异形玻璃采光顶设计

郭建华

0 引言

建筑采光顶由玻璃面板与支撑体系组成，不分担主体结构所受作用，且与水平方向平角小于75°的建筑围护结构。依照采光顶定义我们知道，采光顶无论结构形式及所承担的功能都和建筑幕墙极为接近，其设计原则也应遵循建筑幕墙设计理念。

相应原则包括以下几点：

1)外观满足建筑设计要求与主体建筑相协调；

2)功能满足使用需要；

3)性能与结构满足设计需要；

4)设计满足施工需要。

本文结合实例工程，阐述项目设计过程中的设计要点及设计理念，并针对采光顶设计过程中的防雷、排水、维护等容易引起工程隐患的点作以论述，希望可以供相关设计人员作以借鉴。实例工程包括钢结构梭形采光顶、铝合金锥形采光顶、钢铝结合拱形光顶。

1 工程实例介绍

1.1 明框锥形采光顶设计注意事项(见图1)

图1

为了达到采光顶的美观，两侧斜立柱相互连接，以及与中顶部横梁连接的安装螺丝设计过程中应尽量避免外露(见图2)。

图2

本项目巧妙地将两斜向主杆与横梁固定结合在一起，首先将两斜杆用钢构件做为芯套，用螺栓固定，同时将用于固定横梁的铝板固定于斜向主杆的两侧。安装时，从左至右依次安装，利用铝角与横梁卡紧，从而保证横梁与立柱之间的连接稳定。

不同角度立柱交接位置应采用预制钢构件作为转接件(见图3)。

该转接件加工应注意以下几点：

1)中心圆管与倾斜杆内套构件的角度，应预先在CAD 中建立三模型，分别量出准确角度绘制加工图；

2)水平杆内套构件与中心圆管的相对标高应量准；

3)中心圆管应上下封口，从而保证此构件的整体稳定性；

图3

4)应尽量减小中间圆形构件的半径，以减小装修饰盖的尺寸。施工中应注意材料单的准确性，尤其是玻璃尺寸及加工图的准确性，玻璃放样应统一标准，以内表面边线或外表面边线作为基准均可。由于玻璃厚度较厚，当采用不同放线基准的情况下，很可能会导致玻璃安装不上的问题。

1.2 拱形采光顶设计注意事项(见图4)

图4

拱形采光顶设计首先应从概念明确各类型拱形采光顶的数学模型，如明确采光顶四周拱形的半径及弧形的圆心定位。为保证拱形采光顶的平滑过渡，圆心点竖向坐标应位于平面玻璃与弧形玻璃的交点，转角部位应尽量采用球面玻璃。由于跨度及连接的问题，该类型采光顶主骨架一般采用钢结构，为了美观钢材表面应外饰铝板或不锈钢装饰面(本项目为铝构件)。

本案例重点解析玻璃的选用及装饰面的设计。

该类型拱形采光顶玻璃选取要结合工程实际需要，位于门廊位置的采光顶作为室外用采光顶，不需要考虑节能的需要，可采用6+1.52 PVB+6 mm半钢化夹胶玻璃；位于总统套房的采光顶作为外围护结构，则应考虑节能需要，玻璃选取应符合建筑节能要求及规范要求。本工程作为夏热冬暖地区，玻璃采光顶应保证传热系数应小于3.5W/(m2·K)，遮阳系数SC 应小于0.35，由于Low-E 玻璃很难做成球面玻璃，导致该类型采光顶不宜做与中空Low-E 玻璃，而普通白玻璃无法实现遮阳系数SC应小于0.35 的要求，这样该类型采光顶的设计宜采用内部遮阳或外部遮阳的方法来满足规范要求，本工程采用6+1.52 PVB+6+12 A+6+1.52 PVB+6 mm 中空夹胶半钢化玻璃及相应的热弯玻璃，可以保证传热系数的要求，内部增设遮阳构造。

