1.工程概況
蕪湖文化藝術(shù)中心位于蕪湖市黃山西路，緊鄰長江沿岸，由文化中心、藝術(shù)中心兩個單體建筑以及配套商業(yè)設(shè)施構(gòu)成，文化中心建筑標(biāo)高31.6米，藝術(shù)中心建筑標(biāo)高21.5米。文化中心造型如同一枚開啟的貝殼，飽滿而豐盈，而位于其北面的藝術(shù)中心則取形于一枚完整貝殼，體型豐盈剔透、順勢而臥，以貝殼孕育珍珠來寓意蕪湖城市依江發(fā)展的勃勃生機和璀璨前景，為蕪湖市標(biāo)志性建筑。
蕪湖文化藝術(shù)中心工程二層及以下為一個結(jié)構(gòu)整體、二層以上為文化中心、藝術(shù)中心二個獨立的結(jié)構(gòu)單元，設(shè)一層地下室。文化中心、藝術(shù)中心地上四層，采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋面采用支撐于鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)上的異型空間鋼結(jié)構(gòu)。
首層商業(yè)采用框架結(jié)構(gòu)鋁合金中空玻璃幕墻(局部采用點式玻璃幕墻);二層以上采用鋼鋁（詞條“鋁”由行業(yè)大百科提供）組合結(jié)構(gòu)曲面玻璃采光天窗（詞條“天窗”由行業(yè)大百科提供）及弧形鋁合金遮陽百葉;屋面系統(tǒng)采用雙層金屬屋面，外層屋面為15mm厚氟碳噴涂鋁合金蜂窩板，內(nèi)層屋面除采用0.9mm厚原色錘紋鋁合金板直立鎖邊系統(tǒng)。
蕪湖文化中心和藝術(shù)中心外形為被垂直曲面切割（詞條“切割”由行業(yè)大百科提供）的球面體，設(shè)計與施工難度很大，必須結(jié)合工程實際情況，采取適應(yīng)本工程的異形幕墻和金屬屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工工藝才能控制好建筑造型，實現(xiàn)建筑效果。
2. 蕪湖文化中心異型金屬屋面的設(shè)計
2.1蕪湖文化中心金屬屋面系統(tǒng)的構(gòu)造設(shè)計
蕪湖文化中心金屬屋面系統(tǒng)構(gòu)造層典型節(jié)點（詞條“節(jié)點”由行業(yè)大百科提供）如圖2.1.1-2.1.2所示。
2.2文化中心屋面主體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計
文化中心屋面主體鋼結(jié)構(gòu)采用支撐于鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)上的異型空間鋼結(jié)構(gòu)，其外形非常復(fù)雜。本工程采用BIM技術(shù)指導(dǎo)異型空間鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計、測量放線、構(gòu)件加工及現(xiàn)場安裝全過程。利用專用軟件進(jìn)行三維建模，確定異型空間鋼結(jié)構(gòu)各定位點和鋼構(gòu)件尺寸，對鋼構(gòu)件進(jìn)行編碼，再按編碼部件虛擬裝配出異型空間鋼結(jié)構(gòu)整體模型，實現(xiàn)虛擬裝配和施工模擬，并依此對異型空間鋼結(jié)構(gòu)安裝施工作業(yè)流程予以優(yōu)化。結(jié)合BIM技術(shù)制定異型空間鋼結(jié)構(gòu)的測量、定位放線和安裝控制專項方案，利用全站儀、激光經(jīng)緯儀、光學(xué)水準(zhǔn)儀等先進(jìn)的測量工具，實行異型空間鋼結(jié)構(gòu)工程全程測控和安裝偏差控制。