采光顶的设计

采光顶设计１概述

透光屋面也称为采光顶，它由透光面材和支承结构组成，是一个完整的结构系统。透光屋面通常与竖直平面交角大于15°。与竖向平面交角小于15°的部份归入建筑幕墙。多数情况下透光屋面的底平面接近于水平面或者处于水平面上。由于建筑功能和建筑艺术的要求，透光屋面常常和不透光的屋面（如金属屋面）构成一个屋面的整体。如国家大剧院为平面212m×143m、高45.8m的落地椭球穹顶。两端为金属钛板屋面，中部则为透明的玻璃屋面。玻璃穹顶由中央向四周倾斜度不断加大，周边部分与竖向平面夹角往往小于15°，已进入幕墙的范畴。由于在同一屋面上难以完全划分屋面与幕墙，因此其设计与施工也常要参照现行行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102和《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133的相应规定。目前，《采光顶与金属屋面工程技术规范》正在筹划编制

２透光屋面的选型2.1透光屋面的外形2.2透光面板的相对位置2.3面板的支承方式2.4支承结构2.1透光屋面的外形

1.平面及若干个平面的组合2.微弯双曲面和扁平双曲面3.柱面4.穹顶5.双曲抛物面6.其它任意形状的曲面

平面透光屋面可以水平放置或倾斜放置。实际上由于排水的需要，水平放置的屋面也有一定的排水坡度（通常3%左右）。若干个平面组成折面或角锥面，也广泛应用于公共建筑和标志性建筑，其中最有名的是巴黎卢浮宫玻璃金字塔（底边：36m×36m）。天津泰达植物园的四角锥底边达50m×50m。1.平面及若干个平面的组合2.微弯双曲面和扁平双曲面微弯双曲面和扁平双曲面在任意正交方向，曲率的乘积（高斯曲率）大于零：k=kxky＞0多数情况下曲面正放，形成上凸采光屋面；也有些工程采用下凹反放的方式，此时要采用内排水措施。微弯双曲面的矢高f通常为跨度的1/15~1/30；扁平双曲面的矢高f通常为跨度的1/5~1/15。低矢高可以降低室内空间高度，有利于节约能源。3.柱面一根直线（母线）沿着另一根曲线（准线）平行移动，便形成柱面。柱面为单曲面，其高斯曲率为零：k=kxky=0当准线为圆弧时，形成最常用的圆柱面。此外，还有椭圆柱面和抛物线柱面，以及沿波形曲线生成的波形柱面。4.穹顶穹顶通常是球面或椭球面的一部份，位于建筑物的顶部。在许多大型公共建筑中，则常为落地的半球或半椭球。穹顶往往涵盖了墙体和屋面5.双曲抛物面双曲抛物面常称为马鞍形曲面。它在两个正交方向上曲率的方向相反，高斯曲率小于零：k=kxky＜0双曲抛物面通常由张拉双向索网或双向受拉膜生成。6.其它任意形状的曲面有时，因建筑艺术的要求，透光屋面可以采用形状复杂的或者组合的曲面，这时屋面的形状只能通过其曲面各点的三维坐标来描述。采用复杂形状透光屋面的著名工程有英国伦敦大英博物馆扩建部份、意大利米兰的新会议展览中心等。

2.2透光面板的相对位置

在多数情况下，透光面板位于支承结构的上面或外面，将支承结构包封在室内。但有时建筑师为了强调支承结构的形式美，也可以将支承结构显露在室外，透光面板位于支承结构的下面或内面，形成倒挂面板。北京香山植物园温室的蜗壳部份，钢管桁架外露，中空玻璃倒挂在桁架下面。英国伦敦滑铁卢高速列车站、德国法兰克福机场高速列车站、德国莱比场国际博览会等，均为倒挂玻璃透明屋面。

