫梁連接的安裝螺絲設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量避免外露(見圖2)。

圖2

本項(xiàng)目巧妙地將兩斜向主桿與橫梁固定結(jié)合在一起，首先將兩斜桿用鋼構(gòu)件做為芯套，用螺栓固定，同時(shí)將用于固定橫梁的鋁板固定于斜向主桿的兩側(cè)。安裝時(shí)，從左至右依次安裝，利用鋁角與橫梁卡緊，從而保證橫梁與立柱之間的連接穩(wěn)定。

不同角度立柱交接位置應(yīng)采用預(yù)制鋼構(gòu)件作為轉(zhuǎn)接件(見圖3)。

該轉(zhuǎn)接件加工應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1)中心圓管與傾斜桿內(nèi)套構(gòu)件的角度，應(yīng)預(yù)先在CAD 中建立三模型，分別量出準(zhǔn)確角度繪制加工圖；

2)水平桿內(nèi)套構(gòu)件與中心圓管的相對(duì)標(biāo)高應(yīng)量準(zhǔn)；

3)中心圓管應(yīng)上下封口，從而保證此構(gòu)件的整體穩(wěn)定性；

圖3

4)應(yīng)盡量減小中間圓形構(gòu)件的半徑，以減小裝修飾蓋的尺寸。施工中應(yīng)注意材料單的準(zhǔn)確性，尤其是玻璃尺寸及加工圖的準(zhǔn)確性，玻璃放樣應(yīng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，以內(nèi)表面邊線或外表面邊線作為基準(zhǔn)均可。由于玻璃厚度較厚，當(dāng)采用不同放線基準(zhǔn)的情況下，很可能會(huì)導(dǎo)致玻璃安裝不上的問題。

1.2 拱形采光頂設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)(見圖4)

圖4

拱形采光頂設(shè)計(jì)首先應(yīng)從概念明確各類型拱形采光頂?shù)臄?shù)學(xué)模型，如明確采光頂四周拱形的半徑及弧形的圓心定位。為保證拱形采光頂?shù)钠交^渡，圓心點(diǎn)豎向坐標(biāo)應(yīng)位于平面玻璃與弧形玻璃的交點(diǎn)，轉(zhuǎn)角部位應(yīng)盡量采用球面玻璃。由于跨度及連接的問題，該類型采光頂主骨架一般采用鋼結(jié)構(gòu)，為了美觀鋼材表面應(yīng)外飾鋁板或不銹鋼裝飾面(本項(xiàng)目為鋁構(gòu)件)。

本案例重點(diǎn)解析玻璃的選用及裝飾面的設(shè)計(jì)。

該類型拱形采光頂玻璃選取要結(jié)合工程實(shí)際需要，位于門廊位置的采光頂作為室外用采光頂，不需要考慮節(jié)能的需要，可采用6+1.52 PVB+6 mm半鋼化夾膠玻璃；位于總統(tǒng)套房的采光頂作為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，則應(yīng)考慮節(jié)能需要，玻璃選取應(yīng)符合建筑節(jié)能要求及規(guī)范要求。本工程作為夏熱冬暖地區(qū)，玻璃采光頂應(yīng)保證傳熱系數(shù)應(yīng)小于3.5W/(m2·K)，遮陽系數(shù)SC 應(yīng)小于0.35，由于Low-E 玻璃很難做成球面玻璃，導(dǎo)致該類型采光頂不宜做與中空Low-E 玻璃，而普通白玻璃無法實(shí)現(xiàn)遮陽系數(shù)SC應(yīng)小于0.35 的要求，這樣該類型采光頂?shù)脑O(shè)計(jì)宜采用內(nèi)部遮陽或外部遮陽的方法來滿足規(guī)范要求，本工程采用6+1.52 PVB+6+12 A+6+1.52 PVB+6 mm 中空夾膠半鋼化玻璃及相應(yīng)的熱彎玻璃，可以保證傳熱系數(shù)的要求，內(nèi)部增設(shè)遮陽構(gòu)造。

