高原气候下大型公共建筑幕墙设计探讨——以青海海东体育中心为例

杜达丰 中国建筑设计研究院有限公司

1 工程概况

海东市体育中心位于青海省海东市乐都区，本工程分为体育场和体育游泳馆两个单体，体育场主体建筑面积30153m2，地上3层；体育游泳馆建筑面积33192m2（含室外平台），其中体育馆主比赛厅1层，看台2层，附属功能局部3层。游泳馆游泳大厅1层，附属功能局部地上2层、地下1层。建筑在造型上为折线形，以“丹霞红”作为建筑基调色，通过多边形金属幕墙拼接，塑造充满力量感的建筑形体，利用折面规律组合和体量切削的手法从不同角度体现建筑的张力与气势。

本项目相关设计参数：①地面粗糙度类别：B类；②幕墙最大标高34.950m；③基本风压：Wo=0.35kN/m；基本雪压：So=0.2kN/m；④抗震设防烈度：8度，设计基本地震加速度值0.2g，设计地震分组为第三组；⑤设计等级要求：结构设计使用年限符合GB/T 21086—2007《建筑幕墙》中第5.1.9条中的有关规定（即不宜低于25年），其中预埋件等不易更换的构件设计合理使用年限应同主体结构为50年，建筑主楼耐火等级一级，二类防雷建筑物。

体育游泳馆的幕墙类型有铝板幕墙、玻璃幕墙、预制混凝土板幕墙、耐候钢板幕墙、铝合金格栅、铝镁锰屋面幕墙、玻璃采光顶。其中玻璃幕墙、预制混凝土板幕墙、铝合金格栅均为竖直面，空间定位较为简单，有平立面即可。难点在于耐候钢板幕墙、铝镁锰屋面幕墙、玻璃采光顶，由于是空间结构，不仅需要平立面，还应加以三维坐标进行定位。铝镁锰屋面幕墙还应考虑屋面的有组织排水及幕墙的清洗措施。

体育场的幕墙类型有铝板幕墙、预制混凝土板幕墙、耐候钢板幕墙、铝合金格栅、铝镁锰屋面幕墙、玻璃采光顶。其中难点在于本场馆表皮为褶皱形式，空间定位及板块分格非常复杂，且主体结构腹杆不能作为幕墙受力支撑点，幕墙需自身设置钢架受力体系。褶皱体型给屋面的防水、防漏、排水也增加了难度。

2 幕墙设计思路及设计方案

2.1 设计思路

作为在高原地域下的大型公共体育建筑，特别是在高气压、低温的影响下，选用的幕墙体系应能达到安全、可靠、美观、适用、经济性的有机结合。海东体育中心项目幕墙设计主要为立面幕墙系统和屋面系统两方面。

立面幕墙系统以耐候钢板幕墙为主，辅以预制混凝土板幕墙、玻璃幕墙等其他元素，丰富立面效果。体育游泳馆内部商业街两侧以耐候钢板幕墙、竖向装饰仿木格栅、玻璃幕墙为主，顶部配以玻璃采光顶及规律性格栅遮阳，满足建筑功能要求同时增加了建筑的层次感。体育场立面以褶皱型耐候钢板幕墙为主，两个主入口处配以预制混凝土板幕墙。

屋面系统采用工艺成熟的直立锁边铝镁锰屋面系统，本屋面系统在耐高气压、耐温度变化、防雨性能、保温隔音等方面都非常适用于高原气候下的大型体育场馆；同时，为达到完成效果与立面的统一，铝镁锰屋面上加设了铝板层，使得屋顶与立面上的耐候钢板幕墙在色彩、材质上更加统一；其次，屋顶的四周设有排水系统，水沟下部考虑到高原气候下雨雪天气，设有防冻加热系统；最后，考虑未来的清洗维护，在屋面顶部四周设计挂点，以满足后期维护要求。

2.2 设计方案

2.2.1 体育游泳馆

（1）玻璃幕墙：考虑安全因素采用全明框玻璃幕墙，以竖向线条为主，弱化横向明框形式。

（2）预制混凝土板幕墙：面板规格按1500mm（宽）×3000mm（高）布，其中宽度方向中点处设置假缝。

（3）耐候钢板幕墙：立面上以1500mm（宽）×2000mm（高）规格按一定规律斜向排布，其中高度方向的横向胶缝为密拼处理，竖向缝按15mm（宽）×30mm（深）设计，形成以竖缝为主肌理。

（4）铝镁锰屋面幕墙：考虑到防水性及实用性，本工程铝镁锰屋面采用直立锁边体系，从上而下依次设置有铝镁锰合金屋面板、100mm厚保温玻璃棉带铝箔防潮层、镀锌钢丝网、钢管主次檩条、吸音棉下铺无纺布、穿孔压型钢板吊顶。

（5）铝板幕墙：铝镁锰屋面上方设计有铝板幕墙，面板规格按1500mm（宽）×4000mm（高）规格按一定规律斜向排布，为开放式做法，颜色同周圈耐候钢板幕墙。

2.2.2 体育场馆

（1）耐候钢板幕墙：立面上以1500mm（宽）×2000mm（高）规格按一定规律斜向排布，其中高度方向的横向胶缝为密拼处理，竖向缝按15mm（宽）×30mm（深）设计，形成以竖缝为主肌理。耐候钢板幕墙内侧设有仿木铝合金格栅遮挡。

（2）铝镁锰屋面幕墙：考虑到防水性及实用性，本工程铝镁锰屋面采用直立锁边体系，从上而下依次设置有铝镁锰合金屋面板、钢管主次檩条、吸音棉下铺无纺布、穿孔压型钢板吊顶。底部设有仿木铝合金格栅吊顶装饰。

