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摘要：本文简要介绍了双曲面屋面幕墙设计在工程中应用的情况；并对复杂双曲面幕墙设计施工难点进行了论述，可为幕墙设计师和相关工作者提供参考。
关键词：幕墙；双曲面；设计施工
由支承结构体系和面板所组成的、能够相对于主体结构具有一定的物理性能且起到建筑外围维护作用的幕墙越来越广泛的应用于大跨度建筑之中。幕墙的结构形式随着工艺的不断进步发生着多元化的发展，其中双曲面的结构形式凭借其优越的综合性能受到了众多设计的偏爱。本文针对大双曲面幕墙设计几个方面解决的关键问题，结合具体的工程实例分别剖析，为相关设计项目提供参考。
1 工程概况
深圳湾体育中心包括体育场、体育馆、游泳馆、运动员接待服务中心等。其中体育场、体育馆、游泳馆一场两馆通过双曲面网格状屋面幕墙连接成一个整体，气势恢宏、形象壮观，屋面幕墙是大面积的双曲面铝板和开洞式的玻璃天窗组成。
2 屋面幕墙构造
屋面幕墙根据构造系统不同分为高标高位置铝板幕墙（见图一）和低标高位置开洞铝板玻璃天窗幕墙（见图二），从外到里的构造分别为外装饰层-防水层-内装饰层。屋面幕墙首先要形成一个连续的防水层屋面，高标高位置防水层屋面为直立锁边铝镁锰板防水屋面系统，低标高位置防水层屋面为不锈钢拉索式玻璃+铝板组合幕墙系统，系统交接部位设置排水天沟；室外侧高标高位置由光滑连续的铝单板构成网格状屋面幕墙，低标高位置由铝单板构成开洞状铝板幕墙；室内侧高标高位置为铝单板吊顶，低标高位置为开洞状铝单板包裹钢结构箱梁形成洞洞形状。
3 设计荷载及物理性能
3.1 设计荷载取值
（1）屋面自重：自重标准值不大于0.8kN/m?。
（2）屋面活荷載：按不上人屋面取屋面活荷载为0.5kN/m?
（3）屋面风荷载：深圳地区100年设计基准期的基本风压为W0=0.90kN/m?。
（4）设计过程中，参照本工程风洞试验报告，按照100年设计基准期进行取值
（5）暴雨强度：按照深圳地区100年设计重现期下的5分钟历时暴雨强度，暴雨强度取值为：q5=11.92L/s·100m2
3.2 物理性能
（1）抗风压性能
根据深圳湾最终风洞试验报告，本工程屋面大面部位的风荷载标准值为-2.2 kN/m2，抗风压变形性能等级为3级；
（2）水密性能
本工程风洞试验报告大面部位最大风压值2.1kN/m2，A类地区50米阵风系数为1.51，水密性能分级值P=1000μsμzωo=1000x2.1/1.51=1930Pa。雨水渗漏性能达到4级。
（3）气密性能
根据GB/T 21086-2007 建筑幕墙5.1.3.4条规定，开放式建筑幕墙的气密性不做要求，本标段为敞开式体育场，故气密性能不做要求。
（4）平面内变形性能
根据GB/T 21086-2007 建筑幕墙平面内变形性能分级，按照业主提供的本工程主体钢结构位移计算书，确定本工程屋面的平面变形性能为1级。
（5）隔声性能
屋面工程玻璃屋面采用的是夹胶玻璃，金属屋面也进行了隔音设计，隔声性能达到30dB以上，不同金属之间的连接采用非金属绝缘垫片，消除了因金属构件热膨胀冷缩及结构件挠曲而产生的暴裂及摩擦噪声。屋面的空气声隔声性能等级为2级。
（6）耐撞击性能
根据《建筑幕墙》GB/T 21086中的规定“人员流动密度大或者青少年、幼儿活动的公共建筑的建筑幕墙，耐撞击性能指标不应低于表中的2级”，因此本工程的耐撞击性能为2级。
