深圳国际会展中心双曲幕墙屋面的设计要点分析

徐 强 刘树鹏 深圳市方大建科集团有限公司

1 前言

深圳国际会展中心位于粵港澳大湾区湾顶，其南邻深圳宝安国际机场、北邻空港新城，是集展览、会议、旅游、购物、服务于一体的综合会展类建筑群。作为全球最大的会展中心，其总建筑面积达158 万平方米，建筑面积相当于6 座“鸟巢”，包含18 个两万平方米标准展厅、1 个四万平方米展厅、1 座南北向约1800m 长中央廊道、2个登录大厅及11栋附属建筑，东西向宽为540m。深圳国际会展中心创造多项世界之最，也是目前世界上建筑面积最大的单体建筑，其中最引人瞩目的当属中央廊道屋面，作为全球长度最长的金属屋面其南北向长约1800m，东西向宽为42.5m，贯穿南北，联通东西。整个中廊屋面呈双曲造型，蜿蜒起伏，恢宏大气，犹如龙腾四海般包罗万象，充分展现了作为中国改革前沿的深圳蓬勃发展的繁荣景象（图1、图2）。

图1 深圳国际会展中心屋面效果图

图2 深圳国际会展中心屋面施工现场照片

深圳国际会展中心中央廊道双曲屋面主体结构采用分叉柱支撑的空间钢结构，由平面模拟双曲面，主体钢梁呈菱形分布，菱形对角线长约为9m×6m左右，菱形边长约6.5m左右，整个双曲屋面约2200个菱形，每个菱形尺寸接近但不相同，屋面主体结构的特点决定了幕墙的结构设计，中央廊道双曲屋面幕墙形式主要包括五个系统：屋面金属板和采光玻璃幕墙系统、屋面吊顶格栅系统、屋面排水沟及外包铝板幕墙系统、屋面两侧导雨百叶系统和屋面防坠落系统。下面对深圳国际会展中心中央廊道双曲屋面幕墙设计的重点、要点进行介绍和分析。

2 双曲屋面幕墙结构设计

由于屋面整体呈双曲造型，但主体钢结构是由平面模拟双曲面，使得每个菱形格尺寸大小不等，且菱形格内的南、北两个小三角形不共面，有2°～8°夹角，钢梁与钢梁之间的跨度也较大，达6.5m，对角线更是长达9m。根据主体结构特点，结合现场施工难度和工期要求，幕墙主龙骨采用了单层网壳结构体系，网壳结构具有以下优点。

a）网壳结构兼有杆件结构和薄壳结构的主要特性，受力合理，可以跨越较大的跨度。网壳结构是典型的空间结构，合理的曲面可以使结构力流均匀，结构具有较大的刚度，结构变形小，稳定性高，节省材料。

b）具有优美的建筑造型，无论是建筑平面、外形和形状都能给设计师以充分的创作自由。薄壳结构与网格结构不能实现的形态，网壳结构几乎都可以实现。既能表现静态美，又能通过平面和立面的切割以及网格、支撑与杆件的变化表现动态美。

c）应用范围广，既可以用于中、小跨度的民用和工业建筑，也可用于大跨度的各种建筑，特别是超大跨度的建筑。在建筑平面上可以适应多种形状，如圆形、矩形、多边形、扇形以及各种不规则的平面，在建筑外形上可以形成多种曲面。

d）可以用小的构件组成很大的空间，而且杆件单一，这些构件可以在工厂预制实现工业化生产，安装简便快速，适应采用各种条件下的施工工艺，不需要大型设备，因此综合经济指标较好。

e）计算方便。目前我国已有许多适用于多种计算机类型的各种语言的计算软件，为网壳结构的计算、设计和应用创造了有利条件。

f）由于网壳结构呈曲面形状，形成了自然排水功能，不需像网架结构那样采用小立柱找坡。

深圳国际会展中心中央廊道双曲屋面幕墙网壳杆件采用180m×100m 矩形钢通，沿主曲率方向布置，即与主梁平行，分格划分为沿主梁方向边长的四等分，菱形9m对角线设置钢通将菱形分割为两个三角形，三角形之间形成夹角，菱形格四边采用18#槽钢，每个菱形格为一榀大钢架，整榀吊装，吊装到位后槽钢对拼，形成整体网壳（图3、图4）。

