扬中园博园双曲河豚鱼形展馆 开放式金属幕墙的设计与施工

1、扬中园博园双曲河豚鱼形展馆开放式金属幕墙的设计与施工 丁大炜、张锦程（通州建总集团有限公司 226300 ）【摘 要】：异形建筑在国内大量涌现，挑战了建筑设计和施工技术，施工技术的高低决定着异形建筑的效果和质量，适宜的测量及安装方法和技巧，既可以大大地节省人力、时间，显著提高工作效率，同时也能把设计师的设计效果完美地展现出来。以扬中园博园河豚鱼形馆的实际工程为例，对该项目在设计过程中碰到的难点进行分析。同时介绍异型金属屋面的基本概念、结构与构造设计原理、节点的设计思路和相关的施工技术。用大量的现场图片、图纸，针对在异型金属屋面和幕墙的设计中碰到的难点和关键技术进行分析从屋面最外面的装饰面板到连

2、接件、防水层、保温层、隔热层、隔声层以及排水屋面构造、除雪融冰系统等的设计作一分析。【关键词】：扬中园博园河豚鱼形馆（主副展馆）、超现代、异形建筑、 金属屋面构造、测量控制网、施工测量定位。1.引言现有建筑造型已经呈现多元化的发展方向，一些新派建筑师不满足于设计中规中矩的建筑形式，许多极富视觉冲击力超现代的建筑越来越多的呈现在我们面前。幕墙作为建筑的外装饰层，如何实现建筑创意甚至如何将建筑的语言表达的更加透彻，已经是许多幕墙公司必须面临的问题。曲面异形建筑，特别是双曲面的建筑造型越来越多的应用在许多国内外建筑造型中。以往只是作为建筑造型中的个别单体，现在已经大范围的应用到整个建筑造型中。新型的

3、计算机技术已经完全可以满足幕墙的造型设计需要。异形建筑技术水平是一个国家土木建筑业水平的重要衡量标准，也是一个国家综合国力的体现。改革开放以来，随着我国国民经济的高速发展和综合国力的提高，我国空间结构的技术水平发展飞速。大跨度空间结构的社会需求和工程应用逐年增加。随着08年奥成功的成功举办、2010年上海世界博览会等国家重大社会经济活动的开展，我国已建设了一大批高标准、高规格、超现代的体育场馆、会展中心、机场航站楼、博物馆等社会公共异形建筑。异形建筑在给人们带来视觉冲击享受的同时，却给建筑施工增加了巨大难度，对施工技术提出了更高的要求，必须突破、创新常规施工工艺及方法，才能把设计师的设计理念真

4、实的展现出来，而施工测量则是一项专业性较强且又非常重要的工作。 我们在扬中园博园河豚鱼形馆金属屋面及幕墙工程的施工过程中，总结了一整套针对双曲异型金属屋面的施工术，在本文中介绍其中的一部分。1.1 扬中园博园河豚鱼形馆工程概况：扬中园博园河豚鱼形馆位于扬中市兴隆港，园区用地面积137公顷，主展馆建筑面积7226.7m2，副展馆建筑面积7453.9m2，滨水休闲馆建筑面积8307m2，主展馆建筑高度30.67m，副展馆建筑高度30.67m，滨水休闲馆建筑高度23.5m。扬中园博园河豚鱼形馆项目由江苏省城市规划设计研究院设计，由通州建总集团有限公司总承懈，南通通西建筑装璜有限公司分包外侧幕墙、屋面

5、系统施工。扬中园博园河豚鱼形馆的建筑设计，展览陈设和科技项目均定位于国际水准，无论是建筑空间、展区规划、展览主题选择还是对展品、展项的具体设置，都秉承“绿色、科技、人文”的宗旨。建筑造型寓意“江魂绿岛，舟情鱼趣”这一具有强烈地域特征的主题，展现着扬中开创未来的创新精神。整体建筑效果见下图示意： 整个建筑的外立面是由不规则的双曲面铝板、玻璃等构成。1.2 工程基本特点：本工程幕墙与金属屋面部分几乎全部是双曲面，而且曲面并无规律。如何控制好建筑的造型，实现建筑师的设计效果，是工程的关键。以往常规的图纸表述方式：平面图、立面图、剖面图不能准确表达异型幕墙的要求。由于外部的建筑造型所致，该项目的金属屋

