深圳國際會展中心雙曲幕墻屋面的設計要點分析

徐 強 劉樹鵬 深圳市方大建科集團有限公司

1 前言

深圳國際會展中心位于粵港澳大灣區灣頂，其南鄰深圳寶安國際機場、北鄰空港新城，是集展覽、會議、旅游、購物、服務于一體的綜合會展類建筑群。作為全球最大的會展中心，其總建筑面積達158 萬平方米，建筑面積相當于6 座“鳥巢”，包含18 個兩萬平方米標準展廳、1 個四萬平方米展廳、1 座南北向約1800m 長中央廊道、2個登錄大廳及11棟附屬建筑，東西向寬為540m。深圳國際會展中心創造多項世界之最，也是目前世界上建筑面積最大的單體建筑，其中最引人矚目的當屬中央廊道屋面，作為全球長度最長的金屬屋面其南北向長約1800m，東西向寬為42.5m，貫穿南北，聯通東西。整個中廊屋面呈雙曲造型，蜿蜒起伏，恢宏大氣，猶如龍騰四海般包羅萬象，充分展現了作為中國改革前沿的深圳蓬勃發展的繁榮景象（圖1、圖2）。

圖1 深圳國際會展中心屋面效果圖

圖2 深圳國際會展中心屋面施工現場照片

深圳國際會展中心中央廊道雙曲屋面主體結構采用分叉柱支撐的空間鋼結構，由平面模擬雙曲面，主體鋼梁呈菱形分布，菱形對角線長約為9m×6m左右，菱形邊長約6.5m左右，整個雙曲屋面約2200個菱形，每個菱形尺寸接近但不相同，屋面主體結構的特點決定了幕墻的結構設計，中央廊道雙曲屋面幕墻形式主要包括五個系統：屋面金屬板和采光玻璃幕墻系統、屋面吊頂格柵系統、屋面排水溝及外包鋁板幕墻系統、屋面兩側導雨百葉系統和屋面防墜落系統。下面對深圳國際會展中心中央廊道雙曲屋面幕墻設計的重點、要點進行介紹和分析。

2 雙曲屋面幕墻結構設計

由于屋面整體呈雙曲造型，但主體鋼結構是由平面模擬雙曲面，使得每個菱形格尺寸大小不等，且菱形格內的南、北兩個小三角形不共面，有2°～8°夾角，鋼梁與鋼梁之間的跨度也較大，達6.5m，對角線更是長達9m。根據主體結構特點，結合現場施工難度和工期要求，幕墻主龍骨采用了單層網殼結構體系，網殼結構具有以下優點。

a）網殼結構兼有桿件結構和薄殼結構的主要特性，受力合理，可以跨越較大的跨度。網殼結構是典型的空間結構，合理的曲面可以使結構力流均勻，結構具有較大的剛度，結構變形小，穩定性高，節省材料。

b）具有優美的建筑造型，無論是建筑平面、外形和形狀都能給設計師以充分的創作自由。薄殼結構與網格結構不能實現的形態，網殼結構幾乎都可以實現。既能表現靜態美，又能通過平面和立面的切割以及網格、支撐與桿件的變化表現動態美。

c）應用范圍廣，既可以用于中、小跨度的民用和工業建筑，也可用于大跨度的各種建筑，特別是超大跨度的建筑。在建筑平面上可以適應多種形狀，如圓形、矩形、多邊形、扇形以及各種不規則的平面，在建筑外形上可以形成多種曲面。

d）可以用小的構件組成很大的空間，而且桿件單一，這些構件可以在工廠預制實現工業化生產，安裝簡便快速，適應采用各種條件下的施工工藝，不需要大型設備，因此綜合經濟指標較好。

e）計算方便。目前我國已有許多適用于多種計算機類型的各種語言的計算軟件，為網殼結構的計算、設計和應用創造了有利條件。

f）由于網殼結構呈曲面形狀，形成了自然排水功能，不需像網架結構那樣采用小立柱找坡。

深圳國際會展中心中央廊道雙曲屋面幕墻網殼桿件采用180m×100m 矩形鋼通，沿主曲率方向布置，即與主梁平行，分格劃分為沿主梁方向邊長的四等分，菱形9m對角線設置鋼通將菱形分割為兩個三角形，三角形之間形成夾角，菱形格四邊采用18#槽鋼，每個菱形格為一榀大鋼架，整榀吊裝，吊裝到位后槽鋼對拼，形成整體網殼（圖3、圖4）。

