必要时可在天沟内设置阻水板、集水池等装置来
发布时间:2019-07-01 05:44

  建筑玻璃采光顶在现代建筑中得到广泛的应用,从民用建筑到工业厂房,从普通的连廊到大型商业公共建筑的共享空间,当人们需要自然光线,从建筑顶部照射时自然就想到了采光顶,特别在近年来随着人们在对节能环保的重视,在建筑设计中大量采用了自然光线照明。

  近年来由于建筑工艺和技术的提高及新型建筑材料的发展和应用,使采光顶结构形式和使用的材料也越来越丰富起来,采光顶的造型也越来越多的溶人了艺术效果。从简单的方、长方、圆等几何形状发展到了三维曲面的马鞍形、椭球形、不规则曲面形和多种折线)

  由于近年来建筑采光顶和建筑幕墙一样发展非常迅速,与之相对应的相关国家和地方标准、规范也都相继出台。如《建筑玻璃采光顶》jgt劣1— ⒛07,⒛08年9月又出版了《玻璃采光顶》国家建筑标准设计图集。近期,新的《采光顶与金属屋面技术规程》也将公布了,这就意味着对采光顶的整体要求更高,对各项物理性能的保证,对结构的安全性和采光顶产品生产已经有了系统化的管理和严格的规定。

  什么叫做玻璃采光顶呢?这是我们首先要明确的问题。在中华人民共和国建筑工业行 业标准《建筑玻璃采光项》JG/231-2007的“术语和定义”一节中规定:“ 面板为玻璃的屋盖”就是建筑玻璃采光顶。“屋盖是由屋面板与支承体所组成的与水平面的夹角小于75o的围护结构和装饰性结构的总称。”这也就是说只要面板灶玻璃材料的,在使用时玻璃面板与水平面夹角小于75o无论支承结构的形式是怎样的,无论支承结构的材质是什么都称之为玻璃采光顶。由于玻璃采光顶内容涵盖太广,本文中所讨论的只是在点支承结构形式,玻璃采光顶应用技术中的部分问题。

  根据标准的规定,建筑玻璃采光顶通常可按玻璃面板的支承方式分类,也可以按支承结构进行分类,还可以按是否开合进行分类。其分类方式如下:

  2.1.1 按玻璃面板的支承方式可分为:框架支承方式;如:明框、隐框或半隐框支承玻璃采光顶;点支式支承方式;如:钢爪打孔式、夹板固定式、点支承玻璃采光顶;

  2.1.2 按支承结构可分为:钢结构、索杆结构、铝合金结构、玻璃梁结构;

  点支式玻璃采光顶的名称是按玻璃面板的支承方式来命名的,也就是说面板的全部荷载是通过各个支点传递给支承结构的。在工作状态时是由支承结构来承担各支点传递来的荷载。那么,只要支承结构有足够的强度,能够承担传递过来的荷载而不产生过大的变形,就视为可行。所以在实际应用中点支式玻璃采光顶的支承结构形式很多。建筑师可以根据建筑风格的不同、建筑所处的环境的不同,选择最适应的建筑效果的支承结构形式。常见的点支式玻璃采光顶用支承结构的形式有:

  2)索结构支承:鱼腹式索桁架支承、轮辐式索结构支承、马鞍型索结构支承、张弦梁拱结构、空间索网、单层索网结构等;(如图2.1-2.3)

  3)玻璃梁支承:钢结构与玻璃梁复合式支承,索结构与玻璃梁复合支承,玻璃梁与其它材质的梁复合支承等。(如图2.4)

  采光顶的建筑设计分别由设计院的建筑师和幕墙生产厂商进行。设计院主要由建筑功能和建筑艺术的要求,对采光顶进行选型,确定主要形状、板块划分、面板材料和性能、支承方式、支承结构的类型和布置,然后由幕墙厂商对这总体要求进行细化,作出深化设计和施工图设计,并付诸实施。通常包括以下内容:

  1)确定采光顶的性能:抗风压变形、气密、水密性能要求,按国家节能标准确定保温、隔热、遮阳等指标;