（7）防雷性能
防雷设计应符合国家现行标准《建筑防雷设计规范》GB50057和《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16的有关规定。按照《建筑防雷设计规范》GB50057及考虑本工程的重要性，本工程的防雷按照第二类防雷建筑物进行设计。
3 施工设计难点
屋面幕墙为不规则双曲面，其施工设计与平面幕墙相比有较大的难度，施工设计难点体现在一是施工图平面节点不能完全表达出实际构件之间的相互关系，必须通过建立三维实体模型来分析构造关系、定位数据和材料的精确尺寸。二是现场的施工放线与材料下单要有很好的吻合，因受施工条件、安装工艺、施工工期、材料组织等等因素影响，快速的材料下单及与现场结构的精确吻合成为工程施工设计的关键。
4 施工设计建模原则
双曲面屋面幕墙要通过精确的三维建模来模拟材料的形状尺寸和相互关系，根据本工程对整体屋面的光滑连续性、金属装饰板完成面的外形尺寸、开洞屋面玻璃的通透性、屋面的防水性能、屋面的抗风压性能等要求，结合市面上的材料供给情况，施工设计时首先根据节点构造类型和外形变化类型，将屋面分成金属屋面、大开洞屋面、中开洞屋面、小开洞屋面4个类型屋面，确定4种类型屋面材料为市场上的常用规格材料。其次针对4种不同类型的屋面制定了相应的定位方法和原则，保证在三维软件上用相同的建模方法可以建立相同类型的实体模型。
5 三维建模过程
以中洞屋面为例，从外到内材料分别为：外装饰开洞状铝单板+铝合金龙骨-夹胶玻璃+铝板-不锈钢拉索及固定支座-钢龙骨+外装饰板，板材要依次建模做成真实的形状尺寸，在建模软件平台上每个模型建立需要几十个操作命令才能完成。几百个不同形状的开洞屋面单元要建三维模型工作量巨大，时间上不能满足工期要求。为保证以最短的时间建成三维实体模型，我们编制了一套基于软件建模平台的小程序，每个模型单元只要按照建模原则选择几个特征点坐标参数，就可完成实体建模，因建模原则是一致的，做出来的三维实体模型经验证与原始方法建立的实体模型也是一致的，这样很好的解决了建模时间的瓶颈问题。
6 施工设计与施工工艺的结合
屋面幕墙面积庞大、形状复杂，大部分都是斜面，没有条件采用脚手架施工。以开洞屋面幕墙为例，根据本工程为四边形单元分格组成的特点，经过现场摸索，施工上制定了防水层以下整体施工的工艺，内层龙骨面板首先在地面组装完成，整体吊装安装固定到钢结构网格上，然后再定位安装防水层龙骨和拉索支座，安装调整不锈钢拉索，安装防水层玻璃和铝板，最后再安装外层龙骨及铝板，既由内到外这样一个施工顺序。这样的施工工艺要求幕墙龙骨定位、面板形状尺寸和钢结构要很好的吻合。
现场放线是保证材料下单与施工现场吻合的措施，本工程屋面幕墙和钢结构网格使用相同的坐标原点建模，屋面幕墙结构建立在主体钢结构之上，由开洞室内铝板包裹住钢梁，只要每个幕墙洞洞同钢结构洞洞对应起来，就能实现幕墙整体的光滑连续性。因此，我们没有采用按照理论幕墙分格尺寸建模下单，然后采用全站仪测量洞洞坐标控制点安装定位的办法，而是采取现场测量每个钢结构洞洞的边长和对角线长，然后再在理论三维模型曲面上按照测量尺寸重新进行幕墙洞洞分格、建模下单的办法，保证了材料下单与施工现场的吻合。
7 结语
