哈尔滨大剧院金属屋面积雪、积冰防坠落设计浅析

刘会英 LIU Huiying

山西凯的建筑设计规划有限公司

生活在北方的人应该对屋面积雪、积冰现象不陌生，在一些村庄，这样的状态能保持整个冬天，还成为了独特的景色。但人们很少关注的是，在春回大地、冰雪消融的时候，建筑的屋檐往往会挂起成排的冰凌，有时还会带着屋顶的积雪一起滑落下来，对行人和房屋造成危害。所以在北方，屋面除冰是人们经常面临的一个问题。

近年来，大型公共建筑屋顶积雪、积冰坠落事件在国内外时有发生，造成了一些人身和财产损失，而解决这一问题的方法多停留在传统的人工除冰和后期清扫上，耗时耗力、效果不佳。本文结合哈尔滨大剧院项目，通过分析高寒多雪地区公共建筑屋面积雪防滑、防坠落问题，结合建筑立面设计、金属屋面构造系统设计等诸多因素，提出针对这一问题的解决方案。

1 项目简介

哈尔滨大剧院位于哈尔滨市松北区文化中心岛内，项目总建筑面积79 396m2，包括大剧院（1 527座）、小剧场（414座）、地下车库及附属配套用房等，建筑高度56.48m。建筑造型自由流畅，屋面起伏多变，好似随风隆起的雪山，又好似山舞银蛇，婀娜多姿，体现了北国风光大地景观的设计理念（图1）。

业主：哈尔滨市松北投资发展集团有限公司

建设地点：哈尔滨市松北区文化中心岛内

建筑设计：MAD 建筑师事务所

主持建筑师：马岩松、党群、早野洋介

设计团队：Jordan Kanter、Daniel Gillen、Bas van Wylick刘会英、傅昌瑞、赵伟、李健、郑芳、Julian Sattler Jackob Beer、J Travis Russett、Sohith Perera Colby Thomas Suter、于魁、Philippe Brysse、黄伟Flora Lee、王伟、谢怡邦、Lyo Hengliu Alexander Cornelius、Alex Gornelius、毛蓓宏Gianantonio Bongiorno、Jei Kim、陈元宇、于浩臣、覃立超Pil-Sun Ham、Mingyu Seol、林国敏、张海峡、李广崇Wilson Wu、马宁、Divide Signorato、Nick Tran、向玲Gustavo Alfred Van Staveren、杨杰

幕墙顾问：英海特幕墙顾问公司、中国京冶工程技术有限公司

幕墙施工：沈阳远大铝业工程有限公司

总建筑面积：79 396m2

设计时间：2010.04

建成时间：2015.10

图片版权：MAD 建筑师事务所

2 屋面除雪、除冰的案例研究

他山之石，可以攻玉。首先了解现有屋面的除雪、除冰方式，通常有以下四种。

（1）人工手动清扫

人工手动清扫常见于普通民宅的屋面积雪处理，适用于屋面面积较小、檐口高度不高的建筑，一般情况下人在地面上利用加长杆的雪铲便可完成除雪操作。这种方式成本低，操作灵活，可根据需要随时除雪、除冰；但完全由人工手动完成，劳动量较大，效率不高。

（2）人工+机械吹喷

人工+机械吹喷多用于屋面相对大一些的民宅和公共建筑，一般由操作熟练的专业人员携带专业工具和安全防护措施进行操作。这种方式需要专业人员配合专业机具，效率高、效果好、省时省力；但对清扫人员的专业性要求较高，且具有一定的危险性。

（3）市政除雪车

市政除雪车适用于屋面大、檐口比较高的大型公共建筑，一般情况下由市政部门安排专业的高空除雪车进行除雪，但也只是在具备这样条件的城市市政部门才能提供此类服务。其优点是功率大、效率高，可对面积较大的屋面进行清理；但所需的费用较高，一些普通的城市或偏远的市区并不具备这样的条件。

（4）主动式防积雪、积冰坠落措施

除了以上三种清扫方式外，还可在屋面特定区域铺设电伴热的发热电缆或融雪板，预防或减少屋面檐口及重要部位的积雪、积冰。这种方式可以有针对性地进行铺设，随时打开电源融雪、融冰，且无需人工操作；但造价相对较高，电缆有老化和使用年限，而且需要专业工程设计人员进行铺设。此外，当冰雪融化成水后，需经由屋面排水系统排走，从而达到除雪、除冰的目的，所以这种方式一般用于比较重要的大型公共建筑，对造价的要求较高。

