青島大劇院屋蓋鋁板格柵設計與施工（上）

　　本文作者：劉祥峰 張桂平 趙西安 　　

圖01 青島大劇院屋蓋格柵效果圖

　　1.青島大劇院概述
　　1.1工程概況
　　青島大劇院位于青島嶗山區云嶺路以西、梅嶺路以南、香港東路以北、世紀大道以東，該項目的建成即將成為美麗迷人的石老人景區乃至青島市的一處地標性建筑。青島大劇院的設計者是德國GMP建筑師事務所，國內項目合作單位為上海華東建筑設計院。

　　大劇院分為大劇場、音樂廳和多功能廳、接待培訓中心和表演藝術交流中心四部分。四個主要功能部分可獨立開放而不相互干擾，通過格柵銀頂自然的連接，形成有分有合、四面開敞的布局，與周圍的廣場、綠茵、道路融為一體。

　　2.2建筑意圖
　　整體建筑為象形的云霧繚繞的嶗山，大劇院主體是“嶗山”，架設在建筑上的鋁板格柵意為漂浮在“嶗山”上面的“白云”。表示山體的高低錯落的立面幕墻采用灰色花崗石干掛，而寓意云彩的屋蓋格柵采用白色鋁合金單板包覆。

　　2. 格柵系統：

　　2.1系統簡介
　　青島大劇院屋蓋鋁板格柵底部最低點標高為18.820米，最高標高為25.370米，總面積約：117800平方米；鋁板格柵截面高度最小為2.5m，最大接近7m，寬度為400mm；鋁板格柵立面分格新穎，包覆材料采用3mm厚鋁單板，鋁板可視寬度一般在1369mm，高度最大達到5300mm，表面處理為3涂層PVDF（如圖02、圖03）。

　　平面上相互交錯的格柵夾角并非直角，且存在多種形式的弧形；格柵立面高低變化，層次豐富；每根格柵在端部都有不同程度的轉折變化，格柵相交時為保證標高的統一，格柵的頂部和底部收口板為空間板。

圖02  鋁板格柵局部

  

圖03  格柵穿插局部

圖04  屋蓋格柵平面區域圖

　　2.2 系統構造
　　鋁板格柵豎龍骨為5號槽鋼；橫龍骨為L50*4角鋼；在節點設計的過程中堅持安全第一、構造防水、不露釘的原則，創造性的使用不打膠的開縫式插接的固定方式,面板通過連接在鋁板上的鋁型材用M5螺釘固定在橫梁上，鋁板在邊部設計折邊，安裝時折邊插接在專用設計的鋁型材中起到固定作用（如圖05）。

圖05  格柵典型截面圖

　　鋼材和鋁型材連接處設置4mm厚橡膠墊，防止電化腐蝕的同時也實現了柔性連接起到了防震降噪的作用；鋁板安裝采用插接，此部位亦設計了膠條，避免氣流直接進入幕墻內部的措施，并對接縫處的構件采取的防振動設計，因此不會產生由氣流造成的嘯聲或其他不利影響；同時在可能產生位移、摩擦的部位均設置柔性墊片，避免金屬間的移動而產生的噪音；更有效地防止水的大量涌入，當然腔內進入小的毛細水和冷凝水通過科學的設計，并在鋁板的底部兩邊有規律的設置了排水孔引導水的排出。

　　3.格柵系統設計
　　3.1 設計參數取值
　　•基本風壓： W0=0.7KN/m2 （100年取值）；

　　•基本雪壓： S0=0.25KN/m2；

　　•地震設防烈度：7度；地震動力值加速度：0.1g (按招標文件)；

　　•地面粗糙度類型：A類；

　　•風荷載體形系數按風洞試驗結果取值。

　　3.2 風洞試驗和主要風力結果
屋蓋格柵的方案設計中風荷載是需要重點考慮的設計因素。上下通透的整體外形決定了格柵的風荷載與封閉式結構有著本質的區別，并且不同位置的格柵表面風荷載也會有所不同。因此通過風洞實驗來確定該項目的體形系數就變得非常必要。通過制作鋁板格柵的剛性模型進行風洞模擬實驗，研究不同位置格柵的表面風荷載分布情況，根據實驗得到不同風向下格柵模型表面的風壓分布，給鋁板格柵系統的設計提供有力支持。

圖06

　　根據格柵模型測壓實驗結果，可將屋蓋格柵項目分為不同的區域取值,從實驗結果來看，處于最外側的格柵風壓分布與其它格柵明顯不同；而格柵的懸挑部分也與其它區域有所區別。因此可以將屋蓋格柵劃分為如下四個區域進行取值，如表1。

需要注意的是，由于格柵模型沒有模擬出主體建筑對鋁板格柵的影響，所以在確定主體附近的格柵系統時，應考慮一定的設計冗余度。

    單面壓力以垂直表面指向內為正；雙面合值的正負則以指向格柵內部為正，遠離格柵為負，即：南北向格柵以向西為正，東西向格柵以向北為正。上限值為體型系數的最大值，下限值則為體型系數最小值（負壓最大）。

　　3.3結構受力分析
　　采用風洞實驗的方法確定的體形系數進行結構分析，鋁板格柵豎龍骨為5號槽鋼，單側豎龍骨為連續梁結構形式，豎龍骨連接在上下兩根H型鋼上，上部連接為圓孔，采用受拉的受力形式，豎龍骨懸掛在上邊H型鋼上，底邊采用豎向長孔連接，鋼桁架兩側的豎龍骨用5號槽鋼連接起來形成鋼桁架，提高結構的抗荷載能力，達到整體受力的目的，有效的減小了龍骨截面（如圖07）；橫龍骨為L50*4角鋼，使用螺栓與豎龍骨連接，保證結構的同時，考慮結構在使用過程中的伸縮變形（如圖08）。

  

　　荷載信息：

　　風震組合荷載：qk×B=0.971×1.383=1.343KN/m   

　　平分兩份施加于兩根5#槽鋼立柱上，即每根施加1.343/2=0.6715 KN/m
　　自重荷載：Gak×B=0.081×1.383=0.112 KN/m
          施加于兩根5#槽鋼立柱上
　　3.4典型格柵構件的內力分布和變形特點
　　鋁板格柵系統中受力較復雜處應屬連接面板與鋼龍骨的鋁合金連接件（如圖09），在鋁型材的截面和材質選擇時，采用ANSYS通用有限元結構分析軟件對其進行局部強度與變形分析。在荷載設計值作用下鋁型材的局部承壓強度達到了142.766MP，據此鋁型材的制作材質選定為6063-T6。

圖09  典型連接節點

圖10  連接件內力分布圖

　　另外根據風洞試驗結果分析，屋蓋格柵在最邊部的部位的風壓是較大的，在設計中著重對其加強，在連接上不只是依靠鋁板插接在鋁型材里面，還在鋁板折邊部位單獨設計連接角碼，通過角碼連接在系統龍骨上，保證受力的合理性和安全性（如圖11)

圖11  邊部加強節點圖

　　3.5 溫度應力與變形的考慮
　　為適應鋼結構大的應力變形以及在主體結構受荷的情況下的沉降，面板也有應對措施，在連接龍骨與鋁板的鋁型材上銑出長孔，允許格柵整體在產生微小變形的情況下，保證面板的完整與平整度要求；雖然鋁型材上的長孔不是很大，但是鋼結構的體量是巨大的，相對于鋼結構的體量，應力變形及受荷產生的沉降就不是太大了，此兩種變形，被多塊面板消化吸收，保證了格柵整體的流暢效果。

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