  2)设计排气窗、排烟窗:当采光顶高度不大于12m时,可以采用自然排风、排烟;高度大于12m时,应采用机械排烟;

  6)安全措施:主要考虑合理选用面板材料和设计合理的连接构造,防止面板破碎坠落伤人。

  7)遮阳设计:设置遮阳帘、遮阳板;选择手动、电动和智能化系统并进行控制系统设计。

  2.4.1 荷载和地震作用采光顶的荷载和地震作用的决定,原则上参照国家标准《建筑结构荷载规范》GB5O009和《建筑抗震设计规范》GB5O011的规定。

  作用于采光顶的自重、活荷载和雪荷载,可按荷载规范的规定。对有可能积水的采光顶,尚应考虑50年一遇、20分钟暴雨下的可能积水量。

  采光顶应考虑竖向地震作用和水平地震作用。对于面板和直接连结面板的支承结构,其地震作用按下式计算:

  其中,αmax为地震作用系数,由设计烈度决定,G为面板和直接相连的支承结构的自重。

  间接支承面板的支承结构,与主体结构一起,通过地面反应分析决定其地震作用。

  us为体型系数,可按规范采用。由于采光顶形状复杂,受周围环境影响显著,宜进行风洞试验来决定其数值。

  β为风的动力作用系数。对于面板和与面板直接相连的支承结构,β 取阵风系数,其值按荷载规范取用;对于间接支承面板的支承结构,β 取风振系数βgz,宜采用动力分析方法决定。对于刚性支承结构,β z可近似取1.2~1.6;柔性支承结构,βz可近似取1.5~2.0。

  我国目前结构设计采用多系数的设计方法。荷载和作用效应的标准值应按荷载规范的规定进行组合,得出其设计值:

  式中,γ G、γQ、γw、γE分别有自重、活荷载、风荷载和地震作用效应的分项系数,γ)1.0,Φ 分别为组合值系数,Φ ≤1.0,SK为效应的标准值。

  结构分析目前已广泛采用计算机软件进行。基本分析方法为有限元。对柔性结构还考虑几何非线S、MSGS、MSTCAD等;还广泛采用国际通用的软件SAP、ANSYS、 ETABS、MIDAS等。

  2.5.1 在玻璃面板的设计时首先要从安全性能、使用性能方面考虑,在有保温隔热性能要求的采光顶设计时,应选择保温隔热性能好的钢化中空夹胶玻璃。并可要求K值指标观行的国家标准“建筑玻璃应用技术规程”jgj113-2009中规定,采光顶中的玻璃必须使用安全玻璃。当屋面玻璃最高点离地面的高度大于3m时,必须使用夹层玻璃。用于屋面的夹层玻璃,其胶片厚度不应小于0.76%mm。采用中空玻璃时,中空玻璃应由夹胶

  2.5.2 在设计平顶玻璃采光顶时,玻璃的排水坡度不要小于3%,否则会出现排水不畅和局部积水的现象。

  2.5.3 点支承玻璃可采用钢爪支承装置或夹板支承装置。采用钢爪支承时,孔洞边至板边的距离不宜小于60mm。倒挂玻璃宜采用浮头或夹板支承装置。

  点支承面板的边缘应进行细磨或精磨,倒棱不应小于1mm,孔洞内应进行细磨,倒棱不小于1mm。当屋面玻璃使用钢化玻璃时,钢化玻璃应进行均质处理。

  2.5,4 采用浮头式连接件的钢爪点支承时,玻璃厚度不应小于6mm;采用沉头式连接件的钢爪点支承时,玻璃厚度不应小于8mm。钢板夹持的点支承玻璃,单片厚度不应小6mm。

  2.5.5 不上人屋面活荷载除应符合现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的有关规定外,尚应符合下列规定:

  1)与水平面夹角小于30°的屋面玻璃,在玻璃板中心点直径为150mm的区域内,应能承受垂直于玻璃为1.1kN的活荷载标准值;

