最近这段时间，我会不间断更新金属屋面系统的一些经典工程介绍。希望对大家能有些帮助。
1 屋面工程简介
天津奥林匹克中心体育场位于天津市南开区宾水西道与卫津南路交口处，该工程建成后将作为2008年北京奥运会的足球分赛场，建筑面积158488m2，建筑高度53m，主体结构为钢筋混凝土框架，屋顶结构为钢管桁架。体育场建筑造型外表面为一个三维空间曲面，以具有自然形态的“水滴”为主题，屋面为不规则的空间曲面，最大垂直面曲率半径约340m，最小垂直面曲率半径约30m，最大水平面曲率半径约210 m2，最小水平面曲率半径约35m。
主体育场屋面采用复合式金属屋面系统，从上到下其基本构造为：装饰板系统、屋面板安装转接系统、直立锁边系统（由其他公司承做）、保温系统（由其他公司承做）。
2 屋面布置及技术指标
整个屋面系统由三大部分组成：靠下部的夹胶点式玻璃幕墙屋面、中间部位的蜂窝板屋面幕墙及顶部的阳光板屋面。我公司承建中部蜂窝板屋面及下部点式夹胶玻璃屋面。
由于本工程外形为不规则空间曲面造型，装饰板如果完全按空间曲面设计，板块较难加工，况且各段曲面曲率半径不一，加工成本也会很高，考虑到本工程曲面曲率半径较大（最大垂直面曲率半径约340m，最小垂直面曲率半径约30m，最大水平面曲率半径约210m，最小水平面曲率半径约35m），因而可采用平面板来拟合空间曲面造型。
平面板采用横向分格方式，高度方向从阳光板区域的下边界开始，按800mm等宽向下划分，直至与下边的玻璃幕墙相交；宽度方向，每个分轴距之间按与底部玻璃交界处板块尺寸3等分，宽约2500—3000mm，板块按此宽度向上均分，最终在两片天窗之间，形成中部四条长度相近的板块区（多为矩形，局部为梯形），两侧形成两个略窄的梯形及三角形板块区。
由于板块分格高为800mm，长度多在2500—3000mm之间，高度方向板缝宽100mm，因而可采用宽750mm、长3000mm的原板加工制作，材料利用率可达到90%左右。
经设计分析，采用此种分格，相邻平面板块转角在5°以内，由于本工程系开放式结构，板缝宽达50—100mm，完全可以达到光滑过渡的曲面效果。
此分格的特点是：多数板块为矩形，尺寸一致，大小适中，板材利用率高，外视效果整齐、美观，同时有利于板块加工、安装，天窗设置部位、大小合理，装饰效果明显。
3 屋面系统设计
3.1 屋面系统结构设计
3.1.1 装饰板系统
铝蜂窝装饰板屋面位于体育场屋面的中间部位，面积47000余m2，是体育场屋面最主要的部分。其面板为仿不锈钢色25mm厚铝蜂窝板，周圈由56个形状相似的“V”字镂空型状组成，56个“V”型象征我国56个民族。板间轴线方向板缝为50mm，板纬线方向板缝为100mm，整个屋面板为开放式结构，外面平滑圆润、熠熠生辉。
铝蜂窝装饰板屋面为典型的三维不规则空间曲面，属特种屋面，板块造型独特、复杂，且排水、维护等功能要求较高。为实现其平滑过渡的空间曲面效果，我们设计了一套多层次基准找形、以平面板拟合空间曲面造型结构系统，既可保证平滑、和谐的艺术效果和经济实用性，又可解决热膨胀变形伸缩、密封及排水问题，确保屋面各项性能优良。
3.1.2 转接系统
因直立锁边屋面板为近似曲面,而蜂窝板只能安装于其放射分布的高65mm的锁边上，为此在蜂窝板安装中，连接装置需能进行三维方向调节，以消除结构误差及安装误差。。在原结构基础上做了简化及调整。把大面原受偏心力的连接装置的圆管取消，采用直接连接方式; 蜂窝板采用横向龙骨体系，龙骨可由各级转接件实现90度转接及高度调整，取消了盲操作安装的压板，改为长孔螺栓连接，这样对于不规则曲面安装更有利，以达到最理想的状态。