利用鋼結(jié)構(gòu)建筑信息子模型將異型空間鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件模型尺寸轉(zhuǎn)換為加工尺寸數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸入加工設(shè)備進(jìn)行構(gòu)件加工，然后在工廠按照鋼結(jié)構(gòu)建筑信息子模型指導(dǎo)模擬現(xiàn)場實際進(jìn)行構(gòu)件預(yù)拼裝，復(fù)核無誤后再運到現(xiàn)場安裝。(文化中心異型空間鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架如圖2.2.1-2.2.6所示)。
2.3文化中心內(nèi)層屋面檁條與主體鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的連接設(shè)計
根據(jù)內(nèi)層屋面檁條與網(wǎng)殼連接設(shè)計需求，網(wǎng)架上弦每個連接球頂部及網(wǎng)架周邊連接球底部均設(shè)置檁托支座。鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架支托(檁托)的安裝精度是確保屋面整體外形尺寸的關(guān)鍵，網(wǎng)架支托采用Q235B鋼材機械加工制作，在主體鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架安裝完成后，利用全站儀對每個網(wǎng)架支托點進(jìn)行空間位置測量，并利用測得的空間三維數(shù)據(jù)重新建立三維模型，并與原設(shè)計三維模型對照，確定每個網(wǎng)架支托安裝的長度尺寸(如圖2.3.1所示)。通過調(diào)節(jié)網(wǎng)架支托旋入網(wǎng)架球體的尺寸，可以吸收由于主體鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架產(chǎn)生的部分偏差。
內(nèi)層屋面的主龍骨(主檁條)采用140x80x5矩形鋼管，縱向布置@2800，安裝在網(wǎng)架支托上。內(nèi)層屋面的次檁托采用60x60x3方鋼管，次龍骨(主檁條)采用120x60x3矩形鋼管，橫向布置@1210，為確保內(nèi)層屋面安裝后的外形尺寸，在安裝次龍骨時必須將結(jié)構(gòu)偏差調(diào)節(jié)到設(shè)計允許偏差范圍內(nèi)(如圖2.3.2所示)。
內(nèi)層屋面的底層防水鍍鋅鋼板采用0.8㎜厚YX-820型鍍鋅壓型鋼板，可解決屋面伸縮變形的問題，又為安裝人員提供了安全可靠的踏板，應(yīng)避免施工時損壞底層鋼板(如圖2.3.3-2.3.4所示)。
2.4文化中心屋面防潮、防結(jié)露（詞條“結(jié)露”由行業(yè)大百科提供）、節(jié)能及隔聲功能的設(shè)計
2.4.1防潮、防結(jié)露設(shè)計：本工程在內(nèi)層屋面次龍骨上鋪設(shè)一道30x30x0.8鍍鋅鋼絲網(wǎng)，在鋼絲網(wǎng)上鋪設(shè)一層PE防水透汽膜，然后再鋪設(shè)150㎜厚單面鋁箔玻璃棉， (如圖2.4.1所示)。
PE防水透氣膜由三層構(gòu)成(PP紡粘無紡布+PE高分子透氣膜+PP紡粘無紡布)，紡粘無紡布的作用主要是增強拉力和靜水壓及保護(hù)中間層(PE高分子透氣膜)。【PE防水透氣膜原理】在水汽的狀態(tài)下，水顆粒非常細(xì)小，根據(jù)毛細(xì)運動的原理，可以順利滲透到毛細(xì)管到另一側(cè)，從而發(fā)生透汽現(xiàn)象。當(dāng)水汽冷凝變成水珠后，顆粒變大，由于水珠表面張力的作用(水分子之間互相“拉扯抗衡”)，水分子就不能順利脫離水珠滲透到另一側(cè)，也就是防止了水的滲透發(fā)生，使透汽膜有了防水的功能。