圖3 雙曲屋面幕墻龍骨現場照片1

圖4 雙曲屋面幕墻龍骨現場照片2

每榀菱形鋼架采用8點支撐，其四角和四邊中心各設置支座支撐，支座設計為鉸支座，釋放溫度應力。鋼架網殼采用結構分析軟件SAP2000（Structure Analysis Program 2000）進行三維非線性動力分析和設計，SAP2000是一種集成化的通用結構分析與設計軟件，可以對復雜的三維結構進行整體性能分析并提出解決方案，主要適用于模型比較復雜的結構，如橋梁、體育場、工業建筑、網架等結構形式，目前已在工程界得到了廣泛的應用。通過SAP2000 設計分析，有力保證了結構設計的合理性和安全性。本項目屋面網殼結構計算按50年重現期基本風壓值0.75kN/m2A 類和風洞試驗報告對比，二者較大值作為計算依據，充分考慮了風荷載、自重荷載、活荷載、溫度荷載和地震荷載的影響，通過多種荷載組合的對比，選取最不利組合進行強度、剛度和穩定性分析驗算（圖5、圖6）。

圖5 雙曲屋面幕墻龍骨強度和穩定性驗算

圖6 雙曲屋面幕墻龍骨剛度驗算

3 雙曲屋面金屬板和采光玻璃幕墻設計

3.1 金屬板塊

中央廊道雙曲屋面金屬板幕墻占整個屋面面積的90%左右，為本項目最主要的幕墻系統。本文所述金屬板幕墻或金屬屋面的金屬板塊、鋁板板塊是指外飾面由3mm 厚鋁單板和內飾面由2mm 厚鋁單板組合而成的夾心板，夾心板中間填充50mm 厚隔音巖棉，內外飾面表面處理均采用氟碳噴涂，由鋁合金龍骨支承并連接，使其形成既有內、外裝飾性，又能滿足防水、保溫、隔聲等各項金屬板幕墻和金屬屋面所需要的物理性能指標，易于裝配的金屬板塊系統（圖7、圖8）。

圖7 金屬板塊三維示意圖

圖8 金屬板塊和玻璃板塊現場施工照片

這種板塊最大的特點是：金屬板塊全部在工廠加工制作，便于對板塊的加工質量和精度進行控制，在工地現場只進行板塊的裝配式吊裝，板塊裝配到位后，在完成建筑立面和屋面的使用功能的同時，能一次性完成外飾和內飾效果，不再對室內、外進行面層裝飾，節省了大量的時間和費用。

本項目屋面金屬板均為菱形板塊，邊長尺寸約為1.5m×1.5m，內、外飾面鋁板通過鋁合金型材副框組合而成，并每隔500mm 設置“幾”字型鋁合金加強筋支撐，副框與外飾3mm 鋁板采用折邊鉚釘固定，并在背面打結構膠，加強筋與副框采用角碼連接，加強筋與面板采用種焊螺栓和結構膠連接，與內飾面板鉚釘拉接。內外飾面板形成整體，共同承受風荷載和地震荷載，并采用幾何非線性的有限元方法進行計算。為降低噪音和熱輻射，在內外飾面板中間填充50mm 厚隔音巖棉，金屬板塊通過鋁合金壓塊與鋁合金龍骨機械連接，詳細節點做法見圖9、圖10所示。

圖9 金屬板幕墻節點做法

圖10 金屬板和鋁合金龍骨連接節點

3.2 采光玻璃面板

圖11 采光玻璃幕墻節點做法

圖12 采光玻璃幕墻四性試驗照片

采光玻璃幕墻僅占整個屋面面積的10%左右，玻璃配置為12mm+1.52PVB+12mm 超白鋼化夾膠玻璃，采用鋁合金副框+結構膠組框形式，并在玻璃每邊設置兩個圓形不銹鋼壓塊壓住玻璃，增加面板的安全可靠性和抗風掀性能。玻璃面板在工廠打膠組框，保證打膠質量，玻璃面板與鋁合金龍骨連接做法與上述金屬板幕墻類似，在此不再贅述，詳細節點做法見圖11、圖12所示。