鋼構(gòu)件外飾面設(shè)計(jì)(見圖5)。

圖5

外表面鋁合金裝飾面安裝應(yīng)采用機(jī)械連接，僅靠膠粘結(jié)是不可靠的，應(yīng)采用分體式設(shè)計(jì)，主飾蓋采用螺絲與鋼管固定后，再粘結(jié)裝飾性壓條遮蔽螺絲。桿件應(yīng)分主桿及次桿，次桿裝飾面應(yīng)小于主桿裝飾面，從而避免裝飾蓋拼45°構(gòu)造。由于該類型玻璃加工周期較長，玻璃采購宜采用建立準(zhǔn)確空間模型，再傳給玻璃加工廠自行出圖，再由設(shè)計(jì)確認(rèn)的形式，從而避免由于加工圖表達(dá)方式及準(zhǔn)確性等原因?qū)е虏Ａд`加工的問題。

鋼材及鋁裝飾型材拉彎也是應(yīng)注意的問題，鋼材的延伸率要好過鋁材，設(shè)計(jì)時(shí)更應(yīng)注意鋁材是否可以拉彎，尤其是要新開模型材，如果不能拉彎，經(jīng)濟(jì)損失也比較大。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)用鋁合金型材的拉彎半徑可以憑廠家的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)先判斷，廠家經(jīng)驗(yàn)公式：鋁型材(R外-R內(nèi))/R外≤8%，對(duì)于半徑偏小的構(gòu)件，還可以更換型材牌號(hào)的方式提高成功率。比如牌號(hào)為6061-T4 的斷后伸長率為16%，比牌號(hào)為6063-T5 斷后伸長率為8%提高了1 倍，相應(yīng)拉彎的半徑可大幅減小。同時(shí)鋁材應(yīng)優(yōu)先選用不實(shí)效鋁材，拉彎性能更好。

1.3 梭形采光頂設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

梭形采光頂設(shè)計(jì)施工重點(diǎn)在于要有清晰的造型定義，有準(zhǔn)確定位尺寸的各層次模型，要保證圖紙的準(zhǔn)確性，空間模型的準(zhǔn)確性，這個(gè)是不同環(huán)節(jié)互相配合的基礎(chǔ)。造型定義包括縱向拱的間距，縱向拱的拱高及橫向拱高控制線，并保證各拱最高點(diǎn)之間位于同一弧線上，從而保證整個(gè)梭形采光頂?shù)钠交槙?。主弧桿件宜等分，這樣連接出的梭形構(gòu)造(見圖6)比較順滑，施工控制點(diǎn)比較容易選取。

圖6

采光頂造型定義好的情況下，進(jìn)入方案構(gòu)思階段，將整個(gè)采光頂分為3 個(gè)層次：

1)主骨架：主骨架宜采用同等截面的鋼管，空間模型及鋼管交匯點(diǎn)應(yīng)位于鋼管軸心，對(duì)應(yīng)的側(cè)管與主管的交接點(diǎn)則位于主管的兩側(cè)不同水平坐標(biāo)上；

2)次龍骨：宜選用與隱框玻璃托相匹配的矩形鋼管，滿足安裝需要即可，或者采用鋼板以弱化次龍骨的存在，整個(gè)采光頂更加美觀；

3)面板層：面板層即完成的玻璃面。

以上每個(gè)層次都有著不同的空間坐標(biāo)，只有在每個(gè)坐標(biāo)準(zhǔn)確的情況下，才能保證玻璃安裝后的效果。

本采光頂主骨架采用180×100×5 鋼管、150×100×5 鋼管和80×80×4 鋼管，骨架材質(zhì)為Q235B，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215 N/mm2，縱向跨度最大為9.5 m，玻璃共計(jì)396 個(gè)單元，桿件較多，設(shè)計(jì)時(shí)采用同濟(jì)大學(xué)的3D3S 結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件校核分析，從而保證結(jié)構(gòu)的合理及安全性。本采光頂荷載選取如下供相應(yīng)設(shè)計(jì)人參考：

