本文作者：王德勤 張 洋 陳啟明 廉洪波
1 引言
現(xiàn)有建筑造型已經(jīng)呈現(xiàn)多元化的發(fā)展方向，一些新派建筑師不滿足于設(shè)計中規(guī)中矩的建筑形式，許多極富視覺沖擊力的建筑越來越多的呈現(xiàn)在我們面前。幕墻作為建筑的外飾層，如何實現(xiàn)建筑創(chuàng)意甚至如何將建筑的語言表達(dá)的更加透徹，已經(jīng)是許多幕墻公司必須面臨的問題。
曲面建筑，特別是雙曲面的建筑造型越來越多的應(yīng)用在許多國內(nèi)外建筑造型中。以往只是作為建筑造型中的個別單體，現(xiàn)在已經(jīng)大范圍的應(yīng)用到整個建筑造型中。新型的計算機(jī)技術(shù)已經(jīng)完全可以滿足幕墻的造型設(shè)計需要。
1.1
鄂爾多斯博物館工程概況：
鄂爾多斯博物館位于鄂爾多斯市康巴什新區(qū)，規(guī)劃建設(shè)用地面積為27760㎡，總建筑面積41227㎡，總高度39.8m，是一座集文物展陳、收藏及博物館文化局辦公室，地下一層、地上四層（辦公區(qū)八層）的大型綜合性建筑，使用年限為100年。 鄂爾多斯博物館項目由MAD建筑事務(wù)所完成建筑設(shè)計，山西建筑設(shè)計研究院完成施工圖設(shè)計。
鄂爾多斯博物館的建筑設(shè)計，展覽陳設(shè)和科技項目均定位于國際水準(zhǔn)，無論是建筑空間、展區(qū)規(guī)劃、展覽主題選擇還是對展品、展項的具體設(shè)置，都秉承“綠色、科技、人文”的宗旨。建筑造型寓意一塊堅固的石頭，象征永恒，古銅色的金屬外表面記錄著鄂爾多斯悠久的文化，展現(xiàn)著鄂爾多斯開創(chuàng)未來的創(chuàng)新精神。整體建筑效果見下圖示意：（如圖1.1）
整個建筑的外立面是由不規(guī)則的雙曲面構(gòu)成，頂部有四個斜向
玻璃天窗，在辦公區(qū)也設(shè)置有兩個斜向的采光天窗，主次入口造型的變化十分復(fù)雜，觀眾通過逐漸收縮的喇叭口進(jìn)入建筑，兩側(cè)的鎧甲狀
不銹鋼板能給人以穿越時空的感覺。（如圖1.2-4）
1.2 工程基本特點：
本工程幕墻與
金屬屋面部分幾乎全部是雙曲面，而且曲面并無規(guī)律。如何控制好建筑的造型，實現(xiàn)建筑師的預(yù)想，是工程的關(guān)鍵。以往常規(guī)的圖紙表述方式：平面圖、立面圖、剖面圖不能準(zhǔn)確表達(dá)
異型幕墻的要求。
由于外部的建筑造型所致，該項目的金屬屋面部分與
建筑幕墻部分沒有一個明確的分界線。如果標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分就是與水平面大于75°的為建筑幕墻，小于75°的為屋面。幕墻與屋面從節(jié)點設(shè)計到
強度計算以及材料的使用，都有著很大的差異。為確保項目的安全性能和使用性能，我們在設(shè)計中根據(jù)本工程項目的實際情況進(jìn)行整體設(shè)計，不論是幕墻還是屋面、
采光頂將其有機(jī)地結(jié)合在一起，綜合考慮技術(shù)指標(biāo)。
2 異型金屬屋面的設(shè)計
2.1金屬屋面系統(tǒng)的構(gòu)造
鄂爾多斯博物館建筑的整體外形是由多個不規(guī)則的雙曲面體形有機(jī)順滑的集合成一個不規(guī)則的異型體。主體結(jié)構(gòu)為
鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)，其表面大部分為金屬屋面和鋁
裝飾板（帶）所覆蓋，整體造型在柔順中能透出剛毅。這種類似的建筑在國內(nèi)是極為少見的。
由于其體型和功能的要求，對金屬屋面來說，其設(shè)計與施工的難度很大，必須結(jié)合實際工程情況采取特殊的、能夠適應(yīng)本項工程的結(jié)構(gòu)，節(jié)點設(shè)計和施工工藝方案才能順利完成本項工程。本工程屋面系統(tǒng)的構(gòu)造如下：（自下而上）
主體支撐鋼結(jié)構(gòu)；檁托，可進(jìn)行雙向調(diào)整的連接機(jī)構(gòu)；檁條，Φ121×5的弧形鋼管；硬
防水板，底層硬質(zhì)防水
鍍鋅鋼板（厚度為1.5mm）；防潮層，聚乙烯防潮隔層；隔聲層，
玻璃纖維增強
硅酸鈣板；防水板T型支座系統(tǒng)；
保溫層，雙層50mm保溫棉；
防水透氣膜；鋁鎂錳金屬屋面板，厚度為0.9mm，高直立鎖邊；
轉(zhuǎn)接件，
鋁合金材質(zhì)的連接裝置；弧形鋁支撐管，Φ40×3的弧形