6、面部分与建筑幕墙部分没有一个明确的分界线。如果标准区分就是与水平面大于75°的为建筑幕墙，小于75°的为屋面。幕墙与屋面从节点设计到强度计算以及材料的使用，都有着很大的差异。为确保项目的安全性能和使用性能，在设计中根据本工程项目的实际情况进行整体设计，不论是幕墙还是屋面将其有机地结合在一起，综合考虑各项技术指标。2.异型金属屋面的设计2.1 金属屋面系统的构造扬中园博园河豚鱼形馆建筑的整体外形是由多个不规则的自由曲面体形有机顺滑的集合成一个不规则的异型体。主体结构为钢结构支撑系统，其表面大部分为金属屋面和铝装饰板所覆盖，整体造型非常柔顺中。这种类似的建筑在国内是极为少见的。

7、由于其体型和功能的要求，对金属屋面来说，其设计与施工的难度很大，必须结合实际工程情况采取特殊的、能够适应本项工程的结构，节点设计和施工工艺方案才能顺利完成本项工程。本工程屋面系统的构造如下：（自下而上）主体支撑钢结构；檩托，可进行双向调整的连接机构；檩条，121×5的弧形钢管；硬防水板，底层硬质防水镀锌钢板（厚度为1.5mm）；防潮层，聚乙烯防潮隔层；隔声层，玻璃纤维增强硅酸钙板；防水板T型支座系统；保温层，双层50mm保温棉；防水透气膜；铝镁锰金属屋面板，厚度为0.9mm，高直立锁边；转接件，铝合金材质的连接装置；弧形铝支撑管，40×3的弧形铝管；转接件，铝合金材质的连接

8、装置；面层铝合金装饰板，厚度为5mm铝板，内外表面按建筑要求的颜色进行氟碳喷涂。从图中可以看出，本项目的金属屋面部分的支承结构为分三层主体支撑异型钢网壳结构，在此之外为钢檩条，作为主结构的次龙骨，屋面板等功能材料是依附在次龙骨之上的，第三层支承结构是直立锁边金属屋面板外部的弧形铝管檩条，是最外层铝板的支撑结构。依附在支撑结构上，能起到各项功能作用的板材、膜材共有七层-最外层为铝合金装饰层、铝镁锰金属面板层、防水透气膜层、保温棉层、硅酸钙板隔声层，聚乙烯防潮层、底层为镀锌钢板硬防水层。每一层都有着相应的功能，同时每一层也都有它特殊的工艺特点，这就需要整体设计中全面综合的考虑每一部分设计方案。2.

9、2 檩条与主体钢结构的连接设计扬中园博园河豚鱼形馆的主体支撑钢结构，是一个由异型钢管网壳和异型钢管桁架共同组成的空间网壳结构。其外形及为复杂，这就造成在空间网壳施工中很难控制其安装精度，出现外形尺寸偏差较大的现象。为能保证屋面安装后的外形尺寸，必须在安装次檩条时将主体结构偏差调整到外形尺寸允许的范围之内。在设计时我们根据现场的实际情况采取了按实际尺寸调整檩托母座的张度，使檩条在安装后的空间位置保持在设计范围内。为了实现这一目的，我们对现场的檩托支点采用全站仪进行了空间位置测量，得到空间三维数据，用这些数据重新建立了三维模型，并与原三维模型进行对照。用此办法来确定了每一个檩托母座的长度。檩托是一

10、个连接屋面檩条的连接件，由钢材机械加工制成，在主体钢结构上焊接母座后，檩托旋入母座。檩托的高低尺寸可以通过旋入母座的多少进行适量调节，这可以吸收由于主体钢结构引起的部分偏差。檩条为121×5的钢管，安装在檩托上，并且通过U型抱箍紧固件连接固定。在檩条接口位置，檩托上两个U型抱箍分别固定两支檩条。由于本项目的特殊性，所决定每一根檩条都是弧形的，而且弧形半径的无规律的变化，半径的大小是根据空间模型的尺寸确定的，必须在工厂加工成形后运入现场进行安装 。由于在安装过程中如果按焊接节点将会出现很大焊接应力，使檩条的形状改变，无法顺滑的拟合外形，为避免上述的问题我们采取了无焊接的节点设计，用机械

