杭州大剧院设计说明

幕墙设计方案说明
第一章方案简述
杭州大剧院位于钱塘江畔，为钱江新城的第一栋建筑，坐落于城市新行政中心广场北侧，之江路西北、临江路西南，占地总面积为73963m2，总建筑面积为55000m2，建筑总高度为46.4米。

大剧院外观造型新颖独特，视觉冲击力很强，建成后将成为杭州市的标志性建筑大剧院总平面布置为一个椭圆，由一个双曲壳和一个倒置的圆锥壳相交形成大剧院的主体建筑部分，充分体现新千年的精神和杭州文化中心的特点。

由于大剧院体形比较复杂，即有双曲面，又有圆锥面，而我国现行规范对于这种造型独特的大跨度屋盖结构的风荷载计算缺乏相应的体形系数，因此，为了保证结构设计的安全、经济、合理，浙江大学建工学院土木系受杭州大剧院工程建设指挥部委托，于2001年7月至9月进行了大剧院屋面和玻璃幕墙表面风压测定的风洞实验，幕墙设计计算所采用的风压值，就是根据风洞实验报告给出的风压计算公式及试验结果得出。

根据招标文件（答疑文件）的要求，为了使圆锥斜面点式玻璃幕墙支撑钢桁架数目与后屋架对应，我们对该部位玻璃分格尺寸做了适当调整，以保证内外视觉的美观性，并满足构造要求。

由于后屋盖主体部分层间较高、混凝土结构梁间距又很大，故沿竖向梁方向每隔三米设置一道钢结构横梁，缩短幕墙铝合金龙骨的支撑点，满足型材尺寸要求的同时，改善幕墙主龙骨的受力状态，使其满足强度、刚度等构造要求，减小龙骨断面尺寸，降低幕墙成本。

大剧院幕墙工程的主要项目有：
1．双曲壳屋面铝板幕墙，2．圆锥面点式玻璃幕墙，3．入口处倒圆台点式玻璃幕墙，4．钢结构点式玻璃雨蓬，5. 隐框中空（单）镀膜玻璃固定窗，6. 隐框中空透明玻璃窗，7．铝合金百叶及铝合金装饰条等，各部分幕墙结构及其性能详见下一章《幕墙的结构设计》
第二章幕墙的结构设计
第一节双曲壳屋面铝板幕墙的设计
一．铝板幕墙基本结构形式
结构形式——浮动、自洁式铝板幕墙系统
铝板材料——3mm银灰色氟碳喷涂铝单板
龙骨材料——铝合金型材，表面阳极氧化处理
密封形式——三道密封层，暗胶自洁密封形式，结构防水设计。

二、铝板幕墙的主要结构特点：
1.铝板板块为浮动式安装结构，板块伸缩自由，板内部无热应力，能够适应温差变形、层间变位的要求，避免板块变形、扭曲、起鼓等现象，板块平整、美观。

2. 三道密封体系、内排水设计，体现优异的水密性能。

由于采用深胶密封，使得板块具有非常好的自洁功能，幕墙表面清洁，无污染现象（由于低层空气灰尘度较高，而硅胶固化过程中会产生静电和硅油，具有很强的吸附力，硅胶表面很容易污染，如果胶缝与铝板平齐，在雨水冲击下，铝板表面将受到污染）。

3．铝板板块与副框间为插接结构，板块无折边，同时，铝板副框为封闭形式，整体强度高，有利于形成稳定双曲面板块，满足双曲面屋盖的设计要求。

4. 龙骨采用铝合金型材，结构轻巧，耐腐蚀性能优良，幕墙使用寿命长。

5．不同材料接触部位都增设尼了龙隔离垫片，有效防止电位差腐蚀。

三铝板幕墙的支撑体系
由于后屋盖主体部分层间较高，而且竖向混凝土结构梁间距又很大，故沿竖向混凝土结构梁方向每隔三米布置一道钢结构横梁，幕墙主龙骨两端连接在横梁上，这样，缩短了幕墙龙骨的支撑点，改善幕墙主龙骨的受力状态，使其满足强度、刚度等构造要求的同时，减小龙骨断面尺寸，降低幕墙成本。