2.3面板的支承方式

透光面板可采用四边金属框支承。与玻璃幕墙的面板类似，框支承面板可采用明框、半隐框和隐框方式。在屋面坡度较大时，雨水不容易滞留，可采用明框面板。通常半隐框面板的外露金属框与排水方向一致布置，避免灰尘和雨水积聚。玻璃面板还可以采用点支承，通过钢爪或夹板固定玻璃。2.4支承结构支承结构可以采用玻璃肋，玻璃肋宜采用夹层玻璃，防止破碎坠落。点支承玻璃中的玻璃肋，应采用钢化夹层玻璃。绝大多数支承结构为钢结构。可以划分为刚性结构、柔性结构和混合结构三大类：刚性结构：梁、拱、树状支柱；桁架和网架；单层和双层网壳等。柔性结构：张拉杆索体系；自平衡索杆体系；索网；整体张拉索穹顶等。混合结构：同时采用刚性结构和柔性结构的支承体系。３材料3.1透光面板3.2金属材料面板3.1.1玻璃大多数透光屋面的面板采用玻璃，选择玻璃的品种时应考虑以下因素：1.安全为防止玻璃坠落飞散伤人，透光屋面的中空玻璃内侧（下侧）玻璃宜采用夹层玻璃；单片玻璃也宜采用夹层玻璃。工业厂房的采光天窗，允许采用夹丝玻璃。玻璃中的夹丝在边缘容易生锈使玻璃染上黄褐斑，影响美观，民用建筑一般不采用。2.承载力`当承载力有要求时，可采用钢化玻璃。点支承玻璃，支承处的孔洞和夹板下会产生大的应力集中，应采用钢化玻璃及其制品。由于钢化玻璃有自爆的可能，为防止玻璃肋自爆使面板失去支承而坠落，玻璃肋不应采用单片钢化玻璃。点支承玻璃肋应采用钢化夹层玻璃。3.节能国家标准《公共建筑节能设计标准》GB50189已经颁布，对透光部份的传热系数K和遮阳系数S已经提出了明确要求。可以采用LowE玻璃来降低能耗，双银LowE中空玻璃可以达到传热系数K的要求。采用阳光反射玻璃、本体着色玻璃和遮阳LowE玻璃可以降低遮阳系数。有时还可以采用彩釉印花玻璃。当仅靠玻璃自身无法达到遮阳要求时，只能另加遮阳板或遮阳3.1.2聚碳酸酯板聚碳酸酯板（即PC板）也称阳光板，质轻，不发脆，上海铁路南站圆形屋面部分已经大面积采用。目前在一般工程中应用还不多，主要是人们担心其耐老化性能比不上玻璃。而且PC板在雨和冰雹冲击下会发生大的声响，被称为钢鼓效应，不便用于对噪声控制较严的工程中。透明聚炭酸酯板的透光率依厚度不同，可为65%~80%，着色板的透光率与颜色和厚度有关，从25%到65%都有，可按需要选择。3.1.3ETFE薄膜和薄板ETFE薄膜为乙烯--四氟乙烯共聚物，透光度可达95%，有较高的抗拉强度，良好的耐久性和不燃性。常用厚度为：薄膜0.05~0.5mm，薄板0.5mm~2mm。国家体育场（鸟巢）采用ETFE薄膜作为透光屋面。国家游泳馆（水立方）则采用厚度为0.25mm和0.20mm的三层蔚蓝色薄膜做成充气气枕，作为墙体和屋面的面料。气枕共约3000个，大小形状各异，最大尺寸为9m，厚2.5m。气枕充气气压为100Pa。3.2金属材料3.2.1铝合金型材铝合金型材主要用于铝框、柃条和梁。其性能应符合现行行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102的相关规定。3.2.2碳素结构钢和低合金结构钢这是支承钢结构的大宗材料，包括热轧型钢、钢管和冷成型薄壁型钢。常用材质为Q235和Q345，要求有良好的可焊性能。表面常采用聚氨酯喷涂和氟碳喷涂。3.2.3不锈钢材不锈钢材主要用于钢管结构和拉杆、连接件、点支承爪件。宜采用奥氏体不锈钢，304、316牌号。拉索通常采用不锈钢绞线，其直径不应小于8mm。