11、联接的办法解决实际问题。2.3 底层硬质防水板、防潮、隔声、保温层的设计：2.3.1 防水板屋面底板的做法有很多 ，可以用软防水、用压型钢板以及聚安脂硬泡等。但由于本工程的金属屋面为不规则的双曲面，这些做法都无法解决双曲扇形面伸缩变形的问题。采用1.5mm厚的镀锌钢板不但解决了扇形排版问题，同时也为安装过程中施工人员提供了可靠的安全踏板，避免在施工时损坏下层底板。根据我们的多年生产异型双曲金属屋面的经验，结合本项目的特点，我们在金属屋面系统的外层，选用高直立锁边铝镁锰金属面层防水板，在底层采用1.5mm厚的镀锌钢板做底层的防水层，用双层防水的方案来确保屋面系统的防水性能。为了保证二次防水和提高

12、钢板的平面外刚度，在节点设计时确定了在左右两块钢板之间折直角边，并加盖“”型钢槽。上下两块钢板在安装时上板压下板边180mm，来保证其防水性能。2.3.2 防潮层在金属屋面的使用过程中，为防止室内潮气进入玻璃棉，在玻璃棉的下侧加贴隔气、隔潮、反射热辐射的铝箔隔气层，和聚乙烯防潮隔气层。厚度9m。为防止室外潮气进入玻璃棉，在玻璃棉的外侧加贴防水透气膜，起隔潮防潮作用。2.3.3 玻璃棉保温层根据设计图纸和技术文件的要求，在进行屋面保温隔热计算后，最终确定保温层为100mm厚超细玻璃棉，容重为24kg/m3，玻璃棉的导热系数为0.036K(W/m°C)。为保证工程质量，达到节能的目标，我

13、公司在深化设计中采用的玻璃棉制品是经高温熔融，由高速离心设备制成无机纤维后，再加入特制粘结剂和防尘油经摆动带铺毡并通过特殊设备改变纤维排列结构，最后经固化定型而成的新型轻质保温材料。轻质保温材料具有如下特点：1、耐腐蚀性能：此种玻璃纤维棉性能稳定持久，且对钢材腐蚀有抑制作用，不会与钢板间发生任何电化学反应，据有关标准的规定测定，保温棉等PH值为7.1。2、防火性能：根据中国国家标准 GB50016及中国国家防火建筑材料监督检验测试中心的检测判定，保温棉不燃性(A级)合格。3、环保性能：玻璃纤维较细，不含渣球，使玻璃棉的导热系数较低，对人体皮肤刺激较小。4、抗潮湿性能：保温棉在温度49，相对温度

14、90%，常压下通过ASTME84测试，吸湿量低于2%，如本产品被渍湿，干燥后保温性能完全恢复。2.3.4 隔声吸音层为保证博物馆隔声吸音效果我们在镀锌钢板与保温棉之间加了一层8mm厚的玻璃纤维增强硅酸钙板。这样，金属屋面板的隔声吸音性能的实现，主要是通过底层镀锌钢板、玻璃纤维增强硅酸钙板、保温棉、顶层金属板等实现的。隔声和吸音性能不仅体现在防止建筑外的噪音进入建筑内，也体现在避免建筑声音外传，而且，当雨水敲击屋面时不能对建筑内产生不利影响。2.4 铝镁锰金属屋面板的设计防水是屋面系统最基本也是最重要的功能，它的好坏直接影响着工程的形象和声誉。正因如此，屋面系统的防水性能是金属屋面最为值得关注的