工程位于珠海市橫琴新區(qū)，基本風(fēng)壓為0.85 kN/m2(50 年一遇)，地面粗糙度為A 類，抗震設(shè)防烈度：7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.10 g。

采光頂單元恒載標(biāo)準(zhǔn)值選為0.8 kN/m2，為雙夾膠中空玻璃的重量及副龍骨的重量。

風(fēng)荷載1 體型系數(shù)按GB50009—2012《建筑荷載結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》第8.3.3 項(xiàng)和8.3.5 項(xiàng)選取；

風(fēng)荷載2 按GB/T 21086—2007《建筑幕墻》附錄B，采光頂?shù)娘L(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值不應(yīng)小于1.5 kN/m2，取為1.5 kN/m2，方向向下；

地震荷載由軟件自動(dòng)計(jì)算。

分別按如下荷載組合進(jìn)行校核：

1)1.20恒載+1.40 風(fēng)載工況1+1.30×0.50 水平地震；

2)1.20恒載+1.40 溫度荷載；

3)1.00恒載+1.40 風(fēng)載工況2+1.30×0.50 水平地震。

經(jīng)過計(jì)算，所選構(gòu)件滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要。

計(jì)算及構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意支座設(shè)定，如果設(shè)成普通的鉸接或固接，在選用同樣桿件的情況下，無法計(jì)算通過，而選用橡膠支座的情況下可以通過計(jì)算，因此合理選用支座構(gòu)造，對(duì)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)及安全都比較重要，本工程選用100 mm 硬質(zhì)橡膠及化學(xué)植筋的支座連接形式。

在結(jié)構(gòu)滿足需要的前提下，構(gòu)造及工藝設(shè)計(jì)應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：

表面處理，作為屋面采光頂，且面積大于200 m2的鋼結(jié)構(gòu)采光頂，要求鋼材表面要進(jìn)行防火處理，要求不低于1.5 h，且該項(xiàng)目位于珠海海邊，鋼結(jié)構(gòu)防腐要求同樣較高，本工程表面處理方式采取底漆+中間漆+防火涂料+面漆的多層復(fù)合噴涂處理方式，由于現(xiàn)在防火涂料工藝相對(duì)成熟，多數(shù)廠家都可以提供滿足1.5 h 防火要求的2 mm 厚防火涂料。應(yīng)注意工藝中應(yīng)在防腐中間漆后增設(shè)一層封閉漆，以增加防火涂料與防銹漆間的附著力。

2 論述采光頂設(shè)計(jì)共性問題

2.1 采光頂?shù)姆览自O(shè)計(jì)

采光頂一般作為屋面結(jié)構(gòu)，尤其位于建筑頂部的采光頂更容易成為雷擊目標(biāo)，所以采光頂設(shè)計(jì)應(yīng)重視防雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在投入成本較小的情況下，可以起到很好的防雷保護(hù)效果。采光頂?shù)姆览状胧┍容^簡單，首先應(yīng)利用采光頂?shù)慕饘俟羌?，并保證其貫通，之后將采光頂金屬桿件采用φ12鍍鋅圓鋼與防雷引下線相連接，并控制其連接間距不超過15 m。

2.2 采光頂?shù)呐潘O(shè)計(jì)

平面采光頂設(shè)計(jì)，尤其重要是散排水設(shè)計(jì)，例如佛山市碧桂園五星級(jí)酒店中央大型采光頂，施工后的積水情況相當(dāng)嚴(yán)重，整個(gè)采光頂表面凹凸不平，對(duì)于本工程項(xiàng)目拱形采光頂，由于四周為對(duì)稱構(gòu)造，無法找坡排水，只能采用構(gòu)造起拱來起到四周散水的作用。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)將采光頂自重產(chǎn)生的撓度扣除，之后按3%散水坡度預(yù)拉彎鋼管起拱，并按從中間向兩側(cè)逐漸降低拱高。經(jīng)過實(shí)踐證明該起拱效果比較好，完成后采光頂可以起到明顯散水作用。