4建筑设计目前，透光屋面的建筑设计分别由设计院的建筑师和承建厂商进行。设计院主要由建筑功能和建筑艺术的要求，对屋面进行选型，确定其形状、支承状态、板块划分、支承结构的类型和布置，进行热工性能设计并选用面板材料。然后厂商根据这些要求进行深化设计，出施工图并付诸实现。除选型和板块划分外，建筑设计通常还包含以下内容：确定建筑性能；排气排烟窗设计；排水；防火；防雷；安全措施；遮阳装置；清洗装置。4.1建筑功能设计4.1.1风压变形在荷载标准值qk作用下，刚性支承屋面的挠度不宜大于跨度的1/250。柔性支承屋面的挠度不宜大于跨度的1/200；索网的挠度不宜大于跨度的1/40。。4.1.2气密性能在有空调、采暖、通风的要求时。屋面的气密性能不应低于3级。并宜通过试验予以验证。4.1.3水密性能在热带风暴和台风袭击地区，水密性设计可按下式取值，固定部分取值不宜小于1000Pa：在其它地区，固定部分不宜低于700Pa。由上述取值P可决定屋面固定部份的水密性等级。开启部份水密性按与固定部份相同等级采用。水密性能宜通过水密试验验证。4.1.4保温隔热性能透光屋面的保温隔热性能要求按《公共建筑节能设计标准》GB50189决定。选定面板材料后，分别进行热工计算。4.1.5光学性能和遮阳设施根据遮阳系数要求和透光条件选用相应的玻璃牌号，决定是否采用遮阳措施4.2排气窗和排烟窗

复盖面积较大的透光屋面，宜设置排气窗、排烟窗。当屋面高度不大于12m，可采用开启扇自然排风、排烟；当屋面高度大于12m时，应采用机械排风、排烟。排气窗、排烟窗的开闭宜采用电动方式。4.3排水设计要根据透光屋面的外形，合理组织排水途径，设置天沟、落水管等排水设施。排水量宜考虑当地50年一遇、20分钟最大降雨量。排水口应有防止堵塞的措施。平屋面要有排水坡度，考虑到玻璃自身有向下的弯曲，屋面总排水坡度不宜小于3%。索网有很大的挠度，平面索网宜倾斜布置以防止中部积水。有可能结露时，透光屋面室内侧应设接水槽并形成冷凝水的排水系统。接水槽也可以结合支承结构的型材截面形式统一考虑，此时应注意各层型材截面接水槽的位置要相配合，应能顺畅排水。4.4防火

屋面支承结构的防火要求要根据室内空间的情况决定。屋面高度较大，室内可燃物也较少的条件下，屋面支承结构可不设防火表面层。一般情况下支承钢结构宜设置表面防火涂层。大型公共建筑（如会展中心等）室内设有防火玻璃隔断时，处于防火隔断两侧的屋面板块应采用防火玻璃及其制品。4.5防雷

如果透光屋面周边与较高的建筑紧邻，周边建筑能提供有效防雷能力，则较低的屋面不必单独进行防雷设计。一般情况下，透光屋面的金属支承结构应相互导通，形成完整的防雷体系，并与主体结构防雷体系连通。必要时，可在屋面最高点设置接闪器。屋面钢结构应与主体结构防雷体系连接，利用主体结构防雷系统接地，构成导电回路。实测透光屋面支承结构的接地电阻不宜大于5Ω。4.6安全措施4.6.1玻璃透光屋面的单片玻璃宜采用夹层玻璃；中空玻璃的室内侧宜采用夹层玻璃。点支承面板的夹层玻璃应由钢化玻璃制作。玻璃肋应采用夹层玻璃；点支承玻璃肋应采用钢化夹层玻璃。4.6.2倒挂隐框玻璃倒挂隐框玻璃应加金属连接件，防止结构胶失效导致玻璃坠落。4.6.3ETFE薄膜

ETFE薄膜，尤其是气枕屋面，外侧应设置防鸟网，防止薄膜被鸟喙啄破。落地球顶、椭球顶，应在周边设置水面或绿化带防止人为的损坏。4.7遮阳措施设在透光屋面外侧（上侧）的遮阳板对遮阳特别有效。也可以在内侧（下侧）设置遮阳帘。遮阳板和遮阳帘宜采用电动操作方式。也可以采用智能化系统进行自动控制。4.8清洗设备人力清洗和机械清洗是目前常用的清洗方法。采用人力清洗方案时，倾斜、弯曲的透光屋面应设置固定绳缆和小吊凳用的固定挂钩或固定轨道。机械清洗可采用回转式清洗机，相应设置环形轨道；也可采用吊篮式清洗机，相应设有清洗机的移动轨道。在我国目前污染较重的大气条件下，采用自洁玻璃的效果，尚需通过实践经验来判断。4.9除冰雪措施位于寒冷和严寒地区的透光屋面，可设置电热式溶雪和除冰设备。新建的中央电视大楼已在屋面和檐口采取了这种设施。5结构设计一般原则5.1荷载和作用5.2荷载和作用效应的组合5.3材料强度设计值5.4面板材料的力学性能5.1荷载和作用