  2)与水平面夹角大于等于30°的屋面玻璃,在玻璃板中心直径为150mm的区域内,应能承受垂直玻璃为0.5kN的活荷载标准值。

  点支承玻璃面板的相对挠度最大限值为长边跨距的1/60。当屋面玻璃采用中空玻璃时。集中活荷载应只作用中空玻璃上片玻璃。

  2.5.7 计算玻璃承载能力极限状态,应根据荷载效应的基本组合进行荷载(效应)组合,并按下式进行设计:

  作用在玻璃上的荷载分短期荷载和长期荷载,风荷载和地震作用为短期荷载,而重力荷载和水荷载等为长期荷载。短期荷载对玻璃强度没有影响,而长期荷载将使玻璃强度下降,原因是长期荷载将加速玻璃表面微裂纹扩展,因而其强度下降。钢化玻璃表面存在压应力层,将起到抑制表面微裂纹扩张的作用,因此在长期荷载作用下,平板玻璃和钢化玻璃、半钢化玻璃强度下降值是不同的。通常钢化玻璃和半钢化玻璃在长期荷载作用下,其强度下降到原值的~sO%左右,而平板玻璃将下降至原值的⒛%左右。

  根据荷载方向和最大应力位置将玻璃强度分为中部强度、边缘强度和端面强度三种,这三种强度数值不同,因此应用时应注意正确选用。同时玻璃在长期荷载和短期荷载作用下强度值也不同,玻璃种类和厚度都影响玻璃强度值,使用时应注意区分。

  由于玻璃是脆性材料,在其表面存在大量微裂纹,玻璃强度与微裂纹尺寸、形状和密度有关,通常玻璃边部裂纹尺寸大、密度大,所以玻璃边缘强度低。在澳大利亚国家标准AS1288中规定,玻璃边缘强度取中部强度的SO%,在《玻璃幕墙工程技术规程》JGJ102中取玻璃端面强度为中部的70%。

  采光顶玻璃的最大应力设计值应按弹性力学计算,且最大应力不得超过长期荷载作用下的强度设计值。我们在玻璃采光顶和雨蓬的玻璃强度设计取值时,应选用长期荷载作用下玻璃强度设计值尼(N/mm2)。在选用夹板或连接方式进行点支式连接时,玻璃的强度设计值应选用长期荷载作用下玻璃的边缘强度设计值尼。

  2.6.1 所谓索结构点支式采光顶,就是指玻璃采光顶的支承结构是采用了拉索作为主要承重构件。常见的索结构形式有:双层索系的索桁架结构;由上弦是刚性杆件下弦为拉索的张弦结构;由桅杆顶部下挂斜拉索的斜拉结构;由拉索交叉构成的马鞍型曲面索网结构;圆环形轮辐式索结构;平面索网结构等(如图2.6.1)。

  对于双层索系玻璃采光顶,索桁架矢高可取跨度的1/10~1/20,自初始预应力状态之后的最大挠度与跨度之比不宜超过1/200。

  鞍形曲面单层索网及双层索系玻璃采光顶自初始预应力状态之后的最大挠度与跨度之比不宜超过1/200。平面单层索网玻璃采光顶自动初始预应力状态之后的最大挠度与跨度之比不宜超过1/60。

  索结构的计算应包括初始预应力状态的确定及荷载状态的计算,索结构的初始预应力状态确定和荷载状态分析应考虑几何非线性影响,不考虑材料非线性。索结构的荷载状态计算应在初始预应力状态的基础上考虑永久荷载与活荷载、雪荷载、风荷载的组合;并应根据具体情况,考虑施工安装荷载、地震和温度变化等作用。

  索结构设计时,在永久荷载控制的荷载组合作用下,应避免索退出工作;在可变荷载控制的荷载组合作用下,应防止因索松弛而导致结构失效。在计算时,应考虑索与下部支承结构的相互影响,有条件时宜采用包含下部结构的整体模型进行分析。

  设计索结构玻璃采光顶时,应考虑屋面雪荷载不均匀分布所产生的不利影响,并应按多种荷载工况进行分析。

  2.7.1 所谓玻璃肋(梁)结构点支式采光顶,就是指玻璃采光顶的支承结构是采用了玻璃肋(梁)作为主要承重构件。常见的玻璃肋(梁)结构形式有:钢结构与玻璃梁复合式支承结构;索结构与玻璃梁复合支承结构;玻璃梁与其它材质的梁复合支承结构等。