3.1.2.1在直立锁边金属屋面板的固定支座上连接一个铝合金夹具支架（转接件系统），该转接件由两支铝合金型材相互咬合而成，安装时一端夹在屋面板的T型固定支座上，然后用螺栓拧紧。
构件的主要功能是：
a.可因屋面板的安装状态不同而或松或紧，从而实现变位要求。
b.作为连接件，与铝合金屋面板实现90度转接，以便结构进一步安装。
3.1.2.2转接件二为一个“人”字型环形铝合金连接支座，转接件的下端与转接件系统通过四个螺栓M6×25螺接 。此构件的主要功能是与转接件系统一起实现龙骨90度转接，并通过高度调整，可实现第二层次基准找形。
3.1.2.3转接件一为U型铝合金转接件，其下端开有长圆形孔，其上下移动可调整装饰板高度，面板高度调整完成后，转接件的齿条与带齿的垫片（YL-5037）咬合固定，可防止转接件上下滑动，同时由于转接件分段布置，其各点高低的不同，可带动各处铝板的拟形，其中的楔型件可使U型件绕人字型件做小有转动，板块可在此方向旋转，从而可调整板块的倾斜角度，满足平板拟合空间曲面造型的设计要求。
3.1.2.4蜂窝铝板通过连接在板附框上的“七”字连接扣用螺栓固定在U型转接件上。铝合金蜂窜装饰板U型转接件的上端开有槽口，槽口内穿入三元乙丙胶条。在高度方向上连接采用的是长槽孔定距螺接方式，装饰板与龙骨之间也采用二级转接件结构，板块可在平面内浮动吸收变形。在宽度方向上，由于楔型件可使U型件绕人字型件做小有转动，板块可在此方向旋转，从而可调整板块的倾斜角度，这对于本工程来说非常重要。安装屋面板时，允许压板处及各螺栓连接处可调，板按坐标调整好后拧紧各调整螺栓。现场安装间距1200mm压板距板边悬边≤500mm。
3.1.3 防火性能
防火性能设计和防火等级大小，是衡量幕墙及屋面功能优良与否的一个重要指标。
本方案屋面装饰材料全部是难燃或不燃烧体，保证防火性能。耐火极限能够满足本工程的要求，为消防工作争取了时间，有效地保障人员和财产的安全。
3.1.4 平面内变形和抗震性能
在地震和大风作用下，建筑物各层之间产生相对位移时，幕墙构件就会产生水平方向的强制位移。本工程幕墙屋面板块为浮动式连接，并且与主体实现了弹性连接，在地震或大风作用下，产生强制水平位移时，板块之间相互独立，不会造成板块间的挤压破损。平面变形性能为Ⅰ级。
本工程抗震设防为7度，通过计算各个分体连接部位，如：龙骨与连接件的螺接处，龙骨与龙骨之间的伸缩缝，板块与龙骨之间的活动连接，板块之间的缝隙等。留有活动余量用来保证，当设防烈度（或比设防烈度略高）的地震作用到来时，屋面能满足抗震水准要求。
3.1.5 耐撞击性能
屋面板采用25mm蜂窝铝板，有较好的耐冲击性能。因此屋面具有很好的耐冲击性能可达到Ⅱ级。
3.2 屋面防水结构设计
采用贝姆高肋锁边板系统，锁边高度65mm，板宽400mm，面板为0.9mm铝镁锰合金板。整张板长度方向通长布置。
3.2.1 适应复杂的形体
本工程外形为不规则空间曲面造型，曲面曲率半径较大（最大垂直面曲率半径约340m，最小垂直面曲率半径约30m，最大水平面曲率半径约210m，最小水平面曲率半径约35m）
3.2.2 固定方式
3.2.2.1将铝合金ST固定座与檩条固定
3.2.2.2将宽400mm高65mm的铝镁锰合金板直立肋卡在铝合金固定座上，并被相邻的另一块板覆盖。
3.2.2.3将卡在同一个固定座上的直立大小肋用锁边机锁紧，完成直立锁边固定。固定座在结构上按一定的间距布置，易于拟合出光滑的防水曲面，这种固定方式的优势在于不需穿透板面，从原理上解决了渗漏问题。系统中铝板直立弧肋设有通长等压槽，可实时保持与外界等压，还可以避免虹吸现象。直立肋搭接面的缝隙可形成排出保温层水汽的通道，保持内部干燥，避免因保温棉内水汽凝聚而降低保温隔热效果。