3.3 三角形交接面板塊連接設計

由于深圳國際會展中心中央廊道屋面為雙曲面，為便于面板加工和現場施工，屋面面板采用平面模擬雙曲面做法，即按主體結構大菱形格劃分，將大菱形格內分為兩個大三角形，三角形內所有面板均為共面，但在兩個大三角形交接處不可避免的會產生折線夾角（圖13）。且由于每個菱形格大小尺寸不一，導致二面角也不相同，從172°漸變至178°，如果仍按常規副框設計，則副框開模數量巨大，也不便于材料組織和工廠組裝，而面板編號數量巨大，給現場安裝也帶來很大影響。

本項目設計了一種可以轉動的鋁合金副框，如圖14所示，金屬板塊副框型材分為固定副框和活動副框兩部分，其中固定副框主要用來板塊組框，活動副框用來調整角度，二者通過球型鉸連接，可以調節正負6°～7°，完全滿足面板二面角調節需求。同時，球型鉸是從一端穿入，為通長設置，受力性能良好。由此也大大減少了型材開模數量，降低了材料組織和工廠組裝難度，提高了現場安裝效率。

圖13 二面角示意圖

圖14 三角形交接處面板連接節點

4 雙曲屋面防水構造設計

深圳國際會展中心中央廊道雙曲屋面寬度方向呈弧形造型，長度方向呈高低起伏變化，屬于典型的坡屋面，根據GB 50693—2011《坡屋面工程技術規范》第3.2.3條規定“大型公共建筑、醫院、學校等重要建筑屋面的防水等級為一級”，故本項目屋面防水應按一級設計。

4.1 面板接縫防水設計

防水性能是屋面最重要的物理性能指標之一，如何確保屋面不漏水是設計必須考慮的問題。屋面板塊與板塊之間膠縫作為第一道防水措施是設計首先必須要考慮的。為了保證膠縫在各種工況下能實時保證氣密和水密性能要求，需要設計多寬的膠縫才能滿足？需要采用何種密封材料？根據GB 50345—2012《屋面工程技術規范》規定：

a）接縫寬度應按屋面接縫位移量計算確定；

b）接縫的相對位移量不應大于可供選擇密封材料的位移能力；

c）應根據屋面接縫變形的大小以及接縫的寬度，選擇位移能力相適應的密封材料。

本項目屋面90%為金屬鋁板，10%為玻璃，而鋁板線膨脹系數是玻璃的2.35 倍，故本文僅考慮鋁板與鋁板之間膠縫的設計。參考JGJ 102—2013《玻璃幕墻工程技術規范》條文說明相關規定，鋁板與鋁板之間膠縫寬度需要經過計算確定，計算公式如下：

式中：

Ws——膠縫寬度，mm；

α——面板材料的線膨脹系數，鋁板材料線膨脹系數為2.35×10-5/℃；

ΔT——面板年溫度變化，鋁板外表面最大溫差可取100℃；

δ——硅酮密封膠允許的變位承受能力，本項目按大變位50級密封膠計算，即取0.5；

b——計算方向面板的邊長，鋁板計算方向邊長取1600mm；

dc——施工偏差，可取為3mm；

de——考慮地震作用等其他因素影響的預留量，可取2mm。

經過計算，按大變位密封膠計算的膠縫寬度為：

若按常規密封膠計算，即δ取0.2，則膠縫寬度：

通過計算對比發現，常規密封膠用于屋面時需設計較寬的膠縫，對屋面外觀效果影響較大。所以本項目屋面鋁板與鋁板膠縫按20mm 設計，密封膠采用大變位硅酮密封膠，同時采用雙道打膠工藝，保證屋面第一道防水效果能達到本項目水密性能要求（圖9、圖10）。

4.2 二道防水構造設計

屋面面板接縫作為第一道防水措施，其采用的密封膠難免會因反復拉伸、陽光暴曬、紫外線致老化、現場施工質量等各種因素影響而撕裂導致雨水滲漏，故設計二道防水構造是十分必要的。