随着建筑业的发展，建筑设计理念不断拓展，施工技术不断创新，球形、椭球形、各种无规律双曲面幕墙在建筑外观大量出现，从本工程的设计施工过程及已完成的工程表明：复杂双曲面幕墙的设计构思和施工是可行的。
关键词：幕墙；双曲面；设计施工
由支承结构体系和面板所组成的、能够相对于主体结构具有一定的物理性能且起到建筑外围维护作用的幕墙越来越广泛的应用于大跨度建筑之中。幕墙的结构形式随着工艺的不断进步发生着多元化的发展，其中双曲面的结构形式凭借其优越的综合性能受到了众多设计的偏爱。本文针对大双曲面幕墙设计几个方面解决的关键问题，结合具体的工程实例分别剖析，为相关设计项目提供参考。
1 工程概况
深圳湾体育中心包括体育场、体育馆、游泳馆、运动员接待服务中心等。其中体育场、体育馆、游泳馆一场两馆通过双曲面网格状屋面幕墙连接成一个整体，气势恢宏、形象壮观，屋面幕墙是大面积的双曲面铝板和开洞式的玻璃天窗组成。
2 屋面幕墙构造
屋面幕墙根据构造系统不同分为高标高位置铝板幕墙（见图一）和低标高位置开洞铝板玻璃天窗幕墙（见图二），从外到里的构造分别为外装饰层-防水层-内装饰层。屋面幕墙首先要形成一个连续的防水层屋面，高标高位置防水层屋面为直立锁边铝镁锰板防水屋面系统，低标高位置防水层屋面为不锈钢拉索式玻璃+铝板组合幕墙系统，系统交接部位设置排水天沟；室外侧高标高位置由光滑连续的铝单板构成网格状屋面幕墙，低标高位置由铝单板构成开洞状铝板幕墙；室内侧高标高位置为铝单板吊顶，低标高位置为开洞状铝单板包裹钢结构箱梁形成洞洞形状。
3 设计荷载及物理性能
3.1 设计荷载取值
（1）屋面自重：自重标准值不大于0.8kN/m?。
（2）屋面活荷載：按不上人屋面取屋面活荷载为0.5kN/m?
（3）屋面风荷载：深圳地区100年设计基准期的基本风压为W0=0.90kN/m?。
（4）设计过程中，参照本工程风洞试验报告，按照100年设计基准期进行取值
（5）暴雨强度：按照深圳地区100年设计重现期下的5分钟历时暴雨强度，暴雨强度取值为：q5=11.92L/s·100m2
3.2 物理性能
（1）抗风压性能
根据深圳湾最终风洞试验报告，本工程屋面大面部位的风荷载标准值为-2.2 kN/m2，抗风压变形性能等级为3级；
（2）水密性能
本工程风洞试验报告大面部位最大风压值2.1kN/m2，A类地区50米阵风系数为1.51，水密性能分级值P=1000μsμzωo=1000x2.1/1.51=1930Pa。雨水渗漏性能达到4级。
（3）气密性能
根据GB/T 21086-2007 建筑幕墙5.1.3.4条规定，开放式建筑幕墙的气密性不做要求，本标段为敞开式体育场，故气密性能不做要求。
（4）平面内变形性能
根据GB/T 21086-2007 建筑幕墙平面内变形性能分级，按照业主提供的本工程主体钢结构位移计算书，确定本工程屋面的平面变形性能为1级。
（5）隔声性能
屋面工程玻璃屋面采用的是夹胶玻璃，金属屋面也进行了隔音设计，隔声性能达到30dB以上，不同金属之间的连接采用非金属绝缘垫片，消除了因金属构件热膨胀冷缩及结构件挠曲而产生的暴裂及摩擦噪声。屋面的空气声隔声性能等级为2级。
（6）耐撞击性能
根据《建筑幕墙》GB/T 21086中的规定“人员流动密度大或者青少年、幼儿活动的公共建筑的建筑幕墙，耐撞击性能指标不应低于表中的2级”，因此本工程的耐撞击性能为2级。
（7）防雷性能