15、方面。普通压型金属板采用的是螺钉穿透式固定，钉孔处仅靠螺钉下的橡胶垫片密封。随着垫片的老化及屋面板受风压反复作用，垫片的密封性能将大打折扣，并导致漏水。而且由于屋面存在成千上万个钉孔，其施工质量也受工人素质及技术水平的制约而难以保障。一旦出现问题，漏水点的查找也十分困难，不易补救。根据本工程的特点，我们在金属屋面系统的外层，选用高直立锁边铝镁锰金属面层防水板，在底层采用1.5mm厚的镀锌钢板做底层的防水层，用双层防水的方案来确保屋面系统的防水性能。2.4.1防水性能分析本工程采用的是直立锁边屋面板型，板肋直立，使得其排水断面几乎不受板肋影响，所以有效排水截面较普通板型更大，加之板肋较高65mm

16、，更能保证屋面板在坡度平缓情况下的防水性能，同时铝合金的弹性模量小，对双向弯曲的屋面适应性更强。本方案铝合金屋面系统采用先进的直立锁边固定方式，从根本上杜绝了传统螺钉穿透固定方式带来的漏水隐患。直立锁边屋面板的固定，首先是将铝合金固定座用高强不锈钢螺钉固定于镀锌檩条上翼缘，再将屋面板扣在铝合金固定座的梅花头上，最后用电动锁边机将屋面板的搭接边咬合在一起。由于采用了直立锁边固定方式，屋面没有螺钉外露，整个屋面不但美观、整洁，而且杜绝了成千上万个螺钉孔造成的漏水隐患。另外该屋面系统可配合独有的铝合金或不锈钢配件，使得客户可以方便地在屋面板上设置装饰板而无需用穿透屋面板，因而不会留下任何漏水隐患。此

17、板型的另一个优点是防毛细作用，体现在直立锁边系统的板肋上。板肋小边上的特制凹槽在咬边后形成的空腔扩大了板肋的隙缝，防止毛细现象的发生，阻绝水分通过毛细作用进入室内，以更好的达到屋面的防水功能。2.4.2 吸收热胀冷缩性能的分析能有效吸收屋面由于热胀冷缩而产生的横向变形和由于底部结构的不均匀沉降而产生的垂直变形。金属面板的固定座和下部的保温材料及钢檩条跟随主体结构上下运动，而板面的折边可以吸收大量的形变。在沿板肋的纵向，板更有足够的挠度吸收可能产生的竖向形变。金属屋面系统利用板的折边变形和板肋空隙来制调整热胀冷缩。对每块400mm宽的金属屋面板，可调节的量可达5mm，在总的可调整量内完全可以吸收

18、该方向的结构位移。2.4.3 透气性能的分析空气中总是含有一定量的水份的，水份的含量即湿度在一年四季甚至每天都在变化，有时高有时低，这些水份都是以气态方式存在，但高湿度的热空气在遇到冷的界面时，空气中的水份就会由气态变为液态，形成冷凝水。屋面板上下的空气交换有助于使屋面板上下的空气湿度保持一致，避免一侧的湿度过高在遇温度突变时产生冷凝现象，尤其是要防止屋面板底的湿度太高。有时在翻开一些压型钢板屋面时，会发现板的表面没有被锈蚀，但板底已锈迹斑斑，这就是由于在板底的湿汽太多又排不出去，加速了压型钢板的氧化腐蚀。本方案采用的板型，其板肋的搭接既可防止雨水和毛细水的浸入，但又不妨碍空气的自然流通，使屋

19、面板底的空气能够流动，屋面系统就如同可以呼吸换气一样，不会将湿气闷在板下部。2.4.4 板的长度方向吸收热胀冷缩性能的分析屋面板和铝合金固定座采用机械咬合的方式来连接，屋面板通过机械咬合力扣合在铝合金固定座的梅花头上，但屋面板仍可以在铝合金固定上面自由滑动，此种连接方式可充分吸收屋面板由于热胀冷缩在纵向产生的变形。在本工程中，屋面板最长可达到74m，将每片板的固定点设在板中间，板的累计伸缩量也可达到7080mm，故只有采用这种锁扣式咬合的连接方式，才可以使屋面板能够自由伸缩，避免产生温度应力。2.4.5 金属屋面板的排版设计本工程屋面外形是一个类似奇石的不规则形状，这就给金属屋面板的排版设计工