图3 双曲屋面幕墙龙骨现场照片1

图4 双曲屋面幕墙龙骨现场照片2

每榀菱形钢架采用8点支撑，其四角和四边中心各设置支座支撑，支座设计为铰支座，释放温度应力。钢架网壳采用结构分析软件SAP2000（Structure Analysis Program 2000）进行三维非线性动力分析和设计，SAP2000是一种集成化的通用结构分析与设计软件，可以对复杂的三维结构进行整体性能分析并提出解决方案，主要适用于模型比较复杂的结构，如桥梁、体育场、工业建筑、网架等结构形式，目前已在工程界得到了广泛的应用。通过SAP2000 设计分析，有力保证了结构设计的合理性和安全性。本项目屋面网壳结构计算按50年重现期基本风压值0.75kN/m2A 类和风洞试验报告对比，二者较大值作为计算依据，充分考虑了风荷载、自重荷载、活荷载、温度荷载和地震荷载的影响，通过多种荷载组合的对比，选取最不利组合进行强度、刚度和稳定性分析验算（图5、图6）。

图5 双曲屋面幕墙龙骨强度和稳定性验算

图6 双曲屋面幕墙龙骨刚度验算

3 双曲屋面金属板和采光玻璃幕墙设计

3.1 金属板块

中央廊道双曲屋面金属板幕墙占整个屋面面积的90%左右，为本项目最主要的幕墙系统。本文所述金属板幕墙或金属屋面的金属板块、铝板板块是指外饰面由3mm 厚铝单板和内饰面由2mm 厚铝单板组合而成的夹心板，夹心板中间填充50mm 厚隔音岩棉，内外饰面表面处理均采用氟碳喷涂，由铝合金龙骨支承并连接，使其形成既有内、外装饰性，又能满足防水、保温、隔声等各项金属板幕墙和金属屋面所需要的物理性能指标，易于装配的金属板块系统（图7、图8）。

图7 金属板块三维示意图

图8 金属板块和玻璃板块现场施工照片

这种板块最大的特点是：金属板块全部在工厂加工制作，便于对板块的加工质量和精度进行控制，在工地现场只进行板块的装配式吊装，板块装配到位后，在完成建筑立面和屋面的使用功能的同时，能一次性完成外饰和内饰效果，不再对室内、外进行面层装饰，节省了大量的时间和费用。

本项目屋面金属板均为菱形板块，边长尺寸约为1.5m×1.5m，内、外饰面铝板通过铝合金型材副框组合而成，并每隔500mm 设置“几”字型铝合金加强筋支撑，副框与外饰3mm 铝板采用折边铆钉固定，并在背面打结构胶，加强筋与副框采用角码连接，加强筋与面板采用种焊螺栓和结构胶连接，与内饰面板铆钉拉接。内外饰面板形成整体，共同承受风荷载和地震荷载，并采用几何非线性的有限元方法进行计算。为降低噪音和热辐射，在内外饰面板中间填充50mm 厚隔音岩棉，金属板块通过铝合金压块与铝合金龙骨机械连接，详细节点做法见图9、图10所示。

图9 金属板幕墙节点做法

图10 金属板和铝合金龙骨连接节点

3.2 采光玻璃面板

图11 采光玻璃幕墙节点做法

图12 采光玻璃幕墙四性试验照片

采光玻璃幕墙仅占整个屋面面积的10%左右，玻璃配置为12mm+1.52PVB+12mm 超白钢化夹胶玻璃，采用铝合金副框+结构胶组框形式，并在玻璃每边设置两个圆形不锈钢压块压住玻璃，增加面板的安全可靠性和抗风掀性能。玻璃面板在工厂打胶组框，保证打胶质量，玻璃面板与铝合金龙骨连接做法与上述金属板幕墙类似，在此不再赘述，详细节点做法见图11、图12所示。