鋁管；轉(zhuǎn)接件，鋁合金材質(zhì)的連接裝置；面層
鋁合金裝飾板，厚度為3mm
鋁板，表面按建筑要求的顏色進(jìn)行
氟碳噴涂。（如圖2.1-2.1.2）
從節(jié)點圖中可以看出，本項目的金屬屋面部分的
支承結(jié)構(gòu)為分三層——主體支撐異型鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，在此之外為鋼檁條，作為主結(jié)構(gòu)的次龍骨，屋面板等功能材料是依附在次龍骨之上的，第三層支承結(jié)構(gòu)是直立鎖邊金屬屋面板外部的弧形鋁管檁條，是最外層鋁板裝飾帶的支撐結(jié)構(gòu)。
依附在支撐結(jié)構(gòu)上，能起到各項功能作用的
板材、膜材共有七層---最外層為鋁合金裝飾層、鋁鎂錳金屬面板層、防水透氣膜層、保溫棉層、硅酸鈣板隔聲層，聚乙烯防潮層、底層為鍍鋅鋼板硬防水層。每一層都有著相應(yīng)的功能，同時每一層也都有它特殊的工藝特點，這就需要整體設(shè)計中全面綜合的考慮每一部分設(shè)計方案。
2.2檁條與主體鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計
鄂爾多斯博物館的主體支撐鋼結(jié)構(gòu)，是一個由異型鋼管網(wǎng)殼和異型鋼管桁架共同組成的空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。（如圖2.2.1）其外形及為復(fù)雜，這就造成在空間網(wǎng)殼施工中很難控制其安裝精度，出現(xiàn)外形尺寸偏差較大的現(xiàn)象。
為能保證屋面安裝后的外形尺寸，必須在安裝次檁條時將主體結(jié)構(gòu)偏差調(diào)整到外形尺寸允許的范圍之內(nèi)。在設(shè)計時我們根據(jù)現(xiàn)場的實際情況采取了按
實際尺寸調(diào)整檁托母座的張度，使檁條在安裝后的空間位置保持在設(shè)計范圍內(nèi)。為了實現(xiàn)這一目的，我們對現(xiàn)場的 萬個檁托支點采用全站儀進(jìn)行了空間位置測量。共得到空間三維數(shù)據(jù) 個。用這些數(shù)據(jù)重新建立了三維模型，并與原三維模型進(jìn)行對照。用此辦法來確定了每一個檁托母座的長度。
檁托是一個連接屋面檁條的
連接件，由
鋼材機(jī)械加工制成，在主體鋼結(jié)構(gòu)上焊接母座后，檁托旋入母座。檁托的高低尺寸可以通過旋入母座的多少進(jìn)行適量調(diào)節(jié)，這可以吸收由于主體鋼結(jié)構(gòu)引起的部分偏差。檁托安裝（如圖2.2.5）
檁條為Φ121×5的鋼管，安裝在檁托上，并且通過U型抱箍
緊固件連接固定。在檁條接口位置，檁托上兩個U型抱箍分別固定兩支檁條。檁條的安裝示意（如圖2.2.4）
由于本項目的特殊性，所決定每一根檁條都是弧形的，而且弧形半徑的無規(guī)律的變化，半徑的大小是根據(jù)空間模型的尺寸確定的，必須在工廠加工成形后運入現(xiàn)場進(jìn)行安裝 。由于在安裝過程中如果按焊接節(jié)點將會出現(xiàn)很大焊接應(yīng)力，使檁條的形狀改變，無法順滑的擬合外形，為避免上述的問題我們采取了無焊接的節(jié)點設(shè)計，用機(jī)械聯(lián)接的辦法解決實際問題。
2.3 底層硬質(zhì)防水板、防潮、隔聲、
保溫層的設(shè)計：
2.3.1 屋面底板的做法有很多 ，可以用軟防水、用
壓型鋼板以及聚安脂硬泡等。但由于本工程的金屬屋面為不規(guī)則的雙曲面，這些做法都無法解決雙曲扇形面伸縮變形的問題。采用1.5mm厚的鍍鋅鋼板不但解決了扇形排版問題，同時也為安裝過程中施工人員提供了可靠的安全踏板，避免在施工時損壞下層底板。
根據(jù)我們的多年生產(chǎn)異型雙曲金屬屋面的經(jīng)驗，結(jié)合本項目的特點，我們在金屬屋面系統(tǒng)的外層，選用高直立鎖邊鋁鎂錳金屬面層防水板，在底層采用1.5mm厚的鍍鋅鋼板做底層的防水層，用雙層防水的方案來確保屋面系統(tǒng)的防水性能。
為了保證二次防水和提高鋼板的平面外剛度，在節(jié)點設(shè)計時確定了在左右兩塊鋼板之間折直角邊，并加蓋“Ω”型鋼槽（如圖2.3.1）。上下兩塊鋼板在安裝時上板壓下板邊180mm，來保證其防水性能。（如圖2.3.3）
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