3.2.3 抗风压性能
传统的压型金属板屋面来说，其落后的固定方式决定了其抗风性能的不足，比如采用螺钉穿透式固定的屋面板，螺钉帽与屋面板的接触面积很小，在遭遇大风时，由于反复承受正负风压，屋面板在钉孔处产生应力集中导致撕裂，虽然螺钉仍然留在檩条上，但屋面板却已被吹飞。本方案采用的屋面系统在固定方式上有根本的不同，其采用铝合金固定座与檩条固定，再将屋面板卡在固定座的头上，然后用电动锁边机将板肋锁在固定座上，这种固定方式不需穿透板面，因而屋面板没有任何损伤，当然也就不会产生应力集中问题。
3.2.4 温度变形
由于保温层通常设在防水板的内侧，所以大面积金属屋面板都存在着严重的温度变形问题。若不合理的释放这部分变形，易产生噪声，严重时防水板会局部折屈、隆起或因连接处应力集中造成板面撕裂。本系统采用的固定座在构造上能保证防水板沿板长方向释放温度变形，也就释放了因温度或装配误差导致的不利初始应力。
3.2.5 屋面防腐设计
因整个屋面幕墙里外均处于室外，受天气影响较大，所以整个屋面系统的防腐尤其重要，为此我们从原材料、现场施工、加工工艺做了全面考虑；
3.2.5.1原材料
l 面材中蜂窝铝板表面氟碳喷涂处理，氟碳树脂处理时，氟碳树脂含量不低于75%，三道氟碳树脂涂层厚度大于40μm；
l 铝合金型材选用6063T6高精级铝合金型材，型材表面阳极氧化处理，氧化膜厚为AA15级。
l 防水板采用牌号为3004的铝镁锰合金，基材具有极强的耐腐蚀能力，表面阳极氧化处理，氧化膜厚度AA15级标准。在酸性环境下，其防腐性能大大优于钢板和普通铝合金板。
l 钢结构件外表面均做防腐处理，钢件所需工艺孔等加工部位均在厂内加工好，然后必须喷砂除锈和清扫处理，以增强表面材料的附着力和耐久性，之后进行热浸镀锌及外露表面瓷漆处理。
l 所有螺栓、螺母、螺丝、垫圈等附件均选用不锈钢件（A2—70）。
l 所有的密封件为耐腐蚀的非金属材料。不同金属材料之间加设绝缘垫片，以防止电化腐蚀。
3.2.5.2现场施工
现场在做连接件焊接时，焊后均涂两度防锈漆，再涂富锌漆两度，确保局部防腐蚀性能。
3.2.5.3工艺保证
所有钢转接件外表面均做防腐处理，钢件所需工艺孔等加工部位均在厂内加工好，然后再喷砂除锈和清扫处理，之后进行热浸镀锌及外露表面瓷漆处理。
3.3 屋面系统隔热构造设计：
3.3.1 防水板下满铺100mm厚的密度为16Kg/m3的长纤维玻璃棉，其传热系数为0.4W/(㎡·K)。
3.3.2 T型固定座下的改性橡胶垫层隔断了金属连接件的传热通路，能有效达到隔断冷桥的目的，减少室内热量损失，避免内侧产生凝结。其传热系数为0.4W/(㎡·K)。
3.4 防静电设计
由于本工程大量采用铝板装饰面，铝是电的良导体，表面极易屯积电荷而吸附灰尘，从而造成屋面表面的污染，影响屋面的外饰效果。屋面能否经过长期的使用而历久如新，保持良好的建筑形象，关键在于如何解决屋面静电问题。
屋面静电吸尘问题，是由于没有一个良好的电荷输出通道，只要建立一个良好的电荷流通渠道，这个问题就迎刃而解了。
在工程中屋面系统中我们通过采用多道镀锌扁铁将装饰铝板、铝合金屋面板、铝龙骨、C型钢等与防雷系统实现可靠接地，从而从屋面结构上，形成了可靠接地通路。这样铝板表面有电荷产生时，电荷就会沿着通畅的接地通路导入地下，屋面表面就不会造成电荷屯积，避免了屋面的静电吸尘问题。
3.5 防雷设计
根据国家《建筑物防雷设计规范》（GB50057－94）要求奥体中心属二类防雷建筑物，建筑物防雷设计，不仅考虑顶层雷击，还要考虑侧向雷击。利用每隔2.2m环状贯通的铝合金导轨和导轨间的铝合金蘑菇头作为避雷网接闪器符合防雷规范的要求，防雷设计按以下方案实施：
