浅谈维护结构的支撑体系——记深圳市大运会游泳馆屋面幕墙钢结构设计

　　1.工程概况
　　深圳大运中心项目Ⅲ标段(游泳馆)外围护结构工程位于深圳市龙岗区体育新城深圳世界大学生运动会体育中心。东侧为80m宽的黄阁路,南侧为80m宽龙翔大道,西侧隔70m宽龙兴路与铜鼓岭相对,北侧为如意路。该项目由深圳市建筑工务署投资建设。工程总投资约为6.7亿元,总建筑面积42958.48平方米。室内设固定座席数1312席,活动座席数1706 席,共计3018席。设室内标准比赛池50×25×2(m),室内训练池51×25×2(m)及室外戏水池各1个。层数为地下一层地上二层(局部三层),钢筋砼框架+钢结构。建筑物高23.5米,主钢结构的跨度为92.4米。是2011年世界大学生运动会主要比赛场馆之一。

　　该游泳馆造型独特,个性鲜明,结构总体造型为矩形,侧面及屋顶幕墙形成折面三角形空间网格,且关于X轴和Y轴对称。在各大三角形幕墙板块边缘衔接处均采用金属装饰板进行收口密封。整个结构构成钻石状的水晶造型。尤其在夜间,透明的外饰面如同巨型的发光体,烘托出浓烈的节日气氛。该建筑独具匠心的造型彰显了深圳这座新兴国际大都市的鲜明个性和独特魅力,同时也标志着该地区又一个地标性建筑的诞生。游泳馆建筑整体鸟瞰图见图1.1所示：

　　2 屋面幕墙简介
　　游泳馆整个屋面系统由9g个大三角形板块单元组成,每个大三角形板块各边均分9等分形成” 个小三角形单元。屋面幕墙结构体系主要由面板、铝合金型材转接件、钢结构檩条、钢结构支撑连接件组成。幕墙面板采用了两种规格的玻璃:一种是透明的三角6TP+12A+6TP+1.14PVB+6TP三钢化夹胶中空LOW-E玻璃;一种是浅绿色的8+0.76PVB+XIR+0.76PVB+8mm钢化夹胶LOW-E玻璃。结构支撑体系钢檩条采用两种型材:中间主次檩条采用H型钢构件,边檩采用方钢管构件。

　　使用阶段:幕墙主要承受自重、风荷载、活荷载、温度及地震作用,所有自重及外荷由玻璃面板通过结构密封胶及承重托条传至铝型材副框,再通过铝型材转接件及焊接钢底座传至钢檩条,最后通过周边的树枝形悬挑钢支座连接件及中间的可调双向铰接撑杆传至主体钢结构上。

　　各施工安装阶段:幕墙主要承受自重、施工检修等荷载作用,所有外荷及作用由前期安装的构件及临时性支撑承受。

　　3 屋面幕墙钢结构支撑体系设计重点、难点分析
　　3.1 考虑温度应力释放的重要性:
　　维护结构的支撑体系,其特点就在于能承受并传递面板及支撑体系自身的重力和风、雨、地震、温度以及施工荷载等作用。由于维护结构处于整个建筑结构的外表面,外界气候对其影响尤为严重,温度作用不可忽视,通常在设计中取年温差为ΔT=80℃ 。

　　维护结构通常采用铝合金型材、钢结构构件作支撑体系。常用的铝合金型材所选用的材料为6063—T5、6063—T6;常用的钢结构构件所选用的材料为Q235。

　　由此可见,温度作用对于维护结构支撑体系本身是具有破坏性的。因此在设计维护结构的支撑体系时,需要通过构造措施将温度应力释放掉。

　　3.2 考虑三维调节功能设计的重要性∶
　　深圳大运中心项目Ⅲ标段(游泳馆)夕卜围护结构工程的屋面幕墙,是由98个不同大小、不同角度的大三角形板块单元组成的空间折面三角形网格系统。游泳馆的主体结构为单层平面网格空间钢结构桁架体系,最大跨度为92.4米,主体钢结构在自身重力作用下变形很大。由于大三角形板块单元角度多,板块规格多样,主体钢结构变形大且复杂,在进行实际工程安装时,各支撑构件的大小和安装位置与理论设计尺寸相差甚远。因此在设计中考虑三维调节功能非常必要。

　　3.3 钢结构支撑体系设计的难点:
　　在设计幕墙的横梁和立柱时,通常采取的办法是:在横梁两端与立柱相连的地方,留出缝隙并垫上柔性垫片。横梁在长度方向可伸缩,温度应力得以释放,其它荷载和作用通过螺栓、螺钉和角码传与立柱。立柱通过螺栓与主体结构连接,在其最上端开圆孔,下部其它位置开长圆孔,自重和部分平面外的荷载通过最上端螺栓、节点板传与主体结构,下部的连接螺栓和节点板只能传递平面外的荷载,使立柱在长度方向可自由伸缩。

　　由于该项目屋面幕墙钢结构支撑体系与主体钢结构空间异面。按照常规幕墙的设计方法将钢结构檩条按幕墙横梁、立柱来设计,便会造成结构本身不稳定,无法实现支撑体系承受和传递荷载的功能。

　　角度多,板块规格多样,既要通过构造措施将温度应力释放掉,又必须保证支撑体系能将维护结构所受的自重和外荷载传与主体结构,同时还要保证构件连接具有三维调节的功能。这给幕墙结构支撑体系的设计带来了不小的困难。经过长时间与设计院沟通,并努力探索和分析,完成了该项目钢结构支撑体系的设计。目前,屋面幕墙钢结构支撑体系已完工,现场效果良好。

　　4 屋面幕墙钢结构支撑体系连接节点设计
　　由于本系统造型独特、构造复杂、施工难度大,我司在本次设计中,对幕墙面板与幕墙龙骨之间的连接、幕墙龙骨与主体钢结构的连接均采用了具有三维调节功能的节点构造设计,确保施工安装的质量。其中,钢结构支撑体系连接节点设计可分为三个部分:边檩与主体钢结构的连接设计;主次檩与主体钢结构的连接设计;檩条之间的连接设计。屋面幕墙典型大三角板块单元钢结构支撑体系与主体钢结构连接三维示意图如图4.1所示:

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