PE防水透氣膜的施工鋪設(shè)應(yīng)沿著屋面的順?biāo)较颍?a target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>搭接長度為10cm，內(nèi)層屋面的鋁合金T型支座穿過防水透氣膜時，在鋁合金T型支座與防水透氣膜交接處，用丁基膠帶環(huán)繞一圈進(jìn)行密封。此外，防水透氣膜不宜長期暴露在紫外線下，應(yīng)盡快施工完成。
在冬季蕪湖地區(qū)金屬屋面的室內(nèi)外溫差較大，在內(nèi)層屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意冷橋的處理，支撐內(nèi)層金屬屋面板的鋁合金T型支座采用隔熱墊;在玻璃棉底部鋪設(shè)一層PE防水透汽膜，室內(nèi)的水汽可以有效通過防水透氣膜排出室外，又可防止冷凝水通過PE防水透汽膜滲透到室內(nèi);外層的金屬屋面采用開放式結(jié)構(gòu)，可將內(nèi)層與外層屋面間的水汽排出室外，避免金屬屋面發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。
2.4.2節(jié)能設(shè)計：本工程保溫層（詞條“保溫層”由行業(yè)大百科提供）采用150㎜厚歐文斯科寧超細(xì)玻璃棉(A級防火、單面鋁箔，容重為20㎏/㎡，導(dǎo)熱系數(shù)為0.038W/m.k，憎水率>98% )，金屬屋面的熱工性能滿足建筑節(jié)能設(shè)計要求。
玻璃棉是由高速離心設(shè)備將高溫熔融玻璃制成無機纖維，再添加入防塵油和特制粘接劑，通過專用設(shè)備制作成棉絮狀細(xì)纖維，纖維和纖維之間為立體交叉，互相纏繞在一起，呈現(xiàn)出許多細(xì)小的間隙，最后固化定型。玻璃棉除具有成型好、體積密度小、導(dǎo)熱系數(shù)彽、保溫絕熱的特點，還具有如下特點：
抗潮濕性能：經(jīng)測試，玻璃棉的憎水率>98% ，玻璃棉浸濕經(jīng)干燥后其保溫性能可完全恢復(fù)。
防火性能：根據(jù)中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB50016，經(jīng)檢測,歐文斯科寧超細(xì)玻璃棉不燃性(A級)合格。
耐腐蝕性能：玻璃棉是一種無機纖維，化學(xué)性能穩(wěn)定、不會與鋼材間發(fā)生電化學(xué)腐蝕（詞條“化學(xué)腐蝕”由行業(yè)大百科提供）。
隔聲性能：玻璃棉可視為多孔材料，隔聲吸音性能良好。
環(huán)保性能：玻璃棉的纖維平均直徑為 4.0-6.0μm，不含渣球，對人體皮膚的刺激性較小。
2.4.3隔聲吸音設(shè)計：文化中心金屬屋面的空氣層隔聲性能，主要是通過雙層金屬屋面板(內(nèi)設(shè)空氣層，0.8mm厚底層壓型鋼板、150㎜厚玻璃棉、內(nèi)層屋面0.9mm厚原色錘紋鋁合金板和外層屋面15mm厚鋁合金蜂窩板等隔聲層)實現(xiàn)的，鋁合金蜂窩板和玻璃棉都是很好的隔聲吸音材料。經(jīng)測試本工程金屬屋面的隔聲吸音性能達(dá)到了設(shè)計要求，而且在風(fēng)雨天氣，當(dāng)雨水敲擊金屬屋面時不會對室內(nèi)產(chǎn)生雨噪聲影響。
