1、1深圳大运会体育馆聚碳酸酯板屋面设计摘要：大运会的屋顶采用了聚碳酸酯板减轻了整个工程的重量，但其防水设计要求高，使其具有优良的气密性、水密性、风压变形及平面变形能力比较困难。本文展示了聚碳酸酯板(PC 板)使用的优越性，同时处理好它的防水。 关键词：聚碳酸酯板(PC 板)、板线膨胀系数、防水排水、支撑结构、钢结构单元、整体吊装 Abstract: the roof of the universiade with reduced the whole project polycarbonate board of weight, but its the waterproof design the d
2、emand is high, make its have sex of admirable air-tightness, watertight, wind pressure deformation and the plane deformation ability more difficult. This paper shows the polycarbonate board (PC board) the advantages of using, and handle it waterproof. Key words: polycarbonate board (PC board), board
3、 steels are, waterproof and drainage, support structure, steel structure unit, integral lifting 2中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 本工程建筑面积 73761 平方米，地下一层地上三层，局部四层，比赛大厅为单层。钢筋砼框架+折面型空间网格幕墙。主馆高 36.50 米，建成后将拥有室内设固定座席数 14941 席,活动座席数 3023 席,共计可容纳17964 人，为 2011 年世界大学生运动会主会场馆之一。主结构屋面系统和幕墙为单层折面空间网格结构，平面形状为圆形，平面尺寸半径R=
4、72.00m。屋面系统由 16 个形状相近的结构单元构成,双轴对称结构。屋面都采用 10mm 和 12mm 厚的聚碳酸酯板（PC 板）图一为体育馆的整体形状。 聚碳酸酯板是一种以高性能工程塑料聚碳酸酯树脂加工而成，具有透明度高、质量轻、抗冲击、隔热、难燃、抗老化等特点的综合性能极佳的节能环保型塑料板材，英文名称为 Polycarbonate Panel（以下简称 PC 板） 。PC 板的特点具体如下： 1) 轻质。PC 板的密度为 1200kg/m3，不到玻璃的二分之一（玻璃的密度为 2560kg/m3） ，节省运输、搬卸、安装及支承框架的成本。 2) 抗冲击。PC 板具有“不碎玻璃”的称谓，
5、它的抗冲击力可以达到同等厚度玻璃的 250 倍，达到同等厚度亚克力板（PMMA）的 30 倍，同时还具有很好的韧性，在运输、安装及使用过程中不易被破坏。 3) 难燃。PC 板能达到 GB8624 标准的 B1 防火级别，在高温下，板材只会熔化，在 580温度下才会燃烧，且燃烧时不释放毒气，撤离火源后可自行熄灭。 4) 优异的耐候性。PC 板适用的温度范围为-40120，完全满足正3常使用条件的要求。 5) 可弯曲。实心板材的弯曲半径最小可以达到其厚度的 100 倍，6mm 以下厚度的实心板材既可以冷弯也可以热弯，8mm 以上厚度的实心板材一般需要热弯。可以实现灵活的设计方案和简单的现场安装。
6、6) 环保。使用 PC 板可以减少生产过程矿物燃料的使用，且可 100%循环利用。 7) 高透光率。PC 板的透光率非常接近玻璃， 3mm 实心板材的透光率可以达到 86%。 8) 可涂覆各种特殊涂层。PC 板可根据需要在表面涂覆各种涂层，以改善 PC 板的各种性能。 PC 板具有线膨胀系数大的特点，要做到不漏水非常不易。PC 板的线膨胀系数为 6.5x10-5 1/，是玻璃的 8 倍，铝型材的 3 倍。如何解决 PC 板温差变形以及防水是 PC 板屋面系统的重点，是使用 PC 板的关键点。 一、PC 板板块节点设计。 (一) 确定 PC 板计算温差 深圳地处北回归线以南，属亚热带海洋性气候，