3 屋面积雪原理分析

1 哈尔滨大剧院冬景

2 屋面积雪分布图

对建筑工程来说，每个项目都有其自身的特殊情况，很多问题不能一概而论，也不能简单地照葫芦画瓢。因此，除了研究案例寻找解决方案，还需要在理论分析、设计原理和安全计算的基础上总结出一整套可行的方案。在查阅了大量国内外规范、设计资料后，我们发现国内很少有关于屋面积雪、积冰防坠落的资料，只在建筑结构规范[1]里有一些关于屋面雪荷载的取值标准和基本雪压规定，以及屋面积雪分布分析。

在附录E基本雪压、风压和温度的确定方法中，对积雪分布保持均匀及局部积雪变异特别大的地区，提出了专门调查和特殊处理的要求，但并没有给出具体的调查分析和设计处理方法。

于是，我们将目光投向国外，在北美、北欧和俄罗斯等国家和地区，对此类问题有较为丰富的研究和指导资料，本文借鉴美国的相关规定作为参考来分析和寻求解决方案。美国的相关规范[2]在提出屋面积雪的清除方案之前，对降雪类型、雪重范围、降雪率、风雪荷载以及环境温度、风对积雪的影响等都提供了详细的分析方法，并且对不同的屋面结构形式进行分类比较。不同的屋面结构材料、不同的跨度，都有不同的处理方式。此外，规范中还提出了预防和监控积雪对建筑持续产生不利影响的方法和策略，在这里就不一一列举，仅选择对分析和解决本项目有借鉴意义的方法和原理进行分析和研究。

首先，对屋面积雪情况进行全面分析。如图2所示，积雪在屋面的不同区域分布不同，有些地方积雪厚度非常大，而有些地方则很少。这就意味着在较大降雪量的情况下，积雪会给屋面带来非常不均匀的外部荷载，而这种荷载还会随着时间和温度的变化而改变。图3反映了屋面的积雪会受到风向的影响，在不同风向和屋面形状的共同作用下，同一片屋面的积雪分布情况相差很大。图4则显示了积雪在屋面不同区域的堆积情况，一般情况下屋面的凹陷区域是积雪较大的区域，而高低跨屋面的积雪则会形成局部的滑移。

其次，分析屋面形成积冰的原理。如图5所示，一般情况下坡屋面的檐口处是最容易形成积冰的区域，因为在墙面和屋面转折交接的部位最易形成冷桥，建筑室内外的热量在此进行交换，从而形成积冰。这种情况在平屋面也同样会出现，但原因有所不同，平屋面与墙面转折部位常常设置排水的檐沟，使雪水集中在此，形成积冰区域。图6展示了消除檐口积冰的原理，即如果在积雪的表层屋面和内层屋面之间有一个空腔，则檐口处就会相对不容易积冰，冷桥部位的热空气会随着空腔向上流动、扩散出去，从而使上层的积雪底部保持相同的温度，这样就不会形成局部的积冰情况。

3 主风向下的屋面积雪分布示意图

4 积雪滑移分布示意图

最后，考虑防止屋面积雪、积冰坠落的方法和构造。在檐口附近按照一定的间距布置防止积雪、积冰坠落的挂雪措施，可以有效减少坠落的情况，同时为清扫争取时间。

5 屋面积冰示意图

6 屋面防积冰示意图

4 哈尔滨大剧院金属屋面积雪、积冰的防坠落设计

经过以上分析和资料研究后，结合实际情况，我们对哈尔滨大剧院积雪、积冰的防滑、防坠落设计有了清晰的解决思路和方法（图7，8）。

4.1 设定合理、保险的屋面雪荷载取值

以国内规范的相关规定为依据，设定合理、保险的屋面雪荷载取值。依据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012），以续表E.5中关于基本风压、雪压的取值规定，考虑到项目所在区域的位置、项目的重要性，经结构工程师和幕墙顾问共同研究决定按最不利荷载工况核算，以高于重现期100年的基本雪压进行取值，将基本雪压定为0.7kN/m2。按续表7.2.1中第6种情况“多跨单坡屋面（锯齿形屋面）”对屋面、天窗及室外人行步道处的积雪分布系数进行取值，并将其体现在建筑屋面主体钢结构和金属屋面分层构造的计算和设计上。图9是本项目最终的金属屋面标准节点详图，可以看到在下部屋面主体钢结构的球形节点向上，二次结构、金属屋面檩条、龙骨尺寸和分布间距，以及镀锌钢板、铝镁锰直立锁边板等一系列结构构件都结合上部雪荷载的情况给予了充分的考虑。最上层装饰板选择5mm厚的铝板，以确保屋面的平整度，避免由于积雪的压力使局部下凹，造成隐患。