钢结构横梁为工字钢，表面涂防火漆。

由于双曲壳桁架与铝板幕墙竖向分格对应，幕墙主龙骨可直接与钢桁架连接，横龙骨与主龙骨连接，不必再曾设横向钢结构。

四、铝板幕墙的防水与排水
针对该工程的特殊性，我们提出了以防为主、以排为辅，防排结合的水密新概念。

水密系统由两道三元乙丙胶条、一道硅酮密封胶构成，三道密封结构有效地保证了大剧院铝板屋面的水密性。

深胶密封结构还使得屋面具有自洁功能——既雨水沿板块间沟槽流淌，防止污水污染铝板表面，同时，胶缝内第一道密封胶条除具有防水功能外，还具有防止第二道硅胶吸附灰尘的作用，保证胶缝部位沟槽的清洁。

对于局部微量渗水，幕墙龙骨前端还设计了有效的集水和排水渠道，使得局部微量渗水能够及时有组织地排出幕墙外。

排水渠道由横竖龙骨前端的集水腔构成，局部渗水沿横腔流入连续的竖腔内，经由竖腔排人室外地沟，形成连续可靠三级内排水系统，使得铝板幕墙具有极高的水密性。

五、双曲面铝板板块的成型设计
为了达到双曲壳屋面完美的双曲效果，我们对铝板板块的双曲成型工艺进行了深入研究和探讨，结合该工程的实际，我们提出了双曲面副框成型工艺，这种工艺已经经过实际工程的检验，能够保证双曲壳屋面板块的圆滑过渡。

铝板板块的双曲成型通常采用蒙皮拉伸法，其原理是用机械方法使铝板产生塑性变形，形成固定的双曲面，从而达到双曲板面的效果。

采用这种成型方法的缺点是板块有回弹现象，回弹量又不容易控制，难以达到预定的双曲面效果，而且成本较高，对于每种不同规格板块都要进行单独的模具设计，而大剧院铝板屋面工程板块种类众多，显然采用这种成型方法是很不经济的。

针对该工程的特殊性，结合以往类似实际工程经验，我们采用了双曲面副框成型工艺，该工艺经过我公司施工的苏州体育场双曲面铝板幕墙实际工程的实际检验，其可靠性和实用
性得到了充分的验证，其原理是依靠双曲成型副框，使得柔性依附于副框上的铝板板块形成双曲面效果。

采用这种方法的突出优点是板块成型精度高，无回弹现象，造型圆滑流畅，板块的双曲成型在铝板的弹性变形范围内完成，加工成本低。

经计算机放样计算，双曲铝板板块的拱高平均只有2.6mm，在我公司已施工完成的苏州体育场双曲面铝板幕墙工程中，采用同样的成型方法，双曲板块拱高达9mm,效果非常好，实践证明这种成型方法是切实可行的。

六、铝板幕墙的保温、防火与隔声设计
保温设计：
为了满足建筑的保温性能，在铝板板块后面设置了厚50mm的岩棉保温层，保温层依附于铝板板块内，随铝板板块同时安装。

经计算，50mm的岩棉保温层能够满足该工程的保温要求。

防火设计：
幕墙作为建筑物的外围护结构，是建筑重要组成部分，因此防火设计是非常重要的。

在本工程中，层间设置断火设施（层间封修，且连续整个平面周区）、房间之间在隔墙部分也安装断火设施，与层间封修连成一体，能有效地阻止一旦失火而造成的火势蔓延。

防火性能设计和防火等级大小，是衡量幕墙功能优良与否的一个重要指标。

根据《建筑设计防火规范》中规定：窗间墙的填充材料采用非燃烧材料，如其墙面采用耐火极限不低于1ｈ的非燃烧材料时，其墙内填充材料可采用难燃烧材料。

具体措施如下：
1. 幕墙装饰材料采用难燃或非燃烧体。

2. 每层楼板边缘与幕墙间的缝隙用防火岩棉板填实（50ｍｍ），外加1.5ｍｍ厚镀锌板（表面涂防火漆）封闭，接缝处注防火胶，这样既保温，同时又防止一旦失火，火从缝隙向楼上蔓延，形成自下而上的拔火风道，造成大面积火灾。

