高原氣候下大型公共建筑幕墻設(shè)計(jì)探討
——以青海海東體育中心為例

杜達(dá)豐 中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

1 工程概況

海東市體育中心位于青海省海東市樂都區(qū)，本工程分為體育場(chǎng)和體育游泳館兩個(gè)單體，體育場(chǎng)主體建筑面積30153m2，地上3層；體育游泳館建筑面積33192m2（含室外平臺(tái)），其中體育館主比賽廳1層，看臺(tái)2層，附屬功能局部3層。游泳館游泳大廳1層，附屬功能局部地上2層、地下1層。建筑在造型上為折線形，以“丹霞紅”作為建筑基調(diào)色，通過多邊形金屬幕墻拼接，塑造充滿力量感的建筑形體，利用折面規(guī)律組合和體量切削的手法從不同角度體現(xiàn)建筑的張力與氣勢(shì)。

本項(xiàng)目相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)：①地面粗糙度類別：B類；②幕墻最大標(biāo)高34.950m；③基本風(fēng)壓：Wo=0.35kN/m；基本雪壓：So=0.2kN/m；④抗震設(shè)防烈度：8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.2g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組；⑤設(shè)計(jì)等級(jí)要求：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限符合GB/T 21086—2007《建筑幕墻》中第5.1.9條中的有關(guān)規(guī)定（即不宜低于25年），其中預(yù)埋件等不易更換的構(gòu)件設(shè)計(jì)合理使用年限應(yīng)同主體結(jié)構(gòu)為50年，建筑主樓耐火等級(jí)一級(jí)，二類防雷建筑物。

體育游泳館的幕墻類型有鋁板幕墻、玻璃幕墻、預(yù)制混凝土板幕墻、耐候鋼板幕墻、鋁合金格柵、鋁鎂錳屋面幕墻、玻璃采光頂。其中玻璃幕墻、預(yù)制混凝土板幕墻、鋁合金格柵均為豎直面，空間定位較為簡單，有平立面即可。難點(diǎn)在于耐候鋼板幕墻、鋁鎂錳屋面幕墻、玻璃采光頂，由于是空間結(jié)構(gòu)，不僅需要平立面，還應(yīng)加以三維坐標(biāo)進(jìn)行定位。鋁鎂錳屋面幕墻還應(yīng)考慮屋面的有組織排水及幕墻的清洗措施。

體育場(chǎng)的幕墻類型有鋁板幕墻、預(yù)制混凝土板幕墻、耐候鋼板幕墻、鋁合金格柵、鋁鎂錳屋面幕墻、玻璃采光頂。其中難點(diǎn)在于本場(chǎng)館表皮為褶皺形式，空間定位及板塊分格非常復(fù)雜，且主體結(jié)構(gòu)腹桿不能作為幕墻受力支撐點(diǎn)，幕墻需自身設(shè)置鋼架受力體系。褶皺體型給屋面的防水、防漏、排水也增加了難度。

2 幕墻設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

作為在高原地域下的大型公共體育建筑，特別是在高氣壓、低溫的影響下，選用的幕墻體系應(yīng)能達(dá)到安全、可靠、美觀、適用、經(jīng)濟(jì)性的有機(jī)結(jié)合。海東體育中心項(xiàng)目幕墻設(shè)計(jì)主要為立面幕墻系統(tǒng)和屋面系統(tǒng)兩方面。

立面幕墻系統(tǒng)以耐候鋼板幕墻為主，輔以預(yù)制混凝土板幕墻、玻璃幕墻等其他元素，豐富立面效果。體育游泳館內(nèi)部商業(yè)街兩側(cè)以耐候鋼板幕墻、豎向裝飾仿木格柵、玻璃幕墻為主，頂部配以玻璃采光頂及規(guī)律性格柵遮陽，滿足建筑功能要求同時(shí)增加了建筑的層次感。體育場(chǎng)立面以褶皺型耐候鋼板幕墻為主，兩個(gè)主入口處配以預(yù)制混凝土板幕墻。

屋面系統(tǒng)采用工藝成熟的直立鎖邊鋁鎂錳屋面系統(tǒng)，本屋面系統(tǒng)在耐高氣壓、耐溫度變化、防雨性能、保溫隔音等方面都非常適用于高原氣候下的大型體育場(chǎng)館；同時(shí)，為達(dá)到完成效果與立面的統(tǒng)一，鋁鎂錳屋面上加設(shè)了鋁板層，使得屋頂與立面上的耐候鋼板幕墻在色彩、材質(zhì)上更加統(tǒng)一；其次，屋頂?shù)乃闹茉O(shè)有排水系統(tǒng)，水溝下部考慮到高原氣候下雨雪天氣，設(shè)有防凍加熱系統(tǒng)；最后，考慮未來的清洗維護(hù)，在屋面頂部四周設(shè)計(jì)掛點(diǎn)，以滿足后期維護(hù)要求。