20、作增添了很大的难度。金属屋面板的排版设计是否可行，屋面板对曲面的顺滑覆盖是保证屋面板能自由伸缩及防水的关键，因而分析屋面板铺设在曲面上的效果，并根据分析结果制定相应的排板方案决定着整个屋面工程的成败。为了确保其使用功能必须对不规则的外形进行详细的分析，这样才能完成合理的排版设计。根据建筑图纸，建立精确的三维模型，并将三维模型分为两大区域。即，项部区域和墙面区域。在两个区域之间由天沟来分界。在顶部区域内根据三维模型中所显示出的坡度走势，将高的部分设置成屋脊，底部的位置设为天沟，使之自然形成了不规则的12个分区。在每个分区中的板型都是根据所在位置的不同而产生变化的。有的分区全部都由扇形弯弧板组成。

21、有的分区是由扇形弯弧板与弧形板组合而成。有的分区是由扇板、弧板、直板相互组合成形的。但在每个分区中只能有一个坡度不同的排水走向。对双曲形状金属屋面在排版设计时需要考虑以下几个问题:1、由于屋面双向弯曲，如使用直板,会出现扭曲甚至无法安装的情况,在此情况下,使用扇形板或局部使用扇形板将是最好的解决办法。2、由于屋面板铺设方向不能沿着曲面的径向，因此在沿着屋面板侧向会有较大的偏移,尤其是板的中部,如果出现这种偏移,且偏离距离过大,将需要板有很好的柔韧型,并可能需要采用异性板。3、由于屋面双向弯曲，在屋面板的中部会出现橘皮效应(中部增宽)。直立锁边的压型板由于带肋，每片板可以在中间拉大5-10mm，

22、可以有效解决此问题。若结合扇形板宽度变化的特点，能更好地解决此问题。2.5 金属屋面板与面层装饰板连接系统的设计转接件在屋面板上安装，起到转接横向铝管的作用。转接件采用铝合金型材加工而成，转接件为两件，满足其转角要求。2.5.1 弧形铝支撑管弧形铝支撑管是采用挤压的铝合金型材，起到连接外装饰板的作用。2.5.2 转接件铝合金材质的连接装置，用铝合金型材加工制成。通过两个件转接，可以满足不同角度要求。其目的是可以安装面层铝合金装饰板。2.6 面层装饰铝板的设计博物馆的建筑外形是建筑设计院提供的三维模型。 根据当地的气候特点，以及建筑体本身的需要，设计上采取了开放式幕墙做法，材料选用5.0mm厚的

23、H3003系列铝板，结合曲率，很多自由曲面铝板在实际加工中采用了恝弹性更高级的欧态铝。3.功能性节点的设计方案3.1 屋脊与排水天沟3.1.1 屋脊设计方案由于扬中园博园河豚鱼形馆金属屋面的外形复杂，高低起伏曲面转角多，建筑外形要求过度顺滑，在视觉上无明确的屋脊线。但是由于功能的要求，在相邻的两个区域中的排水走向不一致，每一块金属面板的伸缩变形方向不一致。所以，必须在适当的位置设置屋脊。用它来作为屋面排水方向的分界和金属面板的可变形伸缩端。屋脊的位置是根据排版分区设计时高点的位置线所确定的。所以在顶部形成了多条长短不一的曲线形屋脊。3.1.2 排水天沟设计方案天沟槽的设计应考虑:1、排水天沟宜

24、采用防腐性能好的金属材料，厚度不应小于2.0mm。2、防水系统宜采用两道以上的防水构造。防水系统应具备吸收温度变化等所产生的位移的能力。3、排水天沟的截面尺寸应根据排水计算确定，并在长度方向上应考虑设置伸缩缝，天沟连续长度不宜大于20m。4、天沟槽的设计时，在充分考虑到其自身的排水、引水的功能外，还要考虑到排水天沟是整个采光顶系统的一个组成部分。其功能要完整。特别是在保温、隔热、隔声及装饰性能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则设置填充保温棉，在可视部分包饰装饰面层。在天沟金属槽的室外则涂防水油膏加防水卷材，这样有利于减少噪声，提高沟槽的防腐能力，提高使用寿命。3.2