l 采用多道镀锌扁铁将外饰蜂窝铝板、金属屋面板、铝龙骨、C型钢等与建筑均压环贯连共同形成防雷装置。
l 经由屋面防水板接入的雷电电流，通过拆除固定座螺钉的防水胶垫，增加导电接触点的办法，导入钢构接地；
l 工程按Ⅱ类防雷设计，形成不大于10×10米或8×12米防侧雷网络，保证建筑的安全，防止雷电损害；
l 为了减小通路电阻，铝龙骨与防雷系统中的钢带相连时做特殊处理，铝龙骨的接触处去掉保护膜，这样，可有效地保证接触处电阻更小。
本方案所选用的屋面板为25mm厚氟碳喷涂铝合金蜂窝屋面板，完全满足上述条件，因此可将屋面板作为接闪器，从导轨和蘑菇头到主体钢架接地，由数万个螺栓连接，足以满足电器通路要求，通过固定网格交叉点设置引下线，将电流引至屋面板下的檩条上，通过屋面檩条与整个结构形成一个避雷体系。本方案无需另设避雷带和避雷针，从而使屋面整洁美观，并可节省一定投资。
3.6 装饰天沟设计
蜂窝板屋面与装饰天窗接口处采用铝单板设计：其作用一方面是起到分隔不同区域的装饰作用，另一方面用来遮蔽内部金属防水板起美化外观作用，天沟采用2.5mm铝单板制作，矩形截面，分格随蜂窝板分格。天沟两侧用螺钉直接固定在玻璃或金属板的龙骨上。
3.7 屋面各部分系统接口及排水系统设计
做为屋面系统工程，排水与防水性能的好坏可谓是本工程成功与否的关键。本工程的主要部位——金属复合屋面主要采用直立锁边屋面板系统来实现。而与其相接口的点式玻璃幕墙也重点考虑排水与防水问题,排水天沟采用暗敷式设计，既能保证屋面排水功能，又能保证屋面美观的外视效果。
3.7.1 金属复合屋面与阳光板处排水设计：
阳光板与金属防水屋面接口处为封闭的环形带，为解决上部阳光板屋面的排水问题，此周圈设计为集水天沟，天沟采用2mm不锈钢板制作，矩形截面，经计算，天沟设计宽度250mm、高度380mm。天沟一侧用披水板与阳光板下端面支承龙骨咬合，另一侧与直立锁边屋面板咬合,锁边板与阳光板搭接150mm，形成暗敷式效果。不锈钢板天沟长度方向沿圆周分段布置，每段长度20米，各自形成独立的排水系统，各段之间设计100mm伸缩缝，以满足天沟伸缩变形的需要，伸缩缝处采用膨胀节式顶部封板，并施密封胶密封。
集水天沟内分段设计排水管（属主体施工范畴），将来自阳光板屋面的雨水导入工程主排水系统。
本方案天沟横向联合采用咬合安装、长度方向采用伸缩缝结构，可适应屋面各部位因温差而产生的伸缩变形。
同时，为保证排水天沟的防水性能，在锁边板、披水板与天沟板咬合处均施密封胶密封。
3.7.2 防水屋面与点玻接口处排水天沟设计：
金属复合屋面与点式玻璃幕墙接口处是封闭的环形带，为解决上部金属屋面的大量排水，此周圈也设计为集水天沟，天沟也采用2mm不锈钢板制作，矩形截面，经计算，天沟设计宽度350mm、高度870mm。天沟一侧用披水板与金属复合屋面锁边板封修，另一侧与点玻面板封修。锁边板与点玻屋面搭接200mm，形成暗敷式效果。不锈钢板天沟长度方向沿圆周分段布置，每段长度20米，各自形成独立的排水系统，各段之间设计100mm伸缩缝，以满足天沟伸缩变形的需要，伸缩缝处采用膨胀节式顶部封板，并施密封胶密封。
集水天沟内分段设计排水管（属主体施工范畴），将来自阳光板屋面的雨水导入工程主排水系统。
本方案天沟横向联合采用咬合安装、长度方向采用伸缩缝结构，可适应屋面各部位因温差而产生的伸缩变形。
同时，为保证排水天沟的防水性能，在锁边板、披水板与天沟板咬合处均施密封胶密封。
3.7.3 体育场入口处收水处理设计：