透光屋面的荷载和地震作用，可参照《建筑结构荷载规范》GB50009和《建筑抗震设计规范》GB50011的规定。5.1.1重力荷载作用于屋面的自重、活荷载、雪荷载，可按荷载规范GB50009的相应规定采用。对于有可能积水的屋面，尚应考虑50年一遇、20分钟最大降雨量，扣除排水量后作为屋面的积雨荷载。5.1.2地震作用透光屋面应考虑水平地震作用和竖向地震作用。1.对于面板和直接与面板连接的支承结构，水平地震作用可按相关公式计算，竖向地震作用可按水平地震作用的0.6倍考虑．2.间接支承面板的支承结构，宜与主体结构一起，通过地震反应分析决定其地震作用的数值。作为近似的取值，竖向地震力可取结构支承的全部自重的10%（7度抗震设计）和20%（8度抗震设计）。这个数值约（2-2）式取值的40%，但大于常规屋面结构竖向地震力的取值，已经具有较大的安全储备。5.1.3风荷载作用于屋面的风荷载可按荷载规范GB50009的规定采用。体型系数：荷载规范GB50009中的规定的，可按规定采用；规范中没有给出的，可根据风洞试验结果或类似工程经验取值；风的动力作用系数：风的动力作用系数反映了风力随时间变动而产生的动力作用。对于面板和直接连结面板的支承结构，取阵风系数，可按荷载规范GB50009的规定取值；对于间接支承面板的支承结构，取风振系数，宜通过动力分析确定。作为工程设计，在缺乏动力分析数据时，对于刚性支承结构可取1.2~1.6；对于柔性支承结构可取1.5~2.0。5.1.4温度作用对于面板，由于板缝和安装空隙可以允许其温度变形，因此一般不进行温度应力计算。支承钢结构宜进行温度作用的计算。温度变化值可近支承结构可能的年间温度变化值决定，一般可考虑±30℃。拉杆和拉索、索网等预张拉结构，应对张拉时温度与年间最高、最低温度的温差进行核算，此温差可按实际情况取值。5.3材料强度设计值屋面设计时，结构的总安全系数K由荷载及作用的分项系数K1和材料系数K­­2来表示：K=K1K2 （5）透光屋面的风荷载、施工荷载或雪荷载起控制作用，K1为1.4。所以材料系数K2可由K/1.4决定，K­2的数值可按下表采用：材料玻璃铝合金结构钢不锈钢拉杆拉索总安全系数K2.51.81.51.62.02.52材料系数K21.7831.2861.071.151.401.80材料强度设计值f应按下式采用：f=fk/K2（6）式中fk----材料强度标准值。金属材料强度标准值一般按其屈服强度标准值采用，但拉索以其抗拉强度标准值作为材料强度标准值fk。材料强度设计值可按现行行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102的规定采用6玻璃面板设计6.1玻璃面板的构造要求6.2玻璃面板的计算6.3硅酮结构密封胶设计6.1玻璃面板的构造要求6.1.1面板厚度1框支承面板框支承面板单片玻璃厚度不应小于6mm；中空玻璃和夹层玻璃中单片玻璃厚度不应小于5mm，且两片玻璃的厚度相差不宜大于3mm。2点支承面板四边形面板一般可采用四点支承，有依据时也可以六点支承；三角形面板可采用三点支承。玻璃面板支承孔边与板边缘的距离不宜小于70mm。采用浮头式连接件或夹片连接件的点支承玻璃厚度不应小于6mm；采用沉头式连接件的点支承玻璃厚度不应小于8mm。夹层玻璃和中空玻璃中，安装连接件的单片玻璃厚度也应符合上述要求。6.1.2边缘处理玻璃面板应进行机械倒角和磨边，磨边应达到细磨等级，倒角不宜小于1.0mm。框支承面板的玻璃边缘崩边、崩角不应大于5mm；点支承玻璃不应有崩边、崩角。6.1.3密封玻璃面板之间的板缝宽度不应小于10mm。有气密性、水密性要求时，板缝应采用硅酮建筑密封胶嵌缝。用于镀膜面和夹层玻璃的建筑密封胶应为中性胶。采用爪件支承装置时，点支承玻璃支承孔周边应进行可靠密封。中空玻璃的爪件支承孔周边应采取多道密封措施。明框板缝应设置等压腔，并设置有效的排水通道。6.1.4点支承玻璃的支承装置支承装置可以采用穿孔支承的X形、H型和环型抓具，也可以采用非穿孔式支承的钢夹板。支承头应能适应玻璃面板在支承点处的转动变形。支承头的钢材与玻璃之间应设置弹性衬垫，衬垫厚度不宜小于1mm。夹层玻璃的支承头可以只在内层玻璃处支承，这能有效地防止支承处的气渗和水渗。6.1.5曲面上的玻璃面板用平面玻璃面板形成曲面屋面是困难的，尤其是四边形面板，三点定位后第四点会悬空。因此，面板与支承结构的连接点应能在玻璃平面外具有调节能力，减少强行装配产生的装配应力，防止玻璃破碎。6.2玻璃面板的计算6.2.1计算基本原则玻璃面板在工作状态下挠度远大于板厚，计算时应考虑大挠度几何非线性的影响。玻璃面板的应力可采用考虑几何非线性的受弯板有限元方法进行计算。在实际工程设计中，也可以采用小挠度弹性薄板计算公式，考虑大挠度影响修正的实用计算方法进行计算。玻璃的框支承边作为简支边考虑；点支承处法向位移受约束，其它位移和转角约束视实际支承情况决定。6.2.2单片玻璃的受弯计算1.承载力计算2.挠度计算6.2.3夹层玻璃和中空玻璃的计算1.荷载或作用在两片玻璃上的分配2.等效厚度3.应力和挠度计算由夹层玻璃组成的中空玻璃，首先按计算夹层玻璃的等效厚度te，将夹层玻璃视为等效的单片玻璃，式进行内外片荷载分配，然后将分得的内外片荷载、再分配到各单片玻璃上。7支承结构设计7.1玻璃梁设计7.2钢支承结构的构造要求7.3支承结构计算7.1玻璃梁设计