2.3 采光頂玻璃的防破損設(shè)計(jì)

采光頂玻璃面板的選取在設(shè)計(jì)方案階段也比較重要，設(shè)計(jì)人員應(yīng)理清關(guān)鍵點(diǎn)，給業(yè)主適當(dāng)引導(dǎo)，從而保證采光頂?shù)木C合性價(jià)比。首先采光頂玻璃面板應(yīng)選用安全玻璃中的夾膠玻璃，并按板塊大小選取PVB 膠片厚度。一般采光頂因使用位置及起拱等原因，更換玻璃都比較麻煩且成本高，并且采光頂接受陽光直射的機(jī)會(huì)很大，溫度應(yīng)力產(chǎn)生自爆的可能性也大很多，玻璃補(bǔ)片及更換成本都較高，所以一次到位的設(shè)計(jì)更為可取，采光頂玻璃既安全又不會(huì)破損，對(duì)于施工單位的意義很明顯。另外鋼化玻璃自爆是目前為止無法避免的問題，玻璃后期的均質(zhì)處理雖然可以起到降低自爆率的作用，但無法消除，所以采光頂玻璃宜采用超白玻璃原片和半鋼化的組合，這樣在保證玻璃彈性連接設(shè)計(jì)的情況下基本不會(huì)再出現(xiàn)自爆的問題。我司施工的廣州長隆泳池的采光頂實(shí)踐證明，采用超白玻璃增加的成本遠(yuǎn)小于后期更換玻璃的成本。在面板綜合選取之后，構(gòu)造設(shè)計(jì)也相當(dāng)重要，設(shè)計(jì)前應(yīng)明確該玻璃采光頂?shù)闹黧w結(jié)構(gòu)類型，鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的最大層間彈性位移角有明顯區(qū)別，主體為鋼結(jié)構(gòu)的采光頂設(shè)計(jì)過程中應(yīng)給予板塊更大的自由度，以免板塊因受擠壓等產(chǎn)生局部應(yīng)力而破損。

2.4 采光頂?shù)墓?jié)能設(shè)計(jì)

采光頂?shù)墓?jié)能設(shè)計(jì)首先應(yīng)保證面板符合建筑設(shè)計(jì)要求及規(guī)范要求，其次應(yīng)重視構(gòu)造設(shè)計(jì)，如明框采光頂宜采用斷熱型構(gòu)造。采光頂主面板達(dá)到要求的情況下，應(yīng)重視收邊構(gòu)造的處理，設(shè)計(jì)過程要保證該部位滿足節(jié)能要求，一般采用鋁單板內(nèi)附保溫玻璃棉的構(gòu)造。

3 結(jié)語

本文通過幾個(gè)工程實(shí)例的設(shè)計(jì)介紹，結(jié)合實(shí)際體會(huì)，重點(diǎn)論述設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題，并論述了采光頂設(shè)計(jì)共性問題，希望可以引起相應(yīng)設(shè)計(jì)人員的注意，從設(shè)計(jì)角度多花些心思全面思考，為工程取得良好的性能及便于施工的角度做出設(shè)計(jì)人員應(yīng)有的貢獻(xiàn)，體現(xiàn)裝飾設(shè)計(jì)人員的價(jià)值。

[1]JGJ 255—2012,采光頂與金屬屋面技術(shù)規(guī)程[S].

[2]JG/T 231—2007,建筑玻璃采光頂[S].

[3]GB 50009—2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[4]GB5237.1—2008,鋁合金建筑型材第1 部分基材[S].