淺談維護結構的支撐體系——記深圳市大運會游泳館屋面幕墻鋼結構設計

　　1.工程概況
　　深圳大運中心項目Ⅲ標段(游泳館)外圍護結構工程位于深圳市龍崗區體育新城深圳世界大學生運動會體育中心。東側為80m寬的黃閣路,南側為80m寬龍翔大道,西側隔70m寬龍興路與銅鼓嶺相對,北側為如意路。該項目由深圳市建筑工務署投資建設。工程總投資約為6.7億元,總建筑面積42958.48平方米。室內設固定座席數1312席,活動座席數1706 席,共計3018席。設室內標準比賽池50×25×2(m),室內訓練池51×25×2(m)及室外戲水池各1個。層數為地下一層地上二層(局部三層),鋼筋砼框架+鋼結構。建筑物高23.5米,主鋼結構的跨度為92.4米。是2011年世界大學生運動會主要比賽場館之一。

　　該游泳館造型獨特,個性鮮明,結構總體造型為矩形,側面及屋頂幕墻形成折面三角形空間網格,且關于X軸和Y軸對稱。在各大三角形幕墻板塊邊緣銜接處均采用金屬裝飾板進行收口密封。整個結構構成鉆石狀的水晶造型。尤其在夜間,透明的外飾面如同巨型的發光體,烘托出濃烈的節日氣氛。該建筑獨具匠心的造型彰顯了深圳這座新興國際大都市的鮮明個性和獨特魅力,同時也標志著該地區又一個地標性建筑的誕生。游泳館建筑整體鳥瞰圖見圖1.1所示：

　　2 屋面幕墻簡介
　　游泳館整個屋面系統由9g個大三角形板塊單元組成,每個大三角形板塊各邊均分9等分形成” 個小三角形單元。屋面幕墻結構體系主要由面板、鋁合金型材轉接件、鋼結構檁條、鋼結構支撐連接件組成。幕墻面板采用了兩種規格的玻璃:一種是透明的三角6TP+12A+6TP+1.14PVB+6TP三鋼化夾膠中空LOW-E玻璃;一種是淺綠色的8+0.76PVB+XIR+0.76PVB+8mm鋼化夾膠LOW-E玻璃。結構支撐體系鋼檁條采用兩種型材:中間主次檁條采用H型鋼構件,邊檁采用方鋼管構件。

　　使用階段:幕墻主要承受自重、風荷載、活荷載、溫度及地震作用,所有自重及外荷由玻璃面板通過結構密封膠及承重托條傳至鋁型材副框,再通過鋁型材轉接件及焊接鋼底座傳至鋼檁條,最后通過周邊的樹枝形懸挑鋼支座連接件及中間的可調雙向鉸接撐桿傳至主體鋼結構上。

　　各施工安裝階段:幕墻主要承受自重、施工檢修等荷載作用,所有外荷及作用由前期安裝的構件及臨時性支撐承受。

　　3 屋面幕墻鋼結構支撐體系設計重點、難點分析
　　3.1 考慮溫度應力釋放的重要性:
　　維護結構的支撐體系,其特點就在于能承受并傳遞面板及支撐體系自身的重力和風、雨、地震、溫度以及施工荷載等作用。由于維護結構處于整個建筑結構的外表面,外界氣候對其影響尤為嚴重,溫度作用不可忽視,通常在設計中取年溫差為ΔT=80℃ 。

　　維護結構通常采用鋁合金型材、鋼結構構件作支撐體系。常用的鋁合金型材所選用的材料為6063—T5、6063—T6;常用的鋼結構構件所選用的材料為Q235。

　　由此可見,溫度作用對于維護結構支撐體系本身是具有破壞性的。因此在設計維護結構的支撐體系時,需要通過構造措施將溫度應力釋放掉。

　　3.2 考慮三維調節功能設計的重要性∶
　　深圳大運中心項目Ⅲ標段(游泳館)夕卜圍護結構工程的屋面幕墻,是由98個不同大小、不同角度的大三角形板塊單元組成的空間折面三角形網格系統。游泳館的主體結構為單層平面網格空間鋼結構桁架體系,最大跨度為92.4米,主體鋼結構在自身重力作用下變形很大。由于大三角形板塊單元角度多,板塊規格多樣,主體鋼結構變形大且復雜,在進行實際工程安裝時,各支撐構件的大小和安裝位置與理論設計尺寸相差甚遠。因此在設計中考慮三維調節功能非常必要。

　　3.3 鋼結構支撐體系設計的難點:
　　在設計幕墻的橫梁和立柱時,通常采取的辦法是:在橫梁兩端與立柱相連的地方,留出縫隙并墊上柔性墊片。橫梁在長度方向可伸縮,溫度應力得以釋放,其它荷載和作用通過螺栓、螺釘和角碼傳與立柱。立柱通過螺栓與主體結構連接,在其最上端開圓孔,下部其它位置開長圓孔,自重和部分平面外的荷載通過最上端螺栓、節點板傳與主體結構,下部的連接螺栓和節點板只能傳遞平面外的荷載,使立柱在長度方向可自由伸縮。

　　由于該項目屋面幕墻鋼結構支撐體系與主體鋼結構空間異面。按照常規幕墻的設計方法將鋼結構檁條按幕墻橫梁、立柱來設計,便會造成結構本身不穩定,無法實現支撐體系承受和傳遞荷載的功能。

　　角度多,板塊規格多樣,既要通過構造措施將溫度應力釋放掉,又必須保證支撐體系能將維護結構所受的自重和外荷載傳與主體結構,同時還要保證構件連接具有三維調節的功能。這給幕墻結構支撐體系的設計帶來了不小的困難。經過長時間與設計院溝通,并努力探索和分析,完成了該項目鋼結構支撐體系的設計。目前,屋面幕墻鋼結構支撐體系已完工,現場效果良好。

　　4 屋面幕墻鋼結構支撐體系連接節點設計
　　由于本系統造型獨特、構造復雜、施工難度大,我司在本次設計中,對幕墻面板與幕墻龍骨之間的連接、幕墻龍骨與主體鋼結構的連接均采用了具有三維調節功能的節點構造設計,確保施工安裝的質量。其中,鋼結構支撐體系連接節點設計可分為三個部分:邊檁與主體鋼結構的連接設計;主次檁與主體鋼結構的連接設計;檁條之間的連接設計。屋面幕墻典型大三角板塊單元鋼結構支撐體系與主體鋼結構連接三維示意圖如圖4.1所示:

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