项目巡礼丨No.1 经典工程解析：远大造，河南艺术中心（金属屋面介绍NO.1）

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1   屋面工程简介

河南艺术中心建设项目是河南省综合性高品位的文化交流演展中心。建设地点位于河南省郑州市郑东新区CBD区，总占地面积约10公顷，总建筑面积约75000平方米。主要功能有1800席的大剧院1座、800席音乐厅1座、300席多功能小剧场及美术馆、艺术馆等。本工程原方案由国际著名设计大师卡洛斯·奥特先生设计，建筑风格独特，气势恢弘，设施功能齐全，周边水色湖光，美不胜收，建成后可成为与世界名著媲美的旅游观光景点，是河南省一座标志性建筑。五个体形相近、大小不一，均为不规则的空间蛋壳形的金属屋面与中间晶莹剔透玻璃艺术墙的动静结合折射出该建筑强烈的现代气息，同时又体现出中原古城所蕴涵的深厚文化底蕴。

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、保温防潮系统、隔声系统。

2   屋面布置及技术指标

整个屋面工程分为五个单体工程，分别为：左侧依次为大剧院、音乐厅、小剧场，右侧依次为美术馆、艺术馆。屋面工程由以下几部分构成，分别为：顶部装饰百叶、铝合金条带幕墙、铝合金条带窗、窗外装饰百叶、1.0mm铝镁锰合金板防水层。外层装饰层采用3mm金黄色铝单板制作。

分格设计方法是：按设计师原则并优化整体效果纬度（高度）方向按照水平标高分格，至顶部与屋顶百叶片交接，满足屋顶百叶区域内外视效果；经度（水平）方向按照经过放射轴线中心点的垂直面（按轴距）来划分横向分格。分格长度基本保持在2000——3600mm之间。

外层铝单板屋面系统主要采用平面拟合空间曲面形式来实现屋面系统的光滑造型。铝单板表面进行氟碳烤漆处理。外层铝单板板屋面系统主要转接系统和单板附框均采用铝合金型材，使屋面大板块连接准确可靠。

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

外层铝单板屋面系统是屋面最主要的部分。其面板为3mm厚金色铝单板板。板间缝为75mm，整个屋面板为开放式结构，外面平滑圆润、熠熠生辉。

铝单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曲面,而装饰铝板只能安装于其放射分布的高65mm的锁边上，为此在装饰铝板安装中，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。采用二级转接调整设计，进行多层次基准找形。

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。

3.1.2.2二级转接组件由两个”L”形带齿纹和长条孔的铝合金型材构成。通过齿纹的上下串动可调整板块的高度，并可进行纬度方向的角度调整。此构件的主要功能是通过高度调整，实现第二层次基准找形。

3.1.2.3副框穿条为铝合金转接件，通过螺栓与”L”形带齿纹和长条孔的铝合金型材连接，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，其中副框穿条的球型构造可使副框穿条绕”L”形件做小有转动，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铝板通过连接在板附框上的副框穿条连接固定在”L”形件转接件上。

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。

3.1.5  耐撞击性能

屋面板采用3mm铝合金板，有较好的耐冲击性能。因此屋面具有很好的耐撞击性能可达到Ⅱ级。

3.2  屋面防水结构设计

采用霍高文Kalzip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。

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带有梅花头的铝合金固定座上，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3mm铝合金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1mm牌号为3004的铝镁锰合金板，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  底板压型钢板选用优质彩色镀铝锌钢板，双层镀铝锌量大于140g/m2，表面采用聚脂或硅改性聚脂烤漆处理，压型钢板厚度0.6mm，肋高25mm，肋间距50mm。

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。  

3.2.6  内防水层

由于本工程屋面的防水要求高，在屋面面板的基础上设置1.5mm厚P型高密度聚乙烯膜自粘防水卷材，形成一道内防水层，以更好的确保屋面的防水性能

3.3  屋面系统隔热构造设计

根据建筑热工专业设计对屋面系统传热系数U≤0.45 W/(㎡·K)的性能要求，屋面保温层由100mm保温岩棉和防水、隔热、吸声等其他构造层共同作用组成屋面保温系统。