25、 虹吸系统的设计当雨水、雪水按照我们的要求汇入天沟内就进入了有组织的排水的过程 ，一般情况下从天沟内向外排水的方案有两种：一是通过水的重力和天沟的排水坡度使雨水汇聚到落水斗处，通过排水管道有组织的排出。这种方法简单易维护，大量使用在建筑上。二是近年来引进的虹吸排水系统技术。 虹吸式排水系统的基本原理是当天沟积水深度逐渐加大并超过雨水斗上表面高度，掺气比值迅速下降为零，雨斗内水流形成负压或压力流，泻流量迅速增大，从而形成饱和排水状态。其技术特点在于虹吸式雨水斗设计，水进入立管的流态被雨水斗调整，消除了由于过水断面缩小而形成的旋涡，从而避免了空气进入排水系统，使系统内管道呈满流状态。利用了建筑物高

26、度赋予的势能，在雨水的连续流转过程中形成虹吸作用，导致水流速度迅速增大，实现大流量排水过程。由于扬中园博园河豚鱼形馆屋面形状复杂，天沟的形状、斜度相差很大，在排水过程中容易出现问题，所以我们在设计时充分考虑到使用的环境，在落水处增设防封堵构造，和溢流装置。防止雨水在不能及时排出的情况下向外溢出。在设计坡度较大的排水天沟时，在天沟内设置了阻水板装置来保证排水的顺畅。3.3 除雪融冰系统的设计1、天沟融雪系统设计要求为除冰和融雪，选用恒功率电伴热带，铺设范围为不锈钢天沟。  2、根据本工程所在地的冬季气候条件，为保证除冰和融雪的速度和效果，伴热带标称功率为35瓦/米，天沟内铺设

27、方式采用1:6呈“S”型铺设，天沟槽除冰融雪功率为210瓦/米。落水斗附近加密铺设。3、除冰融雪控制系统和电源点的设置。4、天沟除冰融雪系统设计依据为中华人民共和国行业标准JGJ142-2004（地面辐射供暖技术规程）。4.异型金属屋面的施工测量定位扬中园博园河豚鱼形馆建筑由南北两栋钢结构展馆和金属屋面所组成，外部由多个不规则的曲面体形有机顺滑集合成一个不规则的三维曲面异型体。主体结构为钢结构支撑系统，其表面除天窗外均为金属屋面和铝装饰板所覆盖，将两栋展馆包裹于金属屋面系统之内，整体造型相当柔顺。4.1 平面控制网和高程网的建立平面控制网先整体考虑，遵循先整体、后局部，高精度控制低精度的原则进

28、行，平面控制网和高程的建立及布设，要因地制宜，既从前期测量需要出发，又必须考虑到后期测量需求。布设平面控制网首先根据设计总平面图，现场施工平面图，选点在通视条件良好、安全、不易破坏的地方，点位稳固，如有必要可以用钢管加以保护，并用油漆作好测量标记。本工程根据给定的控制点和高程点，使用苏州一光全站仪（测角2”,测距3+2ppm毫米），北光DZS3-1自动安平水准仪，在建筑物外围建立闭合导线DD1DD8，再由外围控制点布设室内两栋展馆的顶层楼面控制网，北侧展馆布dd1dd5闭合导线,南侧展馆布设双定向附合导线dd6dd10。dd10通视DD1、DD2，DD5通视dd1，DD6通视dd2、dd6，D

29、D4通视dd5，dd3通视dd8。然后再把高程导至外围导线点（DD1DD8）和楼顶导线点（dd1dd10）上，展馆顶层楼面上导线点的高程通过能通视的外围导线点应用三角高程解算而得，这样平面和高程两网就重合在一起。之所以要把两网重合在一起，主要是为了测量方便，即在任何一个导线点上均可进行三维坐标的测量。至此，展馆金属屋面及玻璃工程的平面和高程控制网就已建成，如图所示。控制网由外围网闭合控制网D1D5，双定向附合导线组成，此单网既相互独立又相互关联，在进行平差计算和精度分析时，仍然按2个单网分别进行，如果都能达到相同精度，当然最好，若不能达到等精度，楼顶两网比外围网低一个级别即可。切不可出现2个精度级别，否则就需重新测量计算。