钢构件外饰面设计(见图5)。

图5

外表面铝合金装饰面安装应采用机械连接，仅靠胶粘结是不可靠的，应采用分体式设计，主饰盖采用螺丝与钢管固定后，再粘结装饰性压条遮蔽螺丝。杆件应分主杆及次杆，次杆装饰面应小于主杆装饰面，从而避免装饰盖拼45°构造。由于该类型玻璃加工周期较长，玻璃采购宜采用建立准确空间模型，再传给玻璃加工厂自行出图，再由设计确认的形式，从而避免由于加工图表达方式及准确性等原因导致玻璃误加工的问题。

钢材及铝装饰型材拉弯也是应注意的问题，钢材的延伸率要好过铝材，设计时更应注意铝材是否可以拉弯，尤其是要新开模型材，如果不能拉弯，经济损失也比较大。对于建筑结构用铝合金型材的拉弯半径可以凭厂家的经验公式预先判断，厂家经验公式：铝型材(R外-R内)/R外≤8%，对于半径偏小的构件，还可以更换型材牌号的方式提高成功率。比如牌号为6061-T4 的断后伸长率为16%，比牌号为6063-T5 断后伸长率为8%提高了1 倍，相应拉弯的半径可大幅减小。同时铝材应优先选用不实效铝材，拉弯性能更好。

1.3 梭形采光顶设计注意事项

梭形采光顶设计施工重点在于要有清晰的造型定义，有准确定位尺寸的各层次模型，要保证图纸的准确性，空间模型的准确性，这个是不同环节互相配合的基础。造型定义包括纵向拱的间距，纵向拱的拱高及横向拱高控制线，并保证各拱最高点之间位于同一弧线上，从而保证整个梭形采光顶的平滑顺畅。主弧杆件宜等分，这样连接出的梭形构造(见图6)比较顺滑，施工控制点比较容易选取。

图6

采光顶造型定义好的情况下，进入方案构思阶段，将整个采光顶分为3 个层次：

1)主骨架：主骨架宜采用同等截面的钢管，空间模型及钢管交汇点应位于钢管轴心，对应的侧管与主管的交接点则位于主管的两侧不同水平坐标上；

2)次龙骨：宜选用与隐框玻璃托相匹配的矩形钢管，满足安装需要即可，或者采用钢板以弱化次龙骨的存在，整个采光顶更加美观；

3)面板层：面板层即完成的玻璃面。

以上每个层次都有着不同的空间坐标，只有在每个坐标准确的情况下，才能保证玻璃安装后的效果。

本采光顶主骨架采用180×100×5 钢管、150×100×5 钢管和80×80×4 钢管，骨架材质为Q235B，强度设计值为215 N/mm2，纵向跨度最大为9.5 m，玻璃共计396 个单元，杆件较多，设计时采用同济大学的3D3S 结构计算软件校核分析，从而保证结构的合理及安全性。本采光顶荷载选取如下供相应设计人参考：

工程位于珠海市横琴新区，基本风压为0.85 kN/m2(50 年一遇)，地面粗糙度为A 类，抗震设防烈度：7 度，设计基本地震加速度值0.10 g。

采光顶单元恒载标准值选为0.8 kN/m2，为双夹胶中空玻璃的重量及副龙骨的重量。

风荷载1 体型系数按GB50009—2012《建筑荷载结构荷载规范》第8.3.3 项和8.3.5 项选取；

风荷载2 按GB/T 21086—2007《建筑幕墙》附录B，采光顶的风荷载标准值不应小于1.5 kN/m2，取为1.5 kN/m2，方向向下；

地震荷载由软件自动计算。

分别按如下荷载组合进行校核：

1)1.20恒载+1.40 风载工况1+1.30×0.50 水平地震；

2)1.20恒载+1.40 温度荷载；

3)1.00恒载+1.40 风载工况2+1.30×0.50 水平地震。

经过计算，所选构件满足结构设计需要。

计算及构造设计时应注意支座设定，如果设成普通的铰接或固接，在选用同样杆件的情况下，无法计算通过，而选用橡胶支座的情况下可以通过计算，因此合理选用支座构造，对设计的经济及安全都比较重要，本工程选用100 mm 硬质橡胶及化学植筋的支座连接形式。