7.1.1构造要求玻璃梁（肋）作为玻璃面板的主要支承时，应采用夹层玻璃；点支承面板的支承玻璃梁，应采用钢化夹层玻璃。夹层玻璃梁的单片厚度不宜小于8mm。玻璃梁截面高度不宜小于150mm。两端支承的玻璃梁宜采用简支。7.1.2截面设计两端支承的玻璃梁可按简支梁计算其应力和挠度；外挑玻璃梁可按悬臂梁考虑。在各种荷载和作用下，梁的应力标准值应进行组合，组合后的应力设计不应大于玻璃的侧面强度设计值fg。挠度组合后的数值df不应大于跨度的1/200；悬臂梁的跨度可取为外挑长度的2倍。7.1.3梁的横向稳定当梁跨大于6m时应进行平面外稳定计算，并宜采用附加横向玻璃肋或横向拉杆、拉索等防止侧向失稳的构造措施。7.2钢支承结构的构造要求7.2.1单根型钢或钢管1.构件的长细比不应大于150；2.铝型材截面主要受力部位的厚度不应小于：当梁跨度大于1.2m时：2.0mm；当梁跨度大于1.2m时：2.5mm；铝型材孔壁与钢螺钉之间采用螺纹受拉连接时，其截面局部厚度不应小于螺钉的公称直径。3.热轧钢型材截面主要受力部位的厚度不应小于2.5mm；冷成型薄壁型钢截面最小厚度不应小于2.0mm。4.钢管外直径不宜大于壁厚的50倍，钢管壁厚不宜小于