  2.7.2 在进行玻璃肋支承玻璃采光顶设计时,最主要的是安全度的考虑,由玻璃自身的特性所决定。这种材料在使用过程会出现不同程度的自身破坏现象。所以在设计时要充分考虑到这一点,一但出现支承玻璃肋破损整体支承梁仍应有足够的支承力,保证玻璃面板在短时间内不下落。确保安全在玻璃梁支承结构点支式玻璃采光顶的设计时需要考虑到以下问题:

  2)玻璃梁与玻璃采光顶的面板玻璃连接应采用穿孔式爪件、驳接头连接,以此来提高玻璃梁与玻璃面板连接的可靠度(如图2.7.1-1)

  3)玻璃梁的跨度跨度不宜大于⒉00mm。尽量减少在玻璃梁上打孔,减少玻璃梁之间的接头。

  4)玻璃梁两端支承点,在设计时应考虑设置成铰接,当玻璃采光顶的面板受荷载变形时玻璃梁两端支承点可自由转动(如图2.7,1-2)

  5)采用金属件连接的玻璃梁其连接件的厚度不应小于6mm,螺栓直径不应小于8mm

  在玻璃肋(梁)结构点支式采光顶的玻璃肋的强度计算时,玻璃肋的强度设计值应选用长期荷载作用下玻璃的端面强度设计值fg。在最大荷载的作用下,玻璃梁的挠度限值宜取其计算跨度的1/200。

  点支式玻璃采光顶玻璃面板与支承结构的连接方式主要有两种:一种在玻璃面板上打孔。用不锈钢驳接头固定玻璃面,通过爪件将面玻璃与支承结构连接。这种连接方式叫穿孔式连接;

  另一种连接方式是在玻璃面板的边缘,在两块面板之间的缝隙处采用不锈钢夹板固定面玻璃,再通过爪件或连接机构将玻璃面板与支承结构连接。这类连接方式叫夹板式连接。

  d、驳接头的使用要考虑水密、汽密性的有效保障、在造型时应尽量使用浮头驳接头作为连接件。

  e、在进行爪件的选型时要考虑到玻璃在受力变形和在热变形及适应结构变形的能力,在平顶点支式采光顶上尽量作用全部是大孔的配件,来适应玻璃平面内的变形量。

  1)夹板在玻璃面板上分布的形式,可分为多片玻璃交叉点夹板式和两片玻璃之间胶缝夹板式。交叉点夹板式的夹板固定点是在面板玻璃的角部固定;胶缝夹板式的夹板固定点是在面板玻璃的边缘。(如图3.1.2)

  2)在金属夹板与玻璃面板之间要设置足够的间隙量,允许玻璃在受到平面处荷载作用时变形有足够的空间。

  3)对面玻璃为中空夹胶钢化玻璃时,夹板对玻璃可以采用整体夹紧的方式,也可以采用只夹紧中空玻璃下面的两片夹胶玻璃,对上片玻璃采用隐框打胶的处理办法,此方法叫“隐形夹板式连接装置”专利号为ZL1.4。

  3.2.1 点支式玻璃采光顶的汽密和水密的保障主要是由面板之间的胶缝保证的。

  胶缝宽度的设置:为了保证玻璃采光顶的使用功能使之能在各种条件下正常的工作,在胶缝(两片玻璃面板之间,面板与山墙之间,面板与立面幕墙之间等),宽度的确定时要考虑的因素有:

  1)玻璃面板受冷、热温度变化时(按8O℃ 的温度),产生的平面内尺寸变化;

  2)在面板玻璃受风荷载,雪荷载、地震、自重、检修荷载等垂直于玻璃平面的荷载作用下产生的尺寸与形状的变化;