3. 幕墙与主体结构的连接件和预埋件外露部分均设在防火保护区内。

采用以上措施，耐火极限能够满足本工程的要求，为消防工作争取了时间，有效地保障人员和财产的安全。

本工程的耐火极限可达2小时。

隔声设计：
针对剧院类建筑的屋面工程，有效的隔声设计是十分必要的。

在本工程的设计过程中，我们采用了以下的设计手段来满足屋面铝板幕墙的隔声要求：
1.铝板采用浮动式安装结构，铝板板块与主龙骨间实现弹性连接，有效防止摩擦噪音（主要由温差变形及层间变位产生）的产生和振动噪音（主要由阵风、暴雨、冰雹等产生）的传递。

2.三道密封结构形成可靠的气密封系统，提高了幕墙的隔声性能。

3.铝板背衬50mm保温棉，与室内隔声板共同形成了有效的隔声层。

七、铝板幕墙的防雷设计
设计原理：幕墙系统形成自身的防雷体系，并与主体结构可靠接地，共同形成防雷体系。

按照《建筑防雷设计规范》要求，建筑物防雷设计，不仅考虑顶层雷击，还要考虑侧向雷击。

由于本工程大面积使用铝板，是重要防雷建筑，因而合理的防雷措施将使外饰面免受雷击，达到安全使用功能。

在本工程的幕墙设计中，每层设一道均压环，在设置均压环的楼层的预埋件与纵向钢筋连接，均压环与幕墙立柱用不锈钢板接通，使均压环范围内的幕墙立柱都接地，形成不大于10×10米防侧雷网络，保证建筑的安全，防止雷电损害。

因为幕墙的每个板块都是独立的，在安装之后，板块间连通不畅，所以，对于幕墙还应采取措施使板块进行连通。

对于本工程，我们将上下、左右相邻板块用不锈钢膨胀节进行连接（通过竖框），使板块在整体上实现导通，从而达到有效防雷的目的。

八、双曲壳屋面的清洁与维护
尽管铝板幕墙具有自清洁功能，但必要的清洁及维护设施也是必要的。

大剧院铝板屋面全部是双曲面，顶部又没有上人屋面，针对这个特点，我们设计了轻型轨道式清洗系统，轨道由导轨和电传动机构组成，沿双曲壳与圆锥玻璃幕墙交线设置，可挂接小型擦窗机或吊索对屋面进行清洗或维护。

在铝板幕墙设计过程中，考虑了屋面检修荷载，完全满足幕墙的清洗维护要求。

九、铝板幕墙的主要性能指标
1.风压变形性能：Ⅰ级 Wk=6.75 KN/m2
2.雨水渗漏性能：Ⅰ级
3.空气渗透性能：Ⅱ级
4.保温性能：Ⅱ级 K=0.78 W/ m2k
5.隔声性能：Ⅱ级 40<Rw≥35dB
6.耐撞击性能：Ⅲ级 280>F≥210 N.m/s
7.平面内变形性能：Ⅱ级 1/100>r≥1/150
第二节圆锥面点式玻璃幕墙的设计
一．点式幕墙基本结构形式
结构形式——钢桁架支撑点式玻璃幕墙系统
玻璃种类——（12 mm +12A+10 mm）（用于大面）及（15 mm +12A+10 mm）（用于局部边缘）中空透明钢化玻璃，局部遮阳处理
支撑体系——鱼腹式钢桁架，表面瓷漆处理。