本工程文化藝術(shù)中心劇場主要用于歌劇、戲劇等演出，也可用于各種音樂演出、大型會議等，需要滿足多用途使用要求。為加強劇場觀眾廳與主舞臺上空的金屬屋面的隔聲吸音效果，在內(nèi)層屋面底層壓型鋼板與保溫玻璃棉之間加設(shè)了一層12㎜厚石膏板（詞條“石膏板”由行業(yè)大百科提供）。通過聲學(xué)分析及計算機模擬，劇場總體具備良好的聲學(xué)條件，有較高的語言清晰度，聲場分布均勻。從測試結(jié)果看，劇場混響時間與設(shè)計值相一致，清晰度指數(shù)較高。
2.5內(nèi)層屋面板的設(shè)計
內(nèi)層屋面系統(tǒng)的最重要也是最基本的功能是防水，本工程底層硬質(zhì)防水鍍鋅鋼板采用0.8㎜厚YX-820型鍍鋅壓型鋼板，內(nèi)層屋面板采用(0.9mm厚原色錘紋鋁合金板)直立鎖邊結(jié)構(gòu)(如圖2.5所示)，通過雙層防水方案來確保內(nèi)層屋面系統(tǒng)的防水功能。
2.5.1內(nèi)層屋面板采用強度（詞條“強度”由行業(yè)大百科提供）高且防腐蝕性能好的0.9mm厚原色錘紋鋁鎂錳合金板(合金狀態(tài)為H44，合金成分為AA3004，抗拉強度≥180MPa，屈服強度≥150MPa，金屬延伸率（詞條“延伸率”由行業(yè)大百科提供）≥4%)。
本工程金屬屋面為雙向彎曲，跨度大，鋁鎂錳合金板的彈性模量小，適用于雙向彎曲屋面。直立鎖邊屋面板的板肋直立(板肋高度65mm)，使得其有效排水截面大于普通板型，更能確保屋面坡度平緩情況的防水功能，在板中間沿縱向間距100mm布置的小圓弧型加強筋，使得直立鎖邊屋面板具有較強的強度及剛度。
內(nèi)層直立鎖邊屋面板采用縱向通長無搭接(文化中心屋面板最大長度78米)、橫向(即板寬方向)360°咬合式搭接。本工程將大型可移動加工中心（詞條“加工中心”由行業(yè)大百科提供）(由數(shù)控壓板機和彎弧機組成)運抵施工現(xiàn)場，在施工現(xiàn)場完成這種超長的直立鎖邊鋁屋面板的制作加工。針對這種超長的直立鎖邊鋁鎂錳合金板，制定專門的吊裝方案，制作專用的鋼結(jié)構(gòu)吊裝桁架，將加工完成的直立鎖邊鋁鎂錳合金板捆綁在鋼結(jié)構(gòu)吊裝桁架的底部，通過現(xiàn)場塔吊將其吊裝到屋面的安裝位置。(如圖2.5.1.1所示)。
內(nèi)層直立鎖邊屋面板的安裝固定（詞條“固定”由行業(yè)大百科提供），首先將鋁合金T型支座用高強度不銹鋼螺釘固定在次龍骨上，再將內(nèi)層屋面鋁板扣在T型支座梅花頭上，最后通過電動鎖邊縫合專用設(shè)備將公邊與母邊緊密搭接咬合在一起并緊緊扣住T型支座梅花頭。屋面板采用直立鎖邊固定方式，從構(gòu)造上杜絕了傳統(tǒng)采用螺釘穿透固定方法產(chǎn)生的滲漏水隱患。(如圖2.5.1.2-2.5.1.3所示)。
內(nèi)層直立鎖邊屋面板還具有防毛細(xì)水的構(gòu)造功能。板肋公邊頂部的一道斷水凹槽在咬合后形成的空腔擴大了板肋的縫隙，能夠防止毛細(xì)現(xiàn)象的產(chǎn)生，可避免雨水因毛細(xì)作用進(jìn)入內(nèi)層屋面，內(nèi)層直立鎖邊屋面板構(gòu)造具有良好的防水功能。
內(nèi)層直立鎖邊屋面板的折邊和板肋空隙可以吸收由于屋面主體鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的不均勻沉降和內(nèi)層金屬屋面因熱漲冷縮產(chǎn)生的橫向變形，橫向每塊400mm寬的屋面鋁板可調(diào)節(jié)5mm，整體屋面完全可以吸收屋面結(jié)構(gòu)垂直方向和橫向位移變形。直立鎖邊屋面板是通過咬合固定在T型支座梅花頭上，內(nèi)層屋面板沿縱向可以沿支座自由滑動，使得在縱向內(nèi)層屋面板有足夠的撓度吸收由于屋面主體鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的沉降和因熱漲冷縮產(chǎn)生的豎向變形。