4.2 选择直立锁边的金属屋面系统

比较几类屋面的构造方式，最终选择直立锁边的金属屋面系统。原因如下：（1）哈尔滨大剧院的屋面为曲面异形，外观飘逸灵动，富于变化。直立锁边系统对实现此类屋面有比较好的完成度。（2）基于主体内部的空间，虽然大剧院的屋面下有近一半的小跨度空间，完全可以用常规的屋面形式实现，但同时也有大跨度、起伏较大的大空间。金属屋面系统可以较好地兼顾这两种不同跨度的空间，使其具有更好的完整性。（3）直立锁边系统加上面层的外装饰铝板恰好在构造上形成了内外两层屋面板，两层屋面板中间是一个连续的、与外部大气连通的空腔，这样就在积雪的下方形成了一个空气恒温层（图10）。同时，加强铝镁锰防水板下部的保温层构造（采用总厚度170mm的双层错缝搭接方式），可以杜绝局部冷桥，从而减少屋面局部的积冰情况。

7 屋面积雪、积冰防坠落措施分布图

8 屋面曲面分析图

9 哈尔滨大剧院金属屋面横断面标准节点图

10 哈尔滨大剧院金属屋面构造空腔分析图

11 天窗轨道擦窗机清扫节点

12 人行步道局部剖面图

13 天窗边部檐口的上人式清扫步道+安全绳挂钩节点

14 安全清洗挂钩节点

4.3 在屋面构造中实现防坠落的挂雪措施

原直立锁边系统有一些较为成熟的成品挂雪构造，但其只能用于没有外装饰板的直立锁边屋面和对建筑外观要求不高的项目上。

哈尔滨大剧院是标志性文化建筑，需要在满足功能的同时兼顾建筑的美观，因此要求外装饰铝板本身具备挂雪功能。一般情况下常规的金属屋面外装饰铝板采用平缝构造，本身没有挂雪的功能，从国外规范的分析可以看出，挂雪设计实际上是通过很多密布的小构造来实现的，也就是化整为零的原理。所以，如果每一块外装饰铝板都能起到挂雪的功能，那就会得到理想的挂雪效果。受传统坡瓦屋面的启发，大剧院屋面采用搭接的形式，使外装饰板层产生台阶，削弱屋面层的整体性。如果采用与传统瓦屋面一样的向下搭接方式，那横向每层的搭接缝会产生视觉聚集效果，会影响到建筑外立面的观感。因此，我们创造性地将外装饰铝板设计为“上搭接式”的构造。这一节点设计的优势是：第一，利用装饰铝板搭接形成的高差，在坡道上形成防滑槽，产生挂雪的效果，对积雪起到了防滑作用。同时由于水平向的每层板之间都是上搭接关系，因此屋面被化整为零，整个屋面的积雪防滑任务分配到了每一块外装饰铝板上。第二，由于铝板做了上搭接处理，使得水平接缝消失，大大简化了立面的拼缝效果，这样立面看起来更加整体。

4.4 对哈尔滨大剧院屋面进行整体分析

分别对哈尔滨大剧院屋面的形体、排水、坡度和日照进行分析，修正并调整了金属屋面区域局部凹陷、不平整的情况，使建筑外皮平整、顺滑，消除局部积雪的可能。通过排水分析确定屋面整体的排水组织方案和所有天沟的位置，为下一步电伴热电缆的铺设和排水系统的设计确定基础的信息和依据；通过坡度分析发现屋面在不同区域的坡度分布情况，在相对平整的区域充分考虑积雪荷载，在坡度较大的区域设置积雪防滑措施；通过日照分析确定建筑冬季长期背阴的区域，加强设置局部人工清扫、电伴热等防积雪措施。

基于以上分析，最终完成了一整套屋面积雪、积冰清扫系统。除了可以清扫积雪、积冰外，还可以用于屋面的定期维修和清洗，使外幕墙维护系统更加完善。这个系统分为四个组成部分，分别是天窗擦窗机轨道系统、铝合金人行步道外加安全绳系统、电伴热电缆系统和安全清洗挂钩系统。每个系统分别对应了不同的部位，可以结合不同的屋面，设计具体的清洗设施及构造（图11～14）。

这些构件很好地融入了整个项目的外幕墙设计，不仅与各系统完美结合满足功能需求，还保证了建筑的外观效果，尤其是外装饰铝板通过巧妙的构造设计实现了挂雪功能。项目于2015年底建成并交付使用，经过半年的调试和准备，在2016年4月底迎来了首场演出。至今经过5个冬天的风雪，没有出现过一起屋面积雪、积冰坠落事件，局部的积雪情况因完善的清扫系统，也得到了及时清理。

5 结语

金属屋面的积雪、积冰防坠落设计，是哈尔滨大剧院设计和建造中一项技术难题，其从建筑设计到幕墙深化、施工的整个过程，希望能够为我国相关领域的设计和实践提供示范。