圖15 鋁合金龍骨拼接處防水構造設計

深圳國際會展中心中央廊道屋面分格劃分按一定規律及圖案交錯布置，幕墻龍骨沿分格布置，接頭處多呈“十”字和“米”字型，實際工程案例中屋面漏水往往是因為接頭位置沒有處理好，導致滲漏水沿接縫往下滴水，故龍骨接頭位置防水構造設計是二道防水的重點。本項目在承托面板的鋁合金龍骨上設計了“U”型擋邊，型材內滿鋪EPDM-S 橡膠水槽，形成第二道柔性防水體系，在龍骨交接處采用了壓鑄成型的成品EPDM-S橡膠模，解決了龍骨接縫處的防水難題。成品橡膠模與橡膠水槽對接處留縫打膠，再加蓋薄膠皮并周邊打膠密封，EPDM-S橡膠能夠很好的和硅酮膠相容，且具有一定的粘結性能，能很好地適應水槽的變形、變位，保證對接縫不撕裂、不滲漏，達到防水效果（圖15、圖16）。

圖16 鋁合金龍骨拼接處防水構造現場照片

5 雙曲屋面排水天溝設計

排水天溝的作用是收集雨水，并能通過排水管系統有組織的迅速將雨水排出。天溝設計時除應充分考慮其自身的排水、引水功能外，還要考慮到排水天溝是整個屋面系統的一個組成部分，其功能要完整，特別是在保溫、隔熱、隔聲及裝飾性上要根據不同的項目進行專門的設計。一般要求在天溝金屬槽的室內側可視部分設置裝飾面板，在裝飾面板與天溝面板內部填充隔音棉減少噪音。

本項目根據屋面造型特點，將排水天溝設置在南、北兩側邊沿，排水天溝采用3mm 奧氏體316不銹鋼U 型天溝，用鋼通龍骨支撐，不銹鋼水槽底部設置1.5mm厚TPO防水卷材，排水槽底部可視部位采用3mm 氟碳噴涂鋁板進行裝飾，鋁板與不銹鋼中空部分采用100mm 厚隔音棉填充密實，并在隔音棉下表面鋪設0.3mm厚隔汽膜，防止隔音棉受潮發霉。水槽內設置了虹吸雨水管，由于水槽東、西方向坡道較大，為防止水槽內匯聚的雨水流速、水量過大導致虹吸失效，故在水槽內每隔4.5m設置了不銹鋼阻水板裝置，有效控制水流速度，并阻止異物進入虹吸堵塞水管。排水天溝有效截面面積經過計算確定，并且為防止虹吸堵塞情況下雨水上翻至屋面，在虹吸附近設置了溢流口，詳細節點設計見圖17所示。

圖17 不銹鋼排水天溝節點做法

6 雙曲屋面吊頂格柵設計

深圳國際會展中心中央廊道雙曲屋面主體鋼結構下面設計了格柵吊頂，用以遮擋或弱化屋面幕墻內部構件。格柵吊頂采用直徑150mm鋁合金圓管，沿中廊南北長度方向布置，并在主體鋼梁底部按一定規律設置150mm 和50mm 兩種大小不同的分縫，設置大小不同的分縫目的是：一方面是考慮將整個吊頂劃分成菱形，與鋼結構菱形對應，使得單一的吊頂呈現多樣化的視覺效果；另一方面是考慮屋面整體呈雙曲造型，格柵圓管現場整體吊裝難以達到很高的精度，圓管與圓管之間很難對齊，按大小分縫的方法可以弱化安裝誤差，消除圓管不對齊造成的視覺影響（圖18、圖19）。

圖18 吊頂格柵現場施工照片

圖19 吊頂格柵現場施工夜景照片

圖20 吊頂格柵鋼龍骨照片

本項目吊頂格柵采用裝配式吊裝方式，每個大菱形格為一榀單元，通過鋼圓管龍骨將格柵圓管組裝為一榀，格柵鋼龍骨在工廠完成，格柵圓管在工廠加工好，再統一運輸到工地現場，在地面完成格柵單元組裝和吊裝（圖20、圖21）。

7 結束語

深圳國際會展中心聚集了國內外頂尖的建筑設計團隊和幕墻公司，經過幾年艱苦奮斗終于呈現出嶄新的面貌，筆者有幸參與建設倍感榮幸。其中，中央廊道雙曲屋面幕墻是施工難度最大、工期最短的一部分，在建設過程中匯聚了我們幕墻設計師的智慧和心血，本文所介紹的內容和設計方案也是我們整個團隊在設計和實踐中的一點經驗總結，受篇幅所限不能詳述，僅簡要闡述雙曲屋面幕墻的設計要點，供幕墻設計師參考。

圖21 吊頂格柵單元組裝照片