为保证屋面下部玻璃幕墙排下的雨水不至于在入口处形成水帘，影响人员出入，我们在入口上方的玻璃幕墙下部设计了一个收水槽，收水槽采用2mm不锈钢板制作，尺寸为230x250mm，上部开口并折角收口，外表面亚光处理，以收集下落的雨水。不锈钢收水槽与主檩条上转接件连接固定，长度方向现场对接。
落入收水槽的水横向由高到低流到入口两侧，再导入主体排水管道内排出。
该收水方案简捷、易行，与点式幕墙通透简约的风格相一致。通过上述收水处理，本方案可保证雨水有序、顺畅地排到两侧，使入口不会形成“雨幕”，保证使用功能。
3.7.4 屋面不锈钢扶手设计：
在整个屋面部分，仅在蜂窝板上有三道交圈的不锈钢扶手，当屋面进行清洗、检修等操作时，需要有关人员及物品挂于其上。我们加大了与直立锁边板边接的铝支座长度，增加螺栓数量，同时加大了竖柱为60*60的方钢，且有上、下两个加强筋板，尽可能降低了维护管的高度。经此变动后计算，其每点承载量已超过300KG。
4 系统材料清单
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分层部位 |
材料名称 |
规格 |
产地 |
备注 |
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屋面板 |
铝蜂窝板 |
25mm |
荷兰亨特 |
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造型结构支撑 |
转接系统 |
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防水面层 |
铝镁锰压型板 |
65/400 0.9mm |
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保温隔热层 |
保温岩棉 |
100mm |
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防水气密层 |
PVF隔气膜 |
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支撑层 |
几字型檩 |
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结构层 |
C型檩条 |
100X60X13.5xδ1.5 |
中国 |
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配件 |
高强铝合金T型固定座 |
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兜网 |
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结构支撑 |
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室外下层 |
穿孔压型镀铝锌钢板 |
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紧固件 |
螺栓 自攻螺钉 |
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密封件 |
<END>
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署名-非商业性使用 4.0 国际
（CC BY 4.0 ）
原文始发于微信公众号（幕墙BIM网）：经典工程解析：远大造，天津奥体中心（金属屋面介绍NO.2）
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