2.5.2 T型支座采用183#高強度鋁合金支座(帶隔熱墊)，為防止內(nèi)層屋面板在T型支座上滑動時被支座劃傷，將T型支座梅花頭的上端設(shè)計成圓弧形，T型支座的間距以及連接不銹鋼螺釘?shù)臄?shù)目需根據(jù)結(jié)構(gòu)計算確定。
T型支座底部設(shè)計有絕緣隔熱墊片，采用具有足夠強度及抗老化性能的聚酰氨材料制作，既可以防止鋁合金支座與鋼檁條間產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，又可以有效降低內(nèi)層金屬屋面的噪聲和熱傳導(dǎo)。
在T型支座的隔熱墊底部粘附一定厚度的丁基膠帶，對T型支座螺釘孔有很好的防水密封作用。
2.6外層屋面板的設(shè)計
本工程外層屋面飾面板采用15mm厚氟碳噴涂鋁合金蜂窩板(外層屋面板布置如圖2.6所示)，整個外層屋面由扇形板和異形板組合成一枚開啟的貝殼造型，屋脊中心環(huán)由8塊半徑R1400mm的弧面扇形板組成，其余每圈環(huán)等距增加2800mm，屋面檐口周圈設(shè)置有排水天溝。
2.6.1外層屋面的轉(zhuǎn)接鋼龍骨采用60x40x4矩形鋼管@1230，通過鋁合金專用卡子和連接鋼件安裝固定在內(nèi)層屋面板的直立板肋上(與T型支座位置對應(yīng))，外層環(huán)形鋼龍骨采用60x40x4矩形鋼管彎制，通過連接鋼件安裝固定在轉(zhuǎn)接鋼龍骨上，連接鋼件設(shè)計成三維空間可調(diào)節(jié)方式，通過調(diào)節(jié)保證整個外層屋面的曲面平滑過渡和流暢(如圖2.6.1所示)。
2.6.2外層屋面的板縫采用開放式構(gòu)造，可降低屋面清洗維護(hù)的成本，不存在硅酮密封膠老化污染問題，有利于屋面的長期清潔。屋面采用內(nèi)外兼顧的排水方式，降雨時，大量的雨水沿著屋面坡度順排到底部屋檐排水溝，由板縫間隙進(jìn)入到內(nèi)層屋面的少量雨水，則沿內(nèi)層直立鎖邊屋面板順排到底部屋檐排水溝，不會在內(nèi)、外層屋面產(chǎn)生積水。雨過天晴，在陽光照射下金屬屋面的表面溫度會迅速上升，開放式板縫構(gòu)造有利于內(nèi)、外層屋面間的空氣與外部流動交換，既可將內(nèi)層的濕熱空氣迅速排出，又可有效地降低屋面板的表面溫度，起到一定的節(jié)能環(huán)保作用。(如圖2.6.2所示)。
2.6.3屋面排水天溝采用(316級)2mm厚不銹鋼板制作，采用虹吸排水系統(tǒng)有組織排水，排水天溝還設(shè)置有溢流口，可防止遭受特大暴雨時屋面不會發(fā)生倒灌積水現(xiàn)象。虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)和溢流口的的總排水能力，按不小于設(shè)計重現(xiàn)期為50年、降雨歷時5min的設(shè)計雨水流量。根據(jù)屋面匯水面積的設(shè)計排水流量計算確定不銹鋼排水天溝的過水截面尺寸為450mm寬X280mm高，不銹鋼排水天溝設(shè)置多組獨立分區(qū)的排水系統(tǒng)，每隔18米設(shè)置一道50mm寬伸縮縫，以吸收因溫度變化和結(jié)構(gòu)沉降等產(chǎn)生的位移。每個獨立分區(qū)的排水系統(tǒng)設(shè)置兩個虹吸式雨水斗，雨水斗設(shè)置在天溝的最低點。在不銹鋼排水天溝的兩側(cè)和底部填充50mm厚保溫玻璃棉，在不銹鋼排水天溝槽內(nèi)側(cè)涂防水油膏并滿鋪防水卷材，以降低排水天溝雨水噪聲。屋面雨水排水系統(tǒng)形成虹吸時因排水管道中水流流速較大，會發(fā)生振動，產(chǎn)生噪音，排水系統(tǒng)采取加密固定點的防振、防噪措施。每年定期進(jìn)行系統(tǒng)的檢查和維護(hù)，及時清除金屬屋面、排水天溝、溢流口、雨水斗和管道中的樹葉、污泥等雜質(zhì)，確保虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)在暴雨來臨時能正常發(fā)揮功能。(如圖2.6.3.1-2.6.3.3所示)。 18