3.3 三角形交接面板块连接设计

由于深圳国际会展中心中央廊道屋面为双曲面，为便于面板加工和现场施工，屋面面板采用平面模拟双曲面做法，即按主体结构大菱形格划分，将大菱形格内分为两个大三角形，三角形内所有面板均为共面，但在两个大三角形交接处不可避免的会产生折线夹角（图13）。且由于每个菱形格大小尺寸不一，导致二面角也不相同，从172°渐变至178°，如果仍按常规副框设计，则副框开模数量巨大，也不便于材料组织和工厂组装，而面板编号数量巨大，给现场安装也带来很大影响。

本项目设计了一种可以转动的铝合金副框，如图14所示，金属板块副框型材分为固定副框和活动副框两部分，其中固定副框主要用来板块组框，活动副框用来调整角度，二者通过球型铰连接，可以调节正负6°～7°，完全满足面板二面角调节需求。同时，球型铰是从一端穿入，为通长设置，受力性能良好。由此也大大减少了型材开模数量，降低了材料组织和工厂组装难度，提高了现场安装效率。

图13 二面角示意图

图14 三角形交接处面板连接节点

4 双曲屋面防水构造设计

深圳国际会展中心中央廊道双曲屋面宽度方向呈弧形造型，长度方向呈高低起伏变化，属于典型的坡屋面，根据GB 50693—2011《坡屋面工程技术规范》第3.2.3条规定“大型公共建筑、医院、学校等重要建筑屋面的防水等级为一级”，故本项目屋面防水应按一级设计。

4.1 面板接缝防水设计

防水性能是屋面最重要的物理性能指标之一，如何确保屋面不漏水是设计必须考虑的问题。屋面板块与板块之间胶缝作为第一道防水措施是设计首先必须要考虑的。为了保证胶缝在各种工况下能实时保证气密和水密性能要求，需要设计多宽的胶缝才能满足？需要采用何种密封材料？根据GB 50345—2012《屋面工程技术规范》规定：

a）接缝宽度应按屋面接缝位移量计算确定；

b）接缝的相对位移量不应大于可供选择密封材料的位移能力；

c）应根据屋面接缝变形的大小以及接缝的宽度，选择位移能力相适应的密封材料。

本项目屋面90%为金属铝板，10%为玻璃，而铝板线膨胀系数是玻璃的2.35 倍，故本文仅考虑铝板与铝板之间胶缝的设计。参考JGJ 102—2013《玻璃幕墙工程技术规范》条文说明相关规定，铝板与铝板之间胶缝宽度需要经过计算确定，计算公式如下：

式中：

Ws——胶缝宽度，mm；

α——面板材料的线膨胀系数，铝板材料线膨胀系数为2.35×10-5/℃；

ΔT——面板年温度变化，铝板外表面最大温差可取100℃；

δ——硅酮密封胶允许的变位承受能力，本项目按大变位50级密封胶计算，即取0.5；

b——计算方向面板的边长，铝板计算方向边长取1600mm；

dc——施工偏差，可取为3mm；

de——考虑地震作用等其他因素影响的预留量，可取2mm。

经过计算，按大变位密封胶计算的胶缝宽度为：

若按常规密封胶计算，即δ取0.2，则胶缝宽度：

通过计算对比发现，常规密封胶用于屋面时需设计较宽的胶缝，对屋面外观效果影响较大。所以本项目屋面铝板与铝板胶缝按20mm 设计，密封胶采用大变位硅酮密封胶，同时采用双道打胶工艺，保证屋面第一道防水效果能达到本项目水密性能要求（图9、图10）。

4.2 二道防水构造设计

屋面面板接缝作为第一道防水措施，其采用的密封胶难免会因反复拉伸、阳光暴晒、紫外线致老化、现场施工质量等各种因素影响而撕裂导致雨水渗漏，故设计二道防水构造是十分必要的。