（3）铝板幕墙：铝镁锰屋面上方设计有铝板幕墙，面板规格按1500mm（宽）×4000mm（高）规格按一定规律斜向排布，为开放式做法，颜色同周圈耐候钢板幕墙。

3 相关系统设计

针对海东体育中心所处的青海高原气候特征，本工程幕墙设计对抗风、水密、气密、变形、热工、隔声、耐撞击、承重、防雷、防火、防腐蚀等11方面进行系统设计。

（1）抗风压性能。指幕墙可开启部分为关闭状态时在风压作用下幕墙变形不超过允许值且不发生结构损坏（如裂缝、面板破损、局部屈服、粘结失效等）及五金件松动，本项目幕墙最大标高25.831m,在抗风压性能指标值作用下最大抗风性能为Wk=1.288kPa。

（2）水密性能。指在风雨同时作用下幕墙透过雨水的能力，针对高原气候条件本项目在确保幕墙不发生雨水渗漏的前提下把室内外空气压力差作为幕墙防雨水渗漏性能的衡量指标，并按幕墙固定部分和开启部分分开制定分级标准。本工程幕墙水密性1级，外门窗水密性能按建筑设计要求达到4级。

（3）气密性能。本工程气密性能指标应符合GB 50176、GB 50189、JGJ 132、JGJ 134、JGJ 26的有关规定，并满足相关节能标准的要求。本工程幕墙气密性能为3级，外门窗气密性能按建筑设计要求达到6级。

（4）平面内变形性能。建筑幕墙层间变形性能是指在建筑主体结构发生反复层间位移时幕墙保持其自身及主体连接部位不发生破坏及功能障碍的能力。本工程主体为框架结构，幕墙取主体单层弹性层间位移限值的3倍，对应平面内变形性能为3级。

（5）热工性能。建筑幕墙热工性能指标以建筑幕墙传热系数K值［W/（m2·K）］作为分级指标；本工程非透明幕墙结构传热系数为：0.77W/（m2·K），分级指标K应为B级；本工程坡墙幕墙传热系数为2.3W/（m2·K），分级指标K为5级。

（6）空气声隔声性能。空气声隔声性能以计取隔声量作为分级指标，应满足室内声环境的需要，符合GBJ 118的规定，本工程幕墙空气声隔声性能为2级。

（7）耐撞击性能。耐撞击性能应满足设计要求，本项目人员流动密度大或青少年、幼儿活动的公共建筑的建筑幕墙。耐撞击性能指标不低于2级，本工程幕墙耐撞击性能应为1/1级。

（8）承重力性能。幕墙应能承受自重和设计时规定的各种附件的重量，并能可靠地传递到主体结构；在自重标准值作用下，水平受力构件在单块面板两端跨距内的最大跨度不应超过该面板两端跨距的1/500，且不应超过3mm。

（9）防雷性能。符合GB 50057《建筑物防雷设计规范》、JGJ 16《民用建筑电气设计规范》中规定的防雷建筑物要求井应符合JGJ 102《玻璃幕墙工程技术规范》的第4.4.13条中规定。

（10）防火性能。达到GB 50016《建筑设计防火规范》、并应符合JGJ 102《玻璃幕墙工程技术规范》第4.4条中有关规定。本工程的玻璃幕墙与层间楼板、隔墙外沿的石材幕墙，采用不燃材料加以隔断厚度不小于100mm，密度不小于100kg/m，防火等级达A级并填充密实。楼层间水平防烟带的岩棉或矿棉采用1.5mm厚的镀锌钢板承托板与主体结构、幕墙结构及承托板之间的缝隙填充防火密封胶，保证形成全封闭的隔离带，同时防止串烟，承托钢板搭接长度不小于100mm。

（11）防腐蚀性功能。在材料选择上为保证防腐性能，幕墙不锈钢材采用奥氏体不锈钢，牌号为06Cr19Ni10，对应的代号为S30408且含镍量不应小于10%。其外观质量、尺寸偏差等应符合相关规范要求。

4 结束语

本项目在建筑师牵头下，各设计专业紧密配合，在满足业主要求的经济性前提下，对整个幕墙系统进行了理性、秩序的深化设计，以达到幕墙系统和建筑设计的可实施性。在设计过程中，从以下四方面实现与各专业协调工作，确保设计的一致性。

（1）审核、完善建筑师的幕墙示意图：包括深化设计平面分格图，立面分格图，并从建筑效果、施工技术、建筑材料等角度提出合理化建议；对国内外现有材料、技术能否实现建筑效果提出合理化建议方案。

（2）依据相应的设计规范及应用规则，基于高原气候下的气候特征，协同建筑师制定相应设计标准，例如材料的结构、声学、热工、视觉及耐用寿命等相关性能。

（3）协同结构专业对体育场进行风洞试验，规定风洞试验要求，评估试验结果，并制定设计要求，包括建筑风压分布图。

（4）在幕墙设计时均严格按照国家有关规范、规定进行设计施工，并符合国家规定的各项技术指标。

最后，本项目作为高原气候下大型公共建筑的幕墙设计，具有一定的特殊性和代表性。不同于一般的幕墙设计，本项目所要考虑的幕墙材料和构造要素较为复杂和特殊，主要体现在耐候性和抗风压性这两方面。在设计过程中以设计周期为目标，以阶段控制计划为保证，采取动态管理，使设计组织科学化、合理化，最终确保设计周期按计划完成。