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1、透光屋面设计(一)栏目：幕墙技术发布时间：2008-12-5阅读次数：1961概述透光屋面也称为采光顶，它由透光面材和支承结构组成，是一个完整的结构系统。透光屋面通常与竖直平面交角大于15。与竖向平面交角小于15的部份归入建筑幕墙。多数情况下透光屋面的底平面接近于水平面或者处于水平面上。由于建筑功能和建筑艺术的要求，透光屋面常常和不透光的屋面（如金属屋面）构成一个屋面的整体。如国家大剧院为平面212m143m、高45.8m的落地椭球穹顶。两端为金属钛板屋面，中部则为透明的玻璃屋面。玻璃穹顶由中央向四周倾斜度不断加大，周边部分与竖向平面夹角往往小于15，已进入幕墙的范畴。由于在同一屋面上难以完全
2、划分屋面与幕墙，因此其设计与施工也常要参照现行行业标准玻璃幕墙工程技术规范JGJ102和金属与石材幕墙工程技术规范JGJ133的相应规定。目前，采光顶与金属屋面工程技术规范正在筹划编制中。2透光屋面的选型2.1透光屋面的外形建筑师根据建筑艺术和建筑功能首先决定透光屋面的外部形状。常用的透明屋面外形有以下几大类。1.平面及若干个平面的组合平面透光屋面可以水平放置或倾斜放置。实际上由于排水的需要，水平放置的屋面也有一定的排水坡度（通常3%左右）。若干个平面组成折面或角锥面，也广泛应用于公共建筑和标志性建筑，其中最有名的是巴黎卢浮宫玻璃金字塔（底边：36m36m）。天津泰达植物园的四角锥底边达50m
3、50m。2.微弯双曲面和扁平双曲面微弯双曲面和扁平双曲面在任意正交方向，曲率的乘积（高斯曲率）大于零：K=KxKy0多数情况下曲面正放，形成上凸采光屋面；也有些工程采用下凹反放的方式，此时要采用内排水措施。微弯双曲面的矢高f通常为跨度的1/151/30；扁平双曲面的矢高f通常为跨度的1/51/15。低矢高可以降低室内空间高度，有利于节约能源。3.柱面一根直线（母线）沿着另一根曲线（准线）平行移动，便形成柱面。柱面为单曲面，其高斯曲率为零：当准线为圆弧时，形成最常用的圆柱面。此外，还有椭圆柱面和抛物线柱面，以及沿波形曲线生成的波形柱面。4.穹顶穹顶通常是球面或椭球面的一部份，位于建筑物的顶部。在
4、许多大型公共建筑中，则常为落地的半球或半椭球。穹顶往往涵盖了墙体和屋面。5.双曲抛物面双曲抛物面常称为马鞍形曲面。它在两个正交方向上曲率的方向相反，高斯曲率小于零：K=KxKy0双曲抛物面通常由张拉双向索网或双向受拉膜生成。6.其它任意形状的曲面有时，因建筑艺术的要求，透明屋面可以采用形状复杂的或者组合的曲面，这时屋面的形状只能通过其曲面各点的三维坐标来描述。采用复杂形状透光屋面的著名工程有英国伦敦大英博物馆扩建部份、意大利米兰的新会议展览中心等。2.2透光面板的相对位置在多数情况下，透光面板位于支承结构的上面或外面，将支承结构包封在室内。但有时建筑师为了强调支承结构的形式美，也可以将支承结构
5、显露在室外，透光面板位于支承结构的下面或内面，形成倒挂面板。北京香山植物园温室的蜗壳部份，钢管桁架外露，中空玻璃倒挂在桁架下面。英国伦敦滑铁卢高速列车站、德国法兰克福机场高速列车站、德国莱比场国际博览会等，均为倒挂玻璃透明屋面。2.3面板的支承方式透光面板可采用四边金属框支承。与玻璃幕墙的面板类似，框支承面板可采用明框、半隐框和隐框方式。在屋面坡度较大时，雨水不容易滞留，可采用明框面板。通常半隐框面板的外露金属框与排水方向一致布置，避免灰尘和雨水积聚。玻璃面板还可以采用点支承，通过钢爪或夹板固定玻璃。2.4支承结构支承结构可以采用玻璃肋，玻璃肋宜采用夹层玻璃，防止破碎坠落。点支承玻璃中的玻璃肋