7、气候温和，雨量充沛，日照时间长。夏无酷暑，时间长达 6 个月。春秋冬三季气候温暖，无寒冷之忧。年平均温度为 22.3 度，最高气温为 36.6 度，极限最低温度为 0.2 度，7 月份最热，平均气温为 28.3 度，1 月最冷，月平均气温14.1 度。 1) 确定 PC 板加工及安装时温度 4根据施工进度计划，大运会场馆 PC 板加工及安装时间集中在 611月份，考虑到施工计划可能变化，偏安全考虑，加工及安装 PC 板时板材表面温度按深圳 1 月份极限最低温度考虑，取 0.2。 2) 确定 PC 板年最高表面温度 根据深圳市建筑科学研究院针对大运场馆 1:1 局部节点模型温度测试报告可查出 P
8、C 板内表面温度最大为 76.2。 3) 确定 PC 板计算温差 综上所述，PC 板最小温度取 0.2，最大表面温度取 76.2，加工和安装时温度按深圳最低温度考虑，取 0.2，则 PC 板计算温差为76.2-0.276。 考虑测试时季节不同、测试误差等因素的影响，设计时 PC 板最大温差取 80。 (二) PC 板温差变形设计 计算条件：最大分格尺寸为 3193x3168x987，计算温差取 80，PC板线膨胀系数 6.510-5 1/。 体育馆中 PC 板分格为不规则三角形，为适应 PC 板因温差变形所造成的不利影响，其外部的铝合金附框与 PC 板之间必须留有足够的空间，保证板温差变形后不
9、使附框受力，采用等比例法用 CAD 画出变形量。 设任意两点的距离为 L，通过 80后的变形量为L=L80=6.510-5 1/80L=0.0052L,伸长后的长度L1=1.0052L，以三角形内接圆的中心点放大 1.0052 倍，新旧图比较就可以看到各个点的变形沿垂直三角形的边线为 2.2mm，沿三角形边的方向伸5缩很大。见图二 如果采用点驳接的形式（原招标图中方案）虽然可以解决变形问题，但板块相接位置胶的开裂很难解决。本工程通过与建筑师的沟通更换了施工方案。经过讨论比较采用了明框方案，但要求明框装饰条不能过于突出 PC 板的表面。经过对 PC 板性质的比较和研究采用了铝框包裹的方法，见图三
10、。 (三) PC 板铝框温差变形设计 采用与 PC 板相同的方法可以计算铝框的变形 计算条件：最大分格尺寸为 3193x3168x987，计算温差取 80，PC板铝框线膨胀系数 2.35x10-5 1/。 设任意两点的距离为 L，通过 80后的变形量为L=L80=2.3510-5 1/80L=0.00188L,伸长后的长度L1=1.00188L，以三角形内接圆的中心点放大 1.00188 倍，新旧图比较就可以看到各个点的变形沿垂直三角形的边线只变形了 0.8mm，沿三角形边的方向伸缩不是很大，见图四。 (四) PC 板与铝框变形的比较 以温度上升的趋势比较，从 0 度到 80 度，PC 板的变
11、形比铝框的大2.2-0.8=1.4mm,其它各方向的比较不详细讨论，最大变形相差约 9mm 左6右。理论上铝框与 PC 板之间的间隙至少要达到 1.4mm,铝框与 PC 板之间有相对变形，如果采用密封胶，相对变形 9mm 可以撕裂胶，防水失效。因此在 PC 板与铝框之间采用了胶条，由于胶条本身具有一定的伸缩性，同时胶条与 PC 板和铝框都能相对滑动。 胶条的设计要求是，能让 PC 板在铝框内自由移动，PC 板又不能脱出铝框的槽，否则 PC 板的使用功能失效。同时铝框与 PC 板之间要有一定夹紧力，即胶条要有一定的压缩量，以保证防水的可靠性。把铝框分成两个（附框一和附框二）就可以夹紧 PC 板，
12、同时又能保证防水的密封。在 PC 板夹紧深度采用了最小深度为 12mm，同时考虑制作及安装的误差，还有加工制作时温度变化等因素，最后按 18mm 设计。再加上胶条及相对变形等条件铝框槽深采用 27mm。安装时做一个夹具就可以实现铝框与 PC 板的夹紧。铝合金之间采用密封胶密封，很易实现防水。 二、PC 板屋面防水设计 深圳世界大学生运动会体育场馆是极为重要的公共建筑，其特殊的使用功能使得其在国内外都会具有较高的知名度和影响力，因此它的质量好坏直接影响到深圳乃至国家的声誉和形象，屋面系统的防水效果是最重要最直观的质量指标之一，而 PC 板防水又是屋面系统的难点和重点。为了很好地解决这个问题，设计
13、中采用以防为主，以排为辅，防排相结合原则，采取整体结构性防水和整体输导式系统防水形式，确保 PC 板屋面防水性能。 在 PC 板防水设计中，采用以两道防水为主，两道排水为辅的原则，以确保整个防水系统的有效性和经济性，下面主要从以下几个方面进行7PC 板的防水设计。 (一) 两道防水设计 设计主要考虑两个方面：一是铝框与 PC 板之间的水，二是铝框之间的防水。大部分的水由这两个位置封堵在室外，有少量的水通过这两道防水渗入内侧。 需要考虑铝框拼接处的防水。铝框之间连接处防水采用普通打胶容易开裂。将铝框拼接处进行焊接，同时胶条也粘连起来，减少水的渗入量。 (二) 两道排水设计 通过两道防水线进入的少