防雷设计应符合国家现行标准《建筑防雷设计规范》GB50057和《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16的有关规定。按照《建筑防雷设计规范》GB50057及考虑本工程的重要性，本工程的防雷按照第二类防雷建筑物进行设计。
3 施工设计难点
屋面幕墙为不规则双曲面，其施工设计与平面幕墙相比有较大的难度，施工设计难点体现在一是施工图平面节点不能完全表达出实际构件之间的相互关系，必须通过建立三维实体模型来分析构造关系、定位数据和材料的精确尺寸。二是现场的施工放线与材料下单要有很好的吻合，因受施工条件、安装工艺、施工工期、材料组织等等因素影响，快速的材料下单及与现场结构的精确吻合成为工程施工设计的关键。
4 施工设计建模原则
双曲面屋面幕墙要通过精确的三维建模来模拟材料的形状尺寸和相互关系，根据本工程对整体屋面的光滑连续性、金属装饰板完成面的外形尺寸、开洞屋面玻璃的通透性、屋面的防水性能、屋面的抗风压性能等要求，结合市面上的材料供给情况，施工设计时首先根据节点构造类型和外形变化类型，将屋面分成金属屋面、大开洞屋面、中开洞屋面、小开洞屋面4个类型屋面，确定4种类型屋面材料为市场上的常用规格材料。其次针对4种不同类型的屋面制定了相应的定位方法和原则，保证在三维软件上用相同的建模方法可以建立相同类型的实体模型。
5 三维建模过程
以中洞屋面为例，从外到内材料分别为：外装饰开洞状铝单板+铝合金龙骨-夹胶玻璃+铝板-不锈钢拉索及固定支座-钢龙骨+外装饰板，板材要依次建模做成真实的形状尺寸，在建模软件平台上每个模型建立需要几十个操作命令才能完成。几百个不同形状的开洞屋面单元要建三维模型工作量巨大，时间上不能满足工期要求。为保证以最短的时间建成三维实体模型，我们编制了一套基于软件建模平台的小程序，每个模型单元只要按照建模原则选择几个特征点坐标参数，就可完成实体建模，因建模原则是一致的，做出来的三维实体模型经验证与原始方法建立的实体模型也是一致的，这样很好的解决了建模时间的瓶颈问题。
6 施工设计与施工工艺的结合
屋面幕墙面积庞大、形状复杂，大部分都是斜面，没有条件采用脚手架施工。以开洞屋面幕墙为例，根据本工程为四边形单元分格组成的特点，经过现场摸索，施工上制定了防水层以下整体施工的工艺，内层龙骨面板首先在地面组装完成，整体吊装安装固定到钢结构网格上，然后再定位安装防水层龙骨和拉索支座，安装调整不锈钢拉索，安装防水层玻璃和铝板，最后再安装外层龙骨及铝板，既由内到外这样一个施工顺序。这样的施工工艺要求幕墙龙骨定位、面板形状尺寸和钢结构要很好的吻合。
现场放线是保证材料下单与施工现场吻合的措施，本工程屋面幕墙和钢结构网格使用相同的坐标原点建模，屋面幕墙结构建立在主体钢结构之上，由开洞室内铝板包裹住钢梁，只要每个幕墙洞洞同钢结构洞洞对应起来，就能实现幕墙整体的光滑连续性。因此，我们没有采用按照理论幕墙分格尺寸建模下单，然后采用全站仪测量洞洞坐标控制点安装定位的办法，而是采取现场测量每个钢结构洞洞的边长和对角线长，然后再在理论三维模型曲面上按照测量尺寸重新进行幕墙洞洞分格、建模下单的办法，保证了材料下单与施工现场的吻合。
7 结语
随着建筑业的发展，建筑设计理念不断拓展，施工技术不断创新，球形、椭球形、各种无规律双曲面幕墙在建筑外观大量出现，从本工程的设计施工过程及已完成的工程表明：复杂双曲面幕墙的设计构思和施工是可行的。