6、，应采用钢化夹层玻璃。绝大多数支承结构为钢结构。可以划分为刚性结构、柔性结构和混合结构三大类：1刚性结构：梁、拱、树状支柱；桁架和网架；单层和双层网壳等。2柔性结构：张拉杆索体系；自平衡索杆体系；索网；整体张拉索穹顶等。3混合结构：同时采用刚性结构和柔性结构的支承体系。3材料3.1透光面板3.1.1玻璃大多数透光屋面的面板采用玻璃，选择玻璃的品种时应考虑以下因素：1.安全为防止玻璃坠落飞散伤人，透光屋面的中空玻璃内侧（下侧）玻璃应采用夹层玻璃；单片玻璃也应采用夹层玻璃。工业厂房的采光天窗，允许采用夹丝玻璃。玻璃中的夹丝在边缘容易生锈使玻璃染上黄褐斑，影响美观，民用建筑一般不采用。2.承载力当承
7、载力有要求时，可采用钢化玻璃。点支承玻璃，支承处的孔洞和夹板下会产生大的应力集中，应采用钢化玻璃及其制品。由于钢化玻璃有自爆的可能，为防止玻璃肋自爆使面板失去支承而坠落，玻璃肋不应采用单片化玻璃。点支承玻璃肋应采用钢化夹层玻璃。3.节能国家标准公共建筑节能设计标准GB50189已经颁布，对透光部份的传热系数K和遮阳系数S已经提出了明确要求。可以采用LowE玻璃来降低能耗，双银LowE中空玻璃可以达到传热系数K的要求。采用阳光反射玻璃、本体着色玻璃和遮阳LowE玻璃可以降低遮阳系数。有时还可以采用彩釉印花玻璃。当仅靠玻璃自身无法达到遮阳要求时，只能另加遮阳板或遮阳帘。3.1.2聚碳酸酯板聚碳酸酯
8、板（即PC板）也称阳光板，质轻，不发脆，上海铁路南站圆形屋面部分已经大面积采用。目前在一般工程中应用还不多，主要是人们担心其耐老化性能比不上玻璃。而且PC板在雨和冰雹冲击下会发生大的声响，被称为钢鼓效应，不便用于对噪声控制较严的工程中。透明聚炭酸酯板的透光率依厚度不同，可为65%80%，着色板的透光率与颜色和厚度有关，从25%到65%都有，可按需要选择。3.1.3ETFE薄膜和薄板ETFE薄膜为乙烯-四氟乙烯共聚物，透光度可达95%，有较高的抗拉强度，良好的耐久性和不燃性。常用厚度为：薄膜0.050.5mm，薄板0.5mm2mm。国家体育场（鸟巢）采用ETFE薄膜作为透光屋面。国家游泳馆（水立
9、方）则采用厚度为0.25mm和0.20mm的三层蔚蓝色薄膜做成充气气枕，作为墙体和屋面的面料。气枕共约3000个，大小形状各异，最大尺寸为9m，厚2.5m。气枕充气气压为100Pa。金属材料3.2.1铝合金型材铝合金型材主要用于铝框、柃条和梁。其性能应符合现行行业标准玻璃幕墙工程技术规范JGJ102的相关规定。3.2.2碳素结构钢和低合金结构钢这是支承钢结构的大宗材料，包括热轧型钢、钢管和冷成型薄壁型钢。常用材质为Q235和Q345，要求有良好的可焊性能。表面常采用聚氨酯喷涂和氟碳喷涂。3.2.3不锈钢材不锈钢材主要用于钢管结构和拉杆、连接件、点支承爪件。宜采用奥氏体不锈钢，304、316牌号