3mm。5.型材截面自由挑出部位和双侧加肋部位的宽厚比b0/t应符合表6的要求7.2.2桁架、网架或网壳可采用型钢或钢管作为杆件，单根杆件应符合7.2.1节的构造要求。钢管桁架宜在节点处直接相贯焊接，支管不应穿入主管，主管不宜开孔。网架或网壳可采用焊接球节点、螺栓球节点、圆盘节点或专用节点板连接。杆件宜中心交汇，杆件之间的交角不宜小于30度。轴心受拉或偏心受拉杆件的长细比不宜大于350；轴心受压或偏心受压杆件的长细比不应大于150。桁架单向布置时，如果平面外支承点相距较远，应设置正交方向上的稳定支撑结构。7.2.3张拉杆索体系应在正反两方向上形成能承受自重、风荷载、地震作用的稳定的结构体系；在主要受力方向的正交方向，必要时应设置稳定性拉杆、拉索或桁架。连接件、受压杆和拉杆宜采用不锈钢材料，拉杆直径不宜小于10mm；自平衡体系的受压杆件可采用结构钢。拉索宜采用不锈钢绞线、高强钢绞线，可采用铝包钢绞线。钢绞线的钢丝直径不宜小于1.2mm，钢绞线直径不宜小于8mm。采用结构钢和高强钢绞线时，其表面应作防腐涂层。与主体结构的连接部位应能适应主体结构的位移，必要时设置弹簧机构和滑动机构。主体结构和连接件应能承受拉杆或拉索的预拉力和荷载作用。受压杆件的长细比不应大于150。拉杆不宜焊接；拉索可采用冷挤压锚具连接，拉索不应采用焊接。张拉杆索体系的预拉力最小值，应能使拉杆或拉索在荷载和温度变化下，保持一定的拉力储备。7.2.4索网1.一般情况下宜双向布索。跨度不大于15m时，可以采用单向布索。2.索距不宜大于2m，单片玻璃面积不宜大于3m2。3.拉索宜采可不锈钢绞线，可采用高强钢绞线或铝包钢绞线。高强钢绞线表面应有防腐层。拉索直径不宜小于12mm。4.拉索端部应采用冷挤压锚具固定后，与边缘构件相连接。边缘构件应能承受拉索的初拉力和荷载、温度变化的拉力。锚具应能调节索的预拉力。5.拉索的初拉力应能满足拉索承载能力的要求。在荷载和温度变化作用下，仍能保持最小的拉力，拉索不会松弛。6.拉索应与点支承爪具或夹板可靠连结，并尽可能贴近面板。8连接设计8.1透光面板与支承结构的连接8.2支承结构之间的连接8.3支承结构与主体结构的连接8.4预埋件8.5后加连接件8.6与主体钢结构的连接8.1透光面板与支承结构的连接8.1.1玻璃面板和玻璃梁的连接点支承面板通过爪具或夹板与玻璃梁采用螺栓连接，宜采用直径不小于8mm的不锈钢螺栓；连接板应采用不锈钢板，厚度不宜小于6mm。连接板与玻璃梁之间的接触面可以打粘结胶。板缝间宜采用中性硅酮建筑密封胶填缝。边支承面板通过结构胶与玻璃梁连接，胶缝受剪面的宽度CS应计算。用于夹层玻璃梁的硅酮结构密封胶应为中性胶。8.1.2面板和金属支承结构的连接点支承透光面板的支承装置（爪件或夹板）可以采用螺栓或焊缝与支承结构连接。螺栓应有防滑脱措施。框支承透光面板通过耳板、压板或挂钩与支承结构采用螺钉或螺栓连接。连接件的距离、螺栓螺钉的直径和数量由计算决定。螺栓孔、螺钉孔边至连接件边缘的距离不应小于孔径的1.5倍。孔中心间距不应小于孔径的3倍。网架、网壳可以采用节点圆盘或从节点球上伸出连接圆盘与面板螺栓连接。8.2支承结构之间的连接次要支承结构（横梁、柃条）宜采用螺栓与主要支承结构连接，连接件厚度不宜小于3mm，每处连接螺栓不宜少于2个，直径不宜小于6mm。必要时宜采用长圆孔以适应主要支承结构的位移。8.3支承结构与主体结构的连接

支承结构支承点的类型（固定支座、铰支座、滑移支座等）应与计算假定一致，而且能适应主体结构的位移。在两座独立的主体建筑之间架设透光屋面时，应根据罕遇