 

保温构造层	厚度δ(mm)	导热系数λ W/(㎡·K)	热阻R (㎡·K)/W	公式
保温岩棉	100	0.46	2.17	R=δ/λ R=R1+R2+…Rn U=1/R
自粘防水卷材	1.5	0.153	0.01
玻璃纤维吸音棉	40	0.0442	0.905
内表面换热阻			0.11
外表面换热阻			0.04
热阻总计∑R			3.195	R≥2.22(㎡·K)/W满足
传热系数U			0.312	U≤0.45  W/(㎡·K)满足

3.4  隔声设计

隔声作为屋面性能的重要指标，是控制室外杂音传入建筑内部，获得安静建筑环境的有效措施，为满足隔声效果的要求，本工程屋面系统中，采用岩棉为屋面面板和底板之间的主要隔声层，与屋面其他构造层共同作用形成整体隔声屋面。

3.5  吸音、降躁设计

本工程对室内的音质与降躁效果有着比较严格的要求，其好坏直接影响内部的使用，为满足降躁的要求。吸音构造层采用穿孔钢承底板加30mm多孔松散玻璃纤维吸音棉的处理方法。性能良好。

 

3.6  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铝板、金属屋面板、铝龙骨、钢方管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3mm厚氟碳喷涂铝合金屋面板，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钢方管上，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。

3.7  复合屋面系统结构设计

屋面结构支撑承担着金属屋面系统自重和外部荷载传至屋面主结构的作用，也是建筑结构系统的一部分，可以增加钢结构建筑的整体刚度。本工程引入屋面钢承板受力体系，板厚1.2mm,采用不锈钢自攻自钻钉与型钢檩条连接。屋面系统的安装步骤如下：

3.7.1  先在钢结构主檩条上安装屋面次檩。檩条采用方钢管，檩条方向与主体桁架方向（经、纬线）一致，纬线方向间距保持在1.0-1.5米以内，用转接龙骨连接。

3.7.2  在主结构钢桁架上安装方钢管檩条。方钢管檩条沿壳体纬线方向布置。方钢管檩条与主结构连接采用焊接方式。

3.7.3  在方钢管内侧安装压型彩钢板。压型彩钢板用不锈钢自攻自钻钉固定，钉帽处加设防水垫圈，并在不锈钢自攻自钻钉与板材交接部位加注具有一定蠕变性的密封胶进行密封。

3.7.4  屋面次檩外部安装直立锁边系统的ST型固定座。为此，先在方钢檩条上安装ST型固定座。上述安装均采用自攻自钻钉连接。

3.7.5   压型彩钢板上面依次铺设吸音棉、防潮膜、保温玻璃棉等材料。吸音棉加设范围：仅五个单体屋顶空调机房处均需加设吸音棉。

3.7.6   将直立锁边铝合金屋面板两侧分别挂在T型码支座上，安装调整后压实。

3.7.7   在ST型码支座上，用夹板式转接件夹住T型码支座，另一部分是一个特制铝合金转接件，其下端开有长圆形孔和齿条，通过由半圆形环的槽口中伸出的螺栓二者相连。特制转接件的上端开有槽口，槽口中伸出螺栓压住压板侧边，压板是一个直尺形零件，上边再压住铝板付框勾边，从而将铝单板固定。

4   系统材料清单

分层部位	材料名称	规格	产地	备注
屋面板	铝合金单板	3mm
造型结构支撑	转接系统
防水面层	铝镁锰压型板	65/400 0.9mm	Kalzip
保温隔热层	保温岩棉	100mm
防水气密层	PVF隔气膜
支撑层	几字型檩
结构层	C型檩条	100X60X13.5xδ1.5	中国
配件	高强铝合金ST固定座
兜网
结构支撑
室外下层	穿孔压型镀铝锌钢板
紧固件	螺栓 自攻螺钉
密封件

 

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图/摄影师晓闻，版权归原作者所有

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