点支式玻璃采光顶应用技术探讨

点支式玻璃采光顶应用技术探讨

王德勤

（北京德宏幕墙工程技术有限公司，北京100062）

提要本文从点式式玻璃采光顶的应用情况入手，从支承结构的分类、使用性能的分析到结构设计、面板设计进行了讨论。特别是对于点支式玻璃采光顶的部分重要节点，处理方案和设计方法。并结合作者多年的实践经验和技术成果进行了深入的分析和细致的介绍。

关键词建筑玻璃采光顶，点支式支承，节点设计，排水天沟，玻璃梁支承结构点支式玻璃采光顶

1引言

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入了艺术效果。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型等。（如图1.1-1.4）

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 231-2007 ，2008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。

王德勤，男，1958.4出生，教授级高级工程师，北京德宏幕墙工程技术科研中心主任；清华大学建筑玻璃与金属结构研究所技术交流委员会副主任；中国建筑金属结构协会幕墙委员会专家组成员；中国建筑装饰协会专家组成员；

图1.1 索结构马鞍形玻璃采光顶 图1.2 钢结构球形玻璃采光顶

图1.3 钢架结构异形玻璃采光顶 图1.4 钢结构异形倒挂玻璃采光顶

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/T231-2007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。”[1]这也就是说只要面板是玻璃材料的，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。

2 点支式玻璃采光顶建筑设计时需要考虑的问题

2．1玻璃采光顶的分类

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；

2.1.3按工合分为非开合、可开合式玻璃采光顶。

2．2点支式玻璃采光顶常见的结构形式

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：

1）钢结构支承、钢桁架支承、钢网架支承、钢梁支承、钢拱架支承等;

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）

图2.3 鱼腹式索桁架支承玻璃采光顶 图2.4玻璃梁结构支承玻璃采光顶

2．3物理性能及功能

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；

3） 排水设计：确定排水方案，布置排水通路，选择屋面合适的坡度；

4） 防雷设计：除非周围建筑能提供防雷保护，否则要设置独立防雷系统；

5） 防火设计：对支撑钢结构加设防火保护层，或加设喷淋设备；

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点支式玻璃采光顶的结构设计

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》GB50009和《建筑抗震设计规范》GB50011的规定。

1）．重力荷载

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。

2）．地震作用

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：

E h=5αmax G (水平地震作用) (2.4.1a)

E v=3αmax G (竖向地震作用) (2.4.2b)

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。[3] 3）．风荷载

根据荷载规范的基本原则，作用于采光顶的风荷载可按下式计算：

W k=βμzμs W o (2.4.1.3)

其中，W o为50年一遇的基本风压：μz为高度系数，均可按荷载规范采用。

μs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取阵风系数的βgz，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βz，宜采用动力分析方法决定。对于刚性支承结构，βz可近似取1.2～1.6；柔性支承结构，βz可近似取1.5～2.0。[3] 2．4..2 荷载和作用效应组合

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：

S=γG S GK+ΦQγQ S Qk+Φwγw S wk+ΦEγE S Ek (2.4.2)

式中，γG、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,S K为效应的标准值。

2．4.3 结构分析方法

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性。常用的国内软件有3D3S、MSGS、MSTCAD等；还广泛采用国际通用的软件