10、。拉索通常采用不锈钢绞线，其直径不应小于8mm。4建筑设计4.0建筑设计的范围目前，透光屋面的建筑设计分别由设计院的建筑师和承建厂商进行。设计院主要由建筑功能和建筑艺术的要求，对屋面进行选型，确定其形状、支承状态、板块划分、支承结构的类型和布置，进行热工性能设计并选用面板材料。然后厂商根据这些要求进行深化设计，出施工图并付诸实现。除选型和板块划分外，建筑设计通常还包含以下内容：确定建筑性能；排气排烟窗设计；排水；防火；防雷；安全措施；遮阳装置；清洗装置。4.1建筑功能设计4.1.1风压变形在风荷载标准值wk作用下，刚性支承屋面的挠度不宜大于跨度的1/250。柔性支承屋面的挠度不宜大于跨度的1/
11、200；索网的挠度不宜大于跨度的1/40。进行风压变形检测时，除挠度满足上述要求外，透光屋面不应出现面板破碎、板缝渗水漏气和其它破损现象。4.1.2气密性能在有空调、采暖、通风的要求时。屋面的气密性能不应低于3级。并宜通过试验予以验证。4.1.3水密性能在热带风暴和台风袭击地区，水密性设计可按下式取值，固定部分取值不宜小于1000Pa：在其它地区，可按式（1）计算值的70%采用，且固定部分不宜低于700Pa。由上述取值P可决定屋面固定部份的水密性等级。开启部份水密性按与固定部份相同等级采用。水密性能宜通过水密试验验证。4.1.4保温隔热性能透光屋面的保温隔热性能要求按公共建筑节能设计标准GB5
12、0189决定。选定面板材料后，分别进行热工计算。4.1.5光学性能和遮阳设施根据遮阳系数要求和透光条件选用相应的玻璃牌号，决定是否采用遮阳措施。4.2排气窗和排烟窗复盖面积较大的透光屋面，宜设置排气窗、排烟窗。当屋面高度不大于12m，可采用开启扇自然排风、排烟；当屋面高度大于12m时，应采用机械排风、排烟。排气窗、排烟窗的开闭宜采用电动方式。4.3排水设计要根据透光屋面的外形，合理组织排水途径，设置天沟、落水管等排水设施。排水量宜考虑当地50年一遇、20分钟最大降雨量。排水口应有防止堵塞的措施。平屋面要有排水坡度，考虑到玻璃自身有向下的弯曲，屋面总排水坡度不宜小于3%。索网有很大的挠度，平面索
13、网宜倾斜布置以防止中部积水。有可能结露时，透光屋面室内侧应设接水槽并形成冷凝水的排水系统。接水槽也可以结合支承结构的型材截面形式统一考虑，此时应注意各层型材截面接水槽的位置要相配合，应能顺畅排水。4.4防火屋面支承结构的防火要求要根据室内空间的情况决定。屋面高度较大，室内可燃物也较少的条件下，屋面支承结构可不设防火表面层。一般情况下支承钢结构宜设置表面防火涂层。大型公共建筑（如会展中心等）室内设有防火玻璃隔断时，处于防火隔断两侧的屋面板块应采用防火玻璃及其制品。4.5防雷如果透光屋面周边与较高的建筑紧邻，周边建筑能提供有效防雷能力，则较低的屋面不必单独进行防雷设计。一般情况下，透光屋面的金属支
14、承结构应相互导通，形成完整的防雷体系，并与主体结构防雷体系连通。必要时，可在屋面最高点设置接闪器。屋面钢结构应与主体结构防雷体系连接，利用主体结构防雷系统接地，构成导电回路。实测透光屋面支承结构的接地电阻不宜大于5。4.6安全措施4.6.1玻璃透光屋面的单片玻璃应采用夹层玻璃；中空玻璃的室内侧应采用夹层玻璃。点支承面板的夹层玻璃应由钢化玻璃制作。玻璃肋应采用夹层玻璃；点支承玻璃肋应采用钢化夹层玻璃。4.6.2倒挂隐框玻璃倒挂隐框玻璃应加金属连接件，防止结构胶失效导致玻璃坠落。4.6.3ETFE薄膜ETFE薄膜，尤其是气枕屋面，外侧应设置防鸟网，防止薄膜被鸟喙啄破。落地球顶、椭球顶，应在周边设置水面或绿化带防止人为的损坏。4.7遮阳措施设在透光屋面外侧（上侧）的遮阳板对遮阳特别有效。也可以在