接驳爪件——国产优质316不锈钢产品。

不锈钢配件—国产优质304不锈钢。

密封形式——进口硅酮密封胶密封。

二、点式幕墙的结构特性
1 采用钢化中空玻璃，保证幕墙的安全性，满足幕墙保温要求。

2．鱼腹式钢结构，简单明快，现代感教强。

3．玻璃局部彩釉处理，满足幕墙的遮阳要求。

4．驳接头可实现自由转动，改善局部受力状态，减少玻璃碎裂因素。

5. 采用圆弧玻璃，保证圆锥曲面过度圆滑，外视效果好。

三、玻璃幕墙的支撑体系
根据招标文件的要求，我们增加了圆锥斜面点式玻璃幕墙支撑钢桁架数目，使之与后屋架数目对应。

同时，对该部位玻璃分格尺寸做了必要的调整，以保证内外视觉的美观性，并满足构造要求。

鱼腹式钢桁架下端铰接与钢结构立柱上，上端与三角主桁架间的连接采用滑动铰支座，以减小相互之间的影响，保证主桁架只受前屋架的自重及竖向荷载，而不受水平荷载的影响。

四、幕墙表面的清洁与维护
由于玻璃幕墙与双曲壳屋面临界，可共用一套清洗系统。

幕墙设计过程中，我们考虑了幕墙表面的检修荷载，可以满足幕墙的清洗维护要求。

五、幕墙主要性能参数
1.风压变形性能：Ⅲ级 Wk=3.02 KN/m2
2.雨水渗漏性能：Ⅲ级
3.空气渗透性能：Ⅱ级
4.保温性能：Ⅳ级 K>2.0 W/ m2k
5.隔声性能：Ⅲ级 35>Rw≥30dB
6.耐撞击性能：Ⅲ级 280>F≥210 N.m/s
第三节倒圆台点式玻璃幕墙的设计
一．点式幕墙基本结构形式
结构形式——钢拉杆支撑点式玻璃幕墙系统
玻璃种类——（15 mm +12A+10 mm）（用于局部边缘）及（12 mm +12A+10 mm）（用于大面）中空透明钢化玻璃
支撑体系——不锈钢拉杆体系。

接驳爪件——国产优质316不锈钢产品。

不锈钢配件—国产优质304不锈钢。

密封形式——进口硅酮密封胶密封。

二、点式幕墙的结构特性
1 采用钢化中空玻璃，保证幕墙的安全性，满足幕墙保温要求。

2．拉杆式钢结构，简单明快，现代感教强。

3．层间设置防火玻璃隔层，并注防火胶密封，满足层间防火、隔声要求。

4.驳接头可实现自由转动，改善局部受力状态，减少玻璃碎裂因素。

5. 采用圆弧玻璃，保证圆锥曲面过度圆滑，外视效果好。

三、玻璃幕墙的防火设计
为了满足幕墙的层间防火要求，上下层间部位设置了防火玻璃，保证通透性的同时，满足建筑防火要求。

四、幕墙的主性能参数
1.风压变形性能：Ⅳ级 Wk=
2.138 KN/m2
2.雨水渗漏性能：Ⅲ级
3.空气渗透性能：Ⅱ级
4.保温性能：Ⅳ级 K>2.0 W/ m2k
5.隔声性能：Ⅲ级 35>Rw≥30dB
6.耐撞击性能：Ⅲ级 280>F≥210 N.m/s
第四节主入口垂直面点式玻璃幕墙的设计
一．点式幕墙基本结构形式
结构形式——自平衡支撑体系点接驳式玻璃幕墙
玻璃种类——（12 mm +12A+10 mm）中空透明钢化玻璃。

支撑体系——钢立柱及不锈钢拉杆组合体系。

接驳爪件——国产优质316不锈钢产品。

不锈钢配件—国产优质304不锈钢。

密封形式——进口硅酮密封胶密封。

二、点式幕墙的结构特性
1 采用钢化中空玻璃，保证幕墙的安全性，满足幕墙保温要求。

2．拉杆式钢结构，简单明快，现代感教强。

3．自平衡支撑体系，结构轻巧、现代，通透性好。

4.驳接头可实现自由转动，改善局部受力状态，减少玻璃碎裂因素。

三、幕墙的主性能参数
1.风压变形性能：Ⅳ级
2.雨水渗漏性能：Ⅲ级
3.空气渗透性能：Ⅱ级
4.保温性能：Ⅳ级 K>2.0 W/ m2k
5.隔声性能：Ⅲ级 35>Rw≥30dB
6.耐撞击性能：Ⅲ级 280>F≥210 N.m/s
第五节隐框中空玻璃固定窗的设计
基本结构：结构形式——隐框幕墙系统
玻璃形式——6mm浅灰色（LOW—E）钢化玻璃+12A+6mm透明浮法玻璃
铝合金型材—银白色阳极氧化铝合金型材
开启形式——内倾窗，进口开启附件，三元乙丙胶条密封
结构特性：
♦幕墙采用定距压紧定位安装式结构，保证了板块表面平整度，避免了由于
压紧力不均而造成的玻璃爆裂现象。