14、量水必须通过排水设施排到室外，否则进入室内。铝框与 PC 板之间渗入的雨水有二条路径：一是沿铝框与密封胶条之间，二是沿 PC 板与胶条之间。其中一路径渗水最终直接流入第二道排水槽，而第二路径渗水通过两铝合金附框之间直接流入第一道排水槽。PC 板块间硅酮耐候胶渗水，直接流入第一道排水槽。 水进入两道排水槽后，会流经 PC 板六点交汇及边部交汇处。PC 板六点交汇及边部交汇位置有较多骨料和板块相交，缝隙纵横交错，因此该处的防水设计是 PC 板屋面的重点。为防止排水系统在各交汇处出现漏水现象。在六点交汇处和边部交汇处采用采用单元式幕墙的防水方法，采用六点焊接后再通过滑块连接，使交汇处的骨料形成一个整
15、体，这部分在工厂完成，为了保证两道排水贯通，使第二道排水能够在六点相交位置汇入第一道排水，更能保证防水效果。为保证此处的防水，在交接位置设置铝连接件进行连接，并在铝连接件与铝骨料之间填胶处理。图五8是六点连接位置。 以上是防水的设计，下面设计一下支撑结构。 三、PC 板屋面支撑结构设计 本工程含有大量屋面钢檩条的施工，骨架的跨度大、精度要求高，对于生产加工、运输和现场安装带来了非常大的困难。而且整个工程施工工期较短，同时要保证质量。钢结构整体吊装是可以满足这个要求。将大量的钢檩条加工和组装工作放在加工厂进行，可以大大减少现场的工作量，而且能提高钢檩条加工制作的效率和精度。 一）屋面钢檩条系统组
16、成。屋面钢檩条系统由 C10 号轻型槽钢边梁、C10 号轻型槽钢 H90X90X5X6 焊接工字钢组成的钢结构单元以及钢结构支座(分主支座和次支座)组成，其中 C10 号轻型槽钢边梁通过主钢结构支座与主体钢结构连接，c10 号轻型槽钢、H90X90X5X6 焊接工字钢在工厂组装成单元，运至工地后与 c10 号轻型槽钢边梁和主体钢结构分别通过连接板焊接和次支座连接。图六为整个面的钢结构示意图 二）屋面钢檩条系统连接构造设计 屋面系统连接包括屋面系统钢檩条与主体钢结构连接和钢檩条内部连接两部分。 屋面系统钢檩条与主体钢结构连接包括 C10 号轻型槽钢边梁与主体钢结构连接、钢结构单元与主体钢结构连接
17、，屋面系统钢檩条内部连接包括钢结构单元与 C10 号轻型槽钢边梁连接和钢结构单元之间连接。如何消化主体钢结构在施工过程中造成的误差和满足地震作用时主体结构9变形要求是屋面钢檩条系统与主体钢结构连接重要问题。 1、屋面系统 C10 号轻型槽钢边梁与主体钢结构连接设计(见图七) 1) C10 号轻型槽钢边梁通过支座钢管、连接支座与主体钢结构铰接连接。 2) 连接支座与支座钢管通过焊接连接，连接支座可在支座钢管中上下和旋转角度调节,并在连接支座上设定位螺栓，方便连接支座与支座钢管焊接定位。 3) C10 号轻型槽钢边梁与连接支座通过螺栓连接,并在连接处设长腰孔, 这样在地震作用下屋面系统钢结构可相对
18、与主体钢结构进行移动，从而消除地震作用对屋面系统钢结构的影响。 2、屋面系统钢结构单元中间位置与主体钢结构连接设计(见图八) 1) 屋面系统钢结构单元通过 10 号轻型槽钢边框与主体钢结构连接,因钢结构单元在现场组装完成后,相邻单元的 10 号轻型槽钢边框通过钢板连接组成组合梁,所以相邻单元的边框共用连接支座与主体钢结构连接。2) 屋面系统钢结构单元与主体钢结构铰接连接，钢结构单元不传递弯矩和扭矩给主体钢结构，保证主体钢结构的受力性能；此外，钢结构单元中主杆件 2-10 号轻型槽钢组合梁设计为连续梁，可以有效地减小构件的截面。 3) 连接钢管与钢结构单元和主体钢结构都通过螺栓进行连接，并且10
19、连接钢管分为两段，在焊接工字钢调整完成后再进行焊接连接，这样保证钢结构单元接在 X、Z 向都可以调节，并且钢结构单元可相对与主体钢结构转动，满足不同空间角度情况下焊接工字钢连接需要。 3、屋面系统钢檩条内部连接设计(图九图十一) 10 号轻型槽钢、H90X90X5X6 焊接工字钢在工厂组装成钢结构单元, 钢结构单元 10 号轻型槽钢边梁底部定位钢角码和连接钢板，当相邻钢结构单元就位调整完成后，将钢结构单元与相邻钢结构单元边框底部的定位钢角码、连接钢板焊接,再在钢结构单元顶部用间距不大于 1500mm的连接板与相邻钢结构单元边梁焊接连接。 以上为支撑结构的设计，其计算不再详述，下面介绍一下 PC 板节能计算。 四、10mm 厚浅绿色 PC 实心板节能计算 1) 计算条件 夏季内表面换热阻： Ri = 0.11 m2K/W； 夏季外表面换热阻： Re= 0.05 m2K/W； PC 板导热系数：pc=0.2 W/(m.K) 2) 计算过程 PC 板的传热系数按下式计算