2.6.4金屬屋面系統(tǒng)的防雷設(shè)計：蕪湖文化藝術(shù)中心屬于特別重要的建筑物，幕墻按第二類防雷建筑物設(shè)計。根據(jù)國家《建筑防雷設(shè)計規(guī)范》(GB50057)4.1.4條的相關(guān)規(guī)定，金屬板下無易燃物，板厚≥0.5 mm時，屋面板可作為接閃器(除第一類防雷建筑物)，本工程外層屋面板采用15mm厚氟碳噴涂鋁合金蜂窩板，鋁合金蜂窩板的正面和背面鋁合金板的厚度均為1mm厚，鋁合金蜂窩板屋面可直接作為接閃器，因此只需在必要位置與屋面主體鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的防雷體系可靠連接，并確保導(dǎo)電暢通。
具體防雷做法是將每個單元鋁副框一個角下面一段彈性墊更換成鋁合金墊片，構(gòu)成有效的防雷引下導(dǎo)通點，將接觸表面的鋁板或鋁型材去除氧化膜保護(hù)層，直立鎖邊鋁合金專用卡子與卡子轉(zhuǎn)接鋼件通過防雷組件(接線端子、銅編織帶)連接構(gòu)成有效的防雷引下導(dǎo)通點，內(nèi)層屋面的防雷做法是采用防雷組件(接線端子、銅編織帶)(上側(cè)與鋁合金T型支座連接，下側(cè)與次鋼龍骨連接 )，構(gòu)成有效的防雷引下導(dǎo)通點，形成外層金屬屋面板→外層屋面鋼骨架→內(nèi)層金屬屋面板→鋁合金T型支座→鋼檁條→屋面主體鋼結(jié)構(gòu)的可靠導(dǎo)通電路，屋面每個防雷引下導(dǎo)通點的間距不大于8m(防雷做法如圖2.6.4.1-2.6.4.2所示)。
2.6.5金屬屋面系統(tǒng)上人鋼梯和防墜落系鎦環(huán)設(shè)計：為便于金屬屋面的維修與清潔維護(hù)，文化中心在造型凹溝的隱蔽部位安裝有上人鋼梯(用鋼管制作，表面氟碳噴涂)，防墜落系鎦環(huán)根據(jù)屋面的造型設(shè)置，間距6米左右，確保屋面清洗人員能夠安全清洗整個屋面。防墜落系鎦環(huán)采用鋼板制作(表面氟碳噴涂)，穿過外層屋面板的板縫，安裝在外層屋面環(huán)形鋼框架梁上。維修與清潔維護(hù)人員經(jīng)上人鋼梯上到屋面，將清洗用的軟梯或安全繩索通過卡扣懸掛在防墜落系鎦環(huán)上，清潔人員在軟梯或安全繩索上對屋面進(jìn)行清潔(如圖2.6.5所示)。
3. 結(jié)束語
受篇幅限制，本篇文章僅介紹了蕪湖文化中心異型金屬屋面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造設(shè)計思路、典型關(guān)鍵節(jié)點和相關(guān)施工特點。蕪湖文化藝術(shù)中心采用的雙層金屬屋面系統(tǒng)，跨度大、整體性強、自重輕、強度高、耐腐蝕，結(jié)構(gòu)美觀、可抵消屋面鋼結(jié)構(gòu)沉降和溫度變化產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形，屋面隔熱保溫、隔聲效果良好，防潮、排水功能良好，安裝施工工藝簡單、施工周期短、勞動力投入較少、后期使用的清洗維護(hù)成本較低。
參考文獻(xiàn)：
[1] 《采光頂與金屬屋面技術(shù)規(guī)程》 JGJ 255-2012
[2] 《虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》 CECS 183-2005