♦横梁与竖梁的连接采用可伸缩结构，安装EPDM模压胶条，满足了横梁因温差作用而产生的伸缩效应，消除了幕墙的伸缩噪音，提高了幕墙的抗震变位能力。

♦压板-附框连接方式，保证了浮动式连接，满足了幕墙各种变位要求，避免了因结构变位造成的板面破损；螺栓连接方式，强度高、安全性好。

♦所有硬性接触处，均采用弹性连接，提高了幕墙的抗震性能，消除了伸缩噪声，同时由于密封性能的提高，保证了帷幕的隔音效果。

♦不同金属的接触面都使用尼龙垫片以防止电化腐蚀。

♦转角部位为连续玻璃结构，外视效果好。

♦利用等压原理和双道密封保证幕墙的水密性和气密性。

♦幕墙和主体之间实现三维调整，既保证幕墙的平面度和垂直度，又提高结构抗震性能。

♦玻璃下部加设托板承受自身重力作用，避免结构胶长期受剪，从而保证强度。

♦开启扇采用三道胶条密封，利用等压腔原理排水，水密、气密性好。

安装简单、更换方便。

采用进口高档，附件使用寿命长，安全可靠，内视效果好。

三、幕墙的主性能参数
1.风压变形性能：Ⅳ级 Wk=
2.134 KN/ m2
2.雨水渗漏性能：Ⅲ级
3.空气渗透性能：Ⅱ级
4.保温性能：Ⅲ级 2.0>K>1.5 W/ m2k
5.隔声性能：Ⅱ级 40>Rw≥35dB
6.耐撞击性能：Ⅲ级 280>F≥210 N.m/s
第六节玻璃雨蓬的设计
一、雨蓬的结构形式
结构形式——钢结构支撑、点接驳式玻璃雨蓬
玻璃形式—— 12mm+1.52PVB+10 mm透明浮法钢化玻璃
接驳件——国产优质点式幕墙专用不锈钢驳接件
支撑结构——轻钢结构，表面白色瓷漆处理。

二、雨蓬的结构特性：
1．玻璃采用钢化夹层玻璃，强度高，安全性好。

2．轻钢结构体系，轻巧、现代。

3．驳接头可实现自由转动，改善局部受力状态，减少玻璃碎裂因素
三、雨蓬排水系统设计
由于雨蓬与圆锥面玻璃幕墙相连接在一起，圆锥面玻璃幕墙的雨水大部分排入雨蓬的排水槽内，排水量巨大，因而雨蓬的排水系统设计十分重要。

传统的屋面排水方法一般为自然排泻法，依靠水的重力和落差排泄，雨水在排水管道内形成重力流，雨水阻力较大，排泄缓慢，对于该工程不实用，故本方案采用目前较先进的屋面排水方法——UV虹吸排水系统。

UV系统一虹吸屋面雨水系统介绍：
利用虹吸原理进行屋面排水设计已经成为一项得到赞誉的技术。

UV系统在欧洲应用已经有30多年的历史，目前在我国已经得到广泛应用。

虹吸系统包括特制的屋面雨水斗和根据降雨量设计的满管流排水管道系统。

自从UV排水系统在1968年发明以来，使用UV系统实现屋面排水的屋面已经超过6千万平方米。

第一个UV系统（1968年发明）提供了屋面排水技术的突破，它在雨水斗周围的水深达到一定高度时，可以避免空气通过雨水斗进入排水管内，同时，运用相应的设计理论，可以用来进行精确的满管流排水系统的设计，这项技术对于建筑界的贡献是很明显的。