  3)要考虑到玻璃在加工过程中(如钢化、中空、夹胶、钻孔等)产生的叠片尺寸差,和面玻璃的对角线)胶缝的宽度要给面板安装和连接件安装时出现的安装误差留出尺寸量。

  在考虑了以上因素的情况下,常规的点支承玻璃采光顶的胶缝宽度设定:穿孔式连接的玻璃的胶缝宽度为12mm至15mm;夹板式连接的面板玻璃胶缝为15mm至18mm为宜。

  3.2.2 `点支承玻璃采光顶接缝胶的选用由于点支式玻璃采光顶的构造形式所决定了采光顶的防雨水渗漏的关键在于接缝处的处理,防水密封胶的选择是实现性能的关键。

  首先要按国标准的规定进行选材,此项对应的标准是JG/T882《幕墙玻璃接缝用封胶》,在标准中只规定了两个位移能力级别20级和25级,在同一级别中有高模量和低模量两种(高模量标记为H,低模量标记为L)为能适应采光顶在工作状态时玻璃面板的,在接缝密封胶的选用时尽量适用高位移能力的,密封胶产品目前有些生产企业已经生产出位移能力级别为50级。

  一般的打胶要求是在防水接缝涂胶过程中将表面修整成凹弧形。这样的断面有利于胶缝在变形时进行收缩。同时对于屋面而言,每一个接缝的水平高度要低于玻璃面板,形成凹槽,有利于排水导流。(如图3.2.3-1)

  但是应当注意的是,接缝的涂胶是在施工现场进行的,对涂胶的质量很难控制。难免会出现气泡、夹层、脱层、夹杂等瑕疵隐患,这样就容易造成在接缝处漏水的现象。

  我们通过对凹形胶缝的分析和大量的工程实践,总结出一种新的打胶工艺,改变了胶缝断面的形状,使每一道胶缝都能可靠的起到防水防漏的作用。

  方法是:在一条胶缝上分成两次涂胶的工艺。先是按常规的打胶法进行接缝处理。当第一道胶固化后,在第一道胶的上面再打一道,并将形状修整为凸弧形断面,使之宽于第一道胶,让第二道胶的两边粘接在接缝两侧玻璃面上(如图3.2.3-2)

  这种形式的打胶既扩大了粘结面和密封宽度,又有利于减缓局部应力(特别是在十字接口处),同时覆盖了第一道密封胶在施工时可能出现缺陷。有利于彻底消除渗漏的隐患。

  3.3.1 排水系统可选择有组织排水或无组织排水系统,有条件的建筑应选择有组织的排水

  1)排水方向应直接明确,屋面檐口应设置集水、排水天沟,宜采用内排水和外排水落水排放系统。

  2)在建筑的人流密集处和对落水噪音有限制的地方,应避免采用无组织排水系统。在严寒和寒冷地区应采取措施防止积雪融化后在屋面檐口处产生冰棱现象。

  2)防水系统宜采用两道以上的防水构造。防水系统应具各吸收温度变化等所产生的位移的能力。

  3)排水天沟的截面尺寸应根据排水计算确定,并在长度方向上应考虑设置伸缩缝,天沟连续长度不宜大于⒛m。

  4)天沟槽的设计时,在充分考虑到其自身的排水、引水的功能外,还要考虑到排水天沟是整个采光顶系统的一个组成部分。其功能要完整。特别是在保温、隔热、隔声及装饰性能上要根据不同的项目进行专门的设计。一般要求在天沟金属槽的室内则设置填充保温棉,在可视部分包饰装饰面层。在天沟金属槽的室外则涂防水油膏加防水卷材,这样有利于减少噪声,提高沟槽的防腐能力,提高使用寿命。(如图3.3.2)

  在排水天沟的断面节点设计时应考虑到天沟的槽口与采光顶玻璃面板相交接处、槽口与砼立面墙体与金属屋面板交接处的构造处理。使之能够适应由于温度或不利荷载所引起的变形及相对位置量,来保证其使用性能(如图3.3.3)