在结构满足需要的前提下，构造及工艺设计应注意如下几点：

表面处理，作为屋面采光顶，且面积大于200 m2的钢结构采光顶，要求钢材表面要进行防火处理，要求不低于1.5 h，且该项目位于珠海海边，钢结构防腐要求同样较高，本工程表面处理方式采取底漆+中间漆+防火涂料+面漆的多层复合喷涂处理方式，由于现在防火涂料工艺相对成熟，多数厂家都可以提供满足1.5 h 防火要求的2 mm 厚防火涂料。应注意工艺中应在防腐中间漆后增设一层封闭漆，以增加防火涂料与防锈漆间的附着力。

2 论述采光顶设计共性问题

2.1 采光顶的防雷设计

采光顶一般作为屋面结构，尤其位于建筑顶部的采光顶更容易成为雷击目标，所以采光顶设计应重视防雷系统的设计，在投入成本较小的情况下，可以起到很好的防雷保护效果。采光顶的防雷措施比较简单，首先应利用采光顶的金属骨架，并保证其贯通，之后将采光顶金属杆件采用φ12镀锌圆钢与防雷引下线相连接，并控制其连接间距不超过15 m。

2.2 采光顶的排水设计

平面采光顶设计，尤其重要是散排水设计，例如佛山市碧桂园五星级酒店中央大型采光顶，施工后的积水情况相当严重，整个采光顶表面凹凸不平，对于本工程项目拱形采光顶，由于四周为对称构造，无法找坡排水，只能采用构造起拱来起到四周散水的作用。设计过程中应将采光顶自重产生的挠度扣除，之后按3%散水坡度预拉弯钢管起拱，并按从中间向两侧逐渐降低拱高。经过实践证明该起拱效果比较好，完成后采光顶可以起到明显散水作用。

2.3 采光顶玻璃的防破损设计

采光顶玻璃面板的选取在设计方案阶段也比较重要，设计人员应理清关键点，给业主适当引导，从而保证采光顶的综合性价比。首先采光顶玻璃面板应选用安全玻璃中的夹胶玻璃，并按板块大小选取PVB 胶片厚度。一般采光顶因使用位置及起拱等原因，更换玻璃都比较麻烦且成本高，并且采光顶接受阳光直射的机会很大，温度应力产生自爆的可能性也大很多，玻璃补片及更换成本都较高，所以一次到位的设计更为可取，采光顶玻璃既安全又不会破损，对于施工单位的意义很明显。另外钢化玻璃自爆是目前为止无法避免的问题，玻璃后期的均质处理虽然可以起到降低自爆率的作用，但无法消除，所以采光顶玻璃宜采用超白玻璃原片和半钢化的组合，这样在保证玻璃弹性连接设计的情况下基本不会再出现自爆的问题。我司施工的广州长隆泳池的采光顶实践证明，采用超白玻璃增加的成本远小于后期更换玻璃的成本。在面板综合选取之后，构造设计也相当重要，设计前应明确该玻璃采光顶的主体结构类型，钢结构和混凝土结构的最大层间弹性位移角有明显区别，主体为钢结构的采光顶设计过程中应给予板块更大的自由度，以免板块因受挤压等产生局部应力而破损。

2.4 采光顶的节能设计

采光顶的节能设计首先应保证面板符合建筑设计要求及规范要求，其次应重视构造设计，如明框采光顶宜采用断热型构造。采光顶主面板达到要求的情况下，应重视收边构造的处理，设计过程要保证该部位满足节能要求，一般采用铝单板内附保温玻璃棉的构造。

3 结语

本文通过几个工程实例的设计介绍，结合实际体会，重点论述设计过程中应注意的问题，并论述了采光顶设计共性问题，希望可以引起相应设计人员的注意，从设计角度多花些心思全面思考，为工程取得良好的性能及便于施工的角度做出设计人员应有的贡献，体现装饰设计人员的价值。

[1]JGJ 255—2012,采光顶与金属屋面技术规程[S].

[2]JG/T 231—2007,建筑玻璃采光顶[S].

[3]GB 50009—2012,建筑结构荷载规范[S].

[4]GB5237.1—2008,铝合金建筑型材第1 部分基材[S].