2.2 設(shè)計(jì)方案

2.2.1 體育游泳館

（1）玻璃幕墻：考慮安全因素采用全明框玻璃幕墻，以豎向線條為主，弱化橫向明框形式。

（2）預(yù)制混凝土板幕墻：面板規(guī)格按1500mm（寬）×3000mm（高）布，其中寬度方向中點(diǎn)處設(shè)置假縫。

（3）耐候鋼板幕墻：立面上以1500mm（寬）×2000mm（高）規(guī)格按一定規(guī)律斜向排布，其中高度方向的橫向膠縫為密拼處理，豎向縫按15mm（寬）×30mm（深）設(shè)計(jì)，形成以豎縫為主肌理。

（4）鋁鎂錳屋面幕墻：考慮到防水性及實(shí)用性，本工程鋁鎂錳屋面采用直立鎖邊體系，從上而下依次設(shè)置有鋁鎂錳合金屋面板、100mm厚保溫玻璃棉帶鋁箔防潮層、鍍鋅鋼絲網(wǎng)、鋼管主次檁條、吸音棉下鋪無紡布、穿孔壓型鋼板吊頂。

（5）鋁板幕墻：鋁鎂錳屋面上方設(shè)計(jì)有鋁板幕墻，面板規(guī)格按1500mm（寬）×4000mm（高）規(guī)格按一定規(guī)律斜向排布，為開放式做法，顏色同周圈耐候鋼板幕墻。

2.2.2 體育場(chǎng)館

（1）耐候鋼板幕墻：立面上以1500mm（寬）×2000mm（高）規(guī)格按一定規(guī)律斜向排布，其中高度方向的橫向膠縫為密拼處理，豎向縫按15mm（寬）×30mm（深）設(shè)計(jì)，形成以豎縫為主肌理。耐候鋼板幕墻內(nèi)側(cè)設(shè)有仿木鋁合金格柵遮擋。

（2）鋁鎂錳屋面幕墻：考慮到防水性及實(shí)用性，本工程鋁鎂錳屋面采用直立鎖邊體系，從上而下依次設(shè)置有鋁鎂錳合金屋面板、鋼管主次檁條、吸音棉下鋪無紡布、穿孔壓型鋼板吊頂。底部設(shè)有仿木鋁合金格柵吊頂裝飾。

（3）鋁板幕墻：鋁鎂錳屋面上方設(shè)計(jì)有鋁板幕墻，面板規(guī)格按1500mm（寬）×4000mm（高）規(guī)格按一定規(guī)律斜向排布，為開放式做法，顏色同周圈耐候鋼板幕墻。

3 相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)海東體育中心所處的青海高原氣候特征，本工程幕墻設(shè)計(jì)對(duì)抗風(fēng)、水密、氣密、變形、熱工、隔聲、耐撞擊、承重、防雷、防火、防腐蝕等11方面進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（1）抗風(fēng)壓性能。指幕墻可開啟部分為關(guān)閉狀態(tài)時(shí)在風(fēng)壓作用下幕墻變形不超過允許值且不發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞（如裂縫、面板破損、局部屈服、粘結(jié)失效等）及五金件松動(dòng)，本項(xiàng)目幕墻最大標(biāo)高25.831m,在抗風(fēng)壓性能指標(biāo)值作用下最大抗風(fēng)性能為Wk=1.288kPa。

（2）水密性能。指在風(fēng)雨同時(shí)作用下幕墻透過雨水的能力，針對(duì)高原氣候條件本項(xiàng)目在確保幕墻不發(fā)生雨水滲漏的前提下把室內(nèi)外空氣壓力差作為幕墻防雨水滲漏性能的衡量指標(biāo)，并按幕墻固定部分和開啟部分分開制定分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。本工程幕墻水密性1級(jí)，外門窗水密性能按建筑設(shè)計(jì)要求達(dá)到4級(jí)。

（3）氣密性能。本工程氣密性能指標(biāo)應(yīng)符合GB 50176、GB 50189、JGJ 132、JGJ 134、JGJ 26的有關(guān)規(guī)定，并滿足相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求。本工程幕墻氣密性能為3級(jí)，外門窗氣密性能按建筑設(shè)計(jì)要求達(dá)到6級(jí)。

（4）平面內(nèi)變形性能。建筑幕墻層間變形性能是指在建筑主體結(jié)構(gòu)發(fā)生反復(fù)層間位移時(shí)幕墻保持其自身及主體連接部位不發(fā)生破壞及功能障礙的能力。本工程主體為框架結(jié)構(gòu)，幕墻取主體單層彈性層間位移限值的3倍，對(duì)應(yīng)平面內(nèi)變形性能為3級(jí)。