  天沟、檐沟与屋面交接处变形集中,容易开裂,为增强抗裂能力,应采用能够吸收大变形量的密封胶,并且进行柔性连接。

  当雨水、雪水按照我们的要求汇人天沟内就进人了有组织的排水的过程,一般情况下从天沟内向外排水的方案有两种:一是通过水的重力和天沟的排水坡度使雨水汇聚到落水斗处,通过排水管道有组织的排出。这种方法简单易维护,大量使用在建筑上。二是近年来引进的虹吸排水系统技术。

  虹吸式排水系统的基本原理是当天沟积水深度逐渐加大并超过雨水斗上表面高度,掺气比值迅速下降为零,雨斗内水流形成负压或压力流,泻流量迅速增大,从而形成饱和排水状态。其技术特点在于虹吸式雨水斗设计,水进人立管的流态被雨水斗调整,消除了由于过水断面缩小而形成的旋涡,从而避免了空气进人排水系统,使系统内管道呈满流状态。利用了建筑物高度赋予的势能,在雨水的连续流转过程中形成虹吸作用,导致水流速度迅速增大,实现大流量排水过程。

  3.3.5 我们应该注意的是在实际使用过程中,不论是落水斗或是虹吸系统,在与天沟槽接口的位置都有过渗漏或异物堵塞的问题,所以我们在设计时也要充分考虑到使用的环境,必要时应在落水处增设防封堵构造,或溢流装置。防止雨水在不能及时排出的情况下向外溢出。

  在设计坡度较大的排水天沟时应详细计算最大汇水量和水流速,必要时可在天沟内设置阻水板、集水池等装置来保证排水的顺畅。

  由于排烟、换气、维护等功能的需要,在玻璃采光顶的平面内设置可开启扇来达到使用功能的需要,是在建筑中通常使用的手法。其可开启的面积分布在相关规范上都有详细的规定。但在具体使用过程中,特别是在点支式玻璃采光顶设置排烟与建筑效果常常产生一定的矛盾。其主要的问题是局部装饰与整体装饰效果不协调的问题。只要建筑师对此引起足够的重视,从整体综合的角度考虑问题,就不会很难解决此项矛盾。

  1)气密性、水密性能达不到相关性能的设计要求,出现整体的保温节能性能指标降低的问题;

  2)由于开启扇与固定边框在设计上没有充分考虑到使用条件,出现闭合不够紧密,发生漏水的现象;

  3)由于开启扇与固定框没有设置挡水、排水、接露槽等构造,造成局部漏水、滴水、耐久性差等现象;

  点支式玻璃采光顶的开启扇(排烟窗)在设计时宜采用铝框支承的结构形式,将开启扇与固定框通过对功能节点设计,来达到开启和闭合时的性能要求。

  开启扇的尺寸分割不宜过大,要充分考虑到在电动开启时撑杆所承受的重量。在选择撑杆推力时,最好在其最大推力上再增加安全系数,来保证使用功能。(如图3.4.2-1)

  在开启扇的设计时应考虑到排水的顺畅性和在较大的雨、雪气候时能正常工作,建议在开启扇的设计时其玻璃平面的高度要在采光顶玻璃平面上凸起8Omm以上,并在局部设挡水板或挡雪板,保证在极端状态下使用功能(如图3.4.2-2)

  近年来,我国内地采光顶工程数量多、面积大、体型复杂、支承结构新颖,总体技术水平不断提高。在北京的奥运工程、上海2010年世博会、广州⒛10年亚运会的工程项目上,点支式玻璃采光顶的应用为这些传世的精美建筑增添了绚丽的光彩。随着建筑技术的进一步提高,各种新材料、新工艺不断的成熟,更加新颖的结构形式和建筑效果的采光顶工程将出现在我们面前,这将无疑为采光顶的设计与施工技术的提高提供了广阔的舞台。

  [1] 《建筑玻璃采光顶》,中华人民共和行业标准,JG/T231,2007

  [2] 《建筑玻璃应用技术规程》,中华人民共和行业标准,JGJ113-O09

  [4] 马启元,玻璃采光顶密封选材及接缝设定的探讨,《建筑幕墙论文集》,2008

  [6] 王德勤,姚裕昌,玻璃采光顶在大跨度屋盖中应用的实践与探索,《施工技术》,2002