图15 铝合金龙骨拼接处防水构造设计

深圳国际会展中心中央廊道屋面分格划分按一定规律及图案交错布置，幕墙龙骨沿分格布置，接头处多呈“十”字和“米”字型，实际工程案例中屋面漏水往往是因为接头位置没有处理好，导致渗漏水沿接缝往下滴水，故龙骨接头位置防水构造设计是二道防水的重点。本项目在承托面板的铝合金龙骨上设计了“U”型挡边，型材内满铺EPDM-S 橡胶水槽，形成第二道柔性防水体系，在龙骨交接处采用了压铸成型的成品EPDM-S橡胶模，解决了龙骨接缝处的防水难题。成品橡胶模与橡胶水槽对接处留缝打胶，再加盖薄胶皮并周边打胶密封，EPDM-S橡胶能够很好的和硅酮胶相容，且具有一定的粘结性能，能很好地适应水槽的变形、变位，保证对接缝不撕裂、不渗漏，达到防水效果（图15、图16）。

图16 铝合金龙骨拼接处防水构造现场照片

5 双曲屋面排水天沟设计

排水天沟的作用是收集雨水，并能通过排水管系统有组织的迅速将雨水排出。天沟设计时除应充分考虑其自身的排水、引水功能外，还要考虑到排水天沟是整个屋面系统的一个组成部分，其功能要完整，特别是在保温、隔热、隔声及装饰性上要根据不同的项目进行专门的设计。一般要求在天沟金属槽的室内侧可视部分设置装饰面板，在装饰面板与天沟面板内部填充隔音棉减少噪音。

本项目根据屋面造型特点，将排水天沟设置在南、北两侧边沿，排水天沟采用3mm 奥氏体316不锈钢U 型天沟，用钢通龙骨支撑，不锈钢水槽底部设置1.5mm厚TPO防水卷材，排水槽底部可视部位采用3mm 氟碳喷涂铝板进行装饰，铝板与不锈钢中空部分采用100mm 厚隔音棉填充密实，并在隔音棉下表面铺设0.3mm厚隔汽膜，防止隔音棉受潮发霉。水槽内设置了虹吸雨水管，由于水槽东、西方向坡道较大，为防止水槽内汇聚的雨水流速、水量过大导致虹吸失效，故在水槽内每隔4.5m设置了不锈钢阻水板装置，有效控制水流速度，并阻止异物进入虹吸堵塞水管。排水天沟有效截面面积经过计算确定，并且为防止虹吸堵塞情况下雨水上翻至屋面，在虹吸附近设置了溢流口，详细节点设计见图17所示。

图17 不锈钢排水天沟节点做法

6 双曲屋面吊顶格栅设计

深圳国际会展中心中央廊道双曲屋面主体钢结构下面设计了格栅吊顶，用以遮挡或弱化屋面幕墙内部构件。格栅吊顶采用直径150mm铝合金圆管，沿中廊南北长度方向布置，并在主体钢梁底部按一定规律设置150mm 和50mm 两种大小不同的分缝，设置大小不同的分缝目的是：一方面是考虑将整个吊顶划分成菱形，与钢结构菱形对应，使得单一的吊顶呈现多样化的视觉效果；另一方面是考虑屋面整体呈双曲造型，格栅圆管现场整体吊装难以达到很高的精度，圆管与圆管之间很难对齐，按大小分缝的方法可以弱化安装误差，消除圆管不对齐造成的视觉影响（图18、图19）。

图18 吊顶格栅现场施工照片

图19 吊顶格栅现场施工夜景照片

图20 吊顶格栅钢龙骨照片

本项目吊顶格栅采用装配式吊装方式，每个大菱形格为一榀单元，通过钢圆管龙骨将格栅圆管组装为一榀，格栅钢龙骨在工厂完成，格栅圆管在工厂加工好，再统一运输到工地现场，在地面完成格栅单元组装和吊装（图20、图21）。

7 结束语

深圳国际会展中心聚集了国内外顶尖的建筑设计团队和幕墙公司，经过几年艰苦奋斗终于呈现出崭新的面貌，笔者有幸参与建设倍感荣幸。其中，中央廊道双曲屋面幕墙是施工难度最大、工期最短的一部分，在建设过程中汇聚了我们幕墙设计师的智慧和心血，本文所介绍的内容和设计方案也是我们整个团队在设计和实践中的一点经验总结，受篇幅所限不能详述，仅简要阐述双曲屋面幕墙的设计要点，供幕墙设计师参考。

图21 吊顶格栅单元组装照片