（5）熱工性能。建筑幕墻熱工性能指標(biāo)以建筑幕墻傳熱系數(shù)K值［W/（m2·K）］作為分級(jí)指標(biāo)；本工程非透明幕墻結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)為：0.77W/（m2·K），分級(jí)指標(biāo)K應(yīng)為B級(jí)；本工程坡墻幕墻傳熱系數(shù)為2.3W/（m2·K），分級(jí)指標(biāo)K為5級(jí)。

（6）空氣聲隔聲性能?？諝饴暩袈曅阅芤杂?jì)取隔聲量作為分級(jí)指標(biāo)，應(yīng)滿足室內(nèi)聲環(huán)境的需要，符合GBJ 118的規(guī)定，本工程幕墻空氣聲隔聲性能為2級(jí)。

（7）耐撞擊性能。耐撞擊性能應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，本項(xiàng)目人員流動(dòng)密度大或青少年、幼兒活動(dòng)的公共建筑的建筑幕墻。耐撞擊性能指標(biāo)不低于2級(jí)，本工程幕墻耐撞擊性能應(yīng)為1/1級(jí)。

（8）承重力性能。幕墻應(yīng)能承受自重和設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定的各種附件的重量，并能可靠地傳遞到主體結(jié)構(gòu)；在自重標(biāo)準(zhǔn)值作用下，水平受力構(gòu)件在單塊面板兩端跨距內(nèi)的最大跨度不應(yīng)超過該面板兩端跨距的1/500，且不應(yīng)超過3mm。

（9）防雷性能。符合GB 50057《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》、JGJ 16《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的防雷建筑物要求井應(yīng)符合JGJ 102《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》的第4.4.13條中規(guī)定。

（10）防火性能。達(dá)到GB 50016《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、并應(yīng)符合JGJ 102《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》第4.4條中有關(guān)規(guī)定。本工程的玻璃幕墻與層間樓板、隔墻外沿的石材幕墻，采用不燃材料加以隔斷厚度不小于100mm，密度不小于100kg/m，防火等級(jí)達(dá)A級(jí)并填充密實(shí)。樓層間水平防煙帶的巖棉或礦棉采用1.5mm厚的鍍鋅鋼板承托板與主體結(jié)構(gòu)、幕墻結(jié)構(gòu)及承托板之間的縫隙填充防火密封膠，保證形成全封閉的隔離帶，同時(shí)防止串煙，承托鋼板搭接長度不小于100mm。

（11）防腐蝕性功能。在材料選擇上為保證防腐性能，幕墻不銹鋼材采用奧氏體不銹鋼，牌號(hào)為06Cr19Ni10，對(duì)應(yīng)的代號(hào)為S30408且含鎳量不應(yīng)小于10%。其外觀質(zhì)量、尺寸偏差等應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

本項(xiàng)目在建筑師牽頭下，各設(shè)計(jì)專業(yè)緊密配合，在滿足業(yè)主要求的經(jīng)濟(jì)性前提下，對(duì)整個(gè)幕墻系統(tǒng)進(jìn)行了理性、秩序的深化設(shè)計(jì)，以達(dá)到幕墻系統(tǒng)和建筑設(shè)計(jì)的可實(shí)施性。在設(shè)計(jì)過程中，從以下四方面實(shí)現(xiàn)與各專業(yè)協(xié)調(diào)工作，確保設(shè)計(jì)的一致性。

（1）審核、完善建筑師的幕墻示意圖：包括深化設(shè)計(jì)平面分格圖，立面分格圖，并從建筑效果、施工技術(shù)、建筑材料等角度提出合理化建議；對(duì)國內(nèi)外現(xiàn)有材料、技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)建筑效果提出合理化建議方案。

（2）依據(jù)相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范及應(yīng)用規(guī)則，基于高原氣候下的氣候特征，協(xié)同建筑師制定相應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，例如材料的結(jié)構(gòu)、聲學(xué)、熱工、視覺及耐用壽命等相關(guān)性能。

（3）協(xié)同結(jié)構(gòu)專業(yè)對(duì)體育場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，規(guī)定風(fēng)洞試驗(yàn)要求，評(píng)估試驗(yàn)結(jié)果，并制定設(shè)計(jì)要求，包括建筑風(fēng)壓分布圖。

（4）在幕墻設(shè)計(jì)時(shí)均嚴(yán)格按照國家有關(guān)規(guī)范、規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，并符合國家規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

最后，本項(xiàng)目作為高原氣候下大型公共建筑的幕墻設(shè)計(jì)，具有一定的特殊性和代表性。不同于一般的幕墻設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目所要考慮的幕墻材料和構(gòu)造要素較為復(fù)雜和特殊，主要體現(xiàn)在耐候性和抗風(fēng)壓性這兩方面。在設(shè)計(jì)過程中以設(shè)計(jì)周期為目標(biāo)，以階段控制計(jì)劃為保證，采取動(dòng)態(tài)管理，使設(shè)計(jì)組織科學(xué)化、合理化，最終確保設(shè)計(jì)周期按計(jì)劃完成。