UV系统从70年代早期开始，迅速在斯堪的那维亚地区得到推广，如、爱立信、伊莱克斯、萨博、沃尔等都使用了这项新型技术。

同时UV系统逐渐推广到欧洲的其他地区，并由于协会于1986年在机场使用这项技术而在英国得到了更多的重视。

UV系统的基本设计概念得到了持续发展，现在UV 雨水斗和设计技术是30多年系统发、研究和不断试验和结果。

在UV 系统发明后的数年间，许多国家的国家标准委员会、当地权威机构和独立认证部门已经核实和认可了UV系统技术和雨水斗，例如英国建筑委员会在1988年授予UV系统BBA证书。

在设计的降雨量达到时，UV系统中所有管都呈现为满管流动，管道中的压力分布与传统的排水系统也许多不同。

由于屋面雨水斗与地面排水井的全部高度差距得到充分利用，因而排水管道的直径大量减小。

与重力排水系统比较，管道中的水流量一直非常大。

UV系统利用建筑高度为水力头，充分考虑管道中的水力学损失，尽可能地减小管道直径，以将屋面的雨水排入雨水井。

并通过调节垂直尾直尾管和水平集水管的结构和长度来实现水力学平衡。

管道中的压力与大气压不同，对于管道的正压并没有限制，然而，对于负压必须考虑蒸发压力——即气蚀问题。

因而管道内的压力必须保持在UV系统所在地区的蒸发压力以上。

当降雨量达到设计量时，UV系统雨水斗能够防止空气进入排水管道。

从1968年到现在，已经有10种不同型号的UV雨水斗，最大排水能力从0到100升/秒。

重力排水雨水斗与UV系统雨水斗间主要的区别在于雨水斗中设置了空气挡板。

UV系统雨水斗的空气挡板是叠型的，没有透孔。

屋面结合部件、防水层和树叶位置的设计都遵从常规思想。

雨水斗体、空气挡板与出水口的直径组合是在任何水流情况下获得稳定功能的保证，这种组合从理论上很难进行优化设计，大量的试验和总结必须的。

虹吸系统中的管道应满足国家规范并能抵抗正、负压力的管道系统均可以用于UV系统排水管道。

比如、铜管和铸铁管部都大量成功地用于UV系统。

不同的塑料管道具有不同的抵抗负压的能力，材料品质、壁厚和管道直径的区别决定了这种能力。

管道系统一般根据工程实际情况进行选择，需要综合考虑适用性、排水能力、耐用性、刚性、防火性、噪音、绝缘、造价和安装费用等等因素。

UV系统的安装没有特别的要求。

安装压力管道的经验可以用于UV系统安装，如供水系统。

但有一个前提要求，即安装必须严格根据设计图纸（管道的长度和直径）仔细进行。

与建筑中其他先进的系统一样，UV的优点必须通过仔细的施工计划和设计过程才能获得。

优点包括：
1. 屋面雨水斗布置灵活
2. 管道走向可以根据需要设置
3. 水平集水管没有坡度管道直径小
4. 由于管道直径和总长度小带来管道成本和安装费用减低
5. 地面不需设置排水渠从而节省工程费用
6. 管道更换和路径更改容易实现
7. 在设计的降雨量下，可以控制屋成的水深
UV系统并不是建立在神秘的公式或原理上。

所有技术都是广为人知的，并满足水力学原理。

可以根据UV系统技术手册获得UV系统设计的思想，这本手册编写了我与先生从1968年以来在UV系统应用方面获得的所有经验。

UV系统在全世界大量的设计和安装使我们相信，尽管传统的屋面排水方案已经应用多个世纪，但他们现在正在许多现代建筑项目中被满管排水系统所替代。

现代建筑的复杂性，以及建筑界与工程界提出的严格要求，常常使得落后于现代先进建筑科技的传统屋面排水方案不具有可行性。

英国标准中，对屋面排水设计有五类要求，其中第五类应用在对安全性要求最高的建筑。

代表UV系统的任何公司和个人都遵循原则，所有设计必须达到第五类的要求，并且UV系统的公司和个人都遵循原则，所有设计必须达到第五类的要求，并且用户不为此支付额外费用或额外费用尽量低。

UV系统技术手册清楚地表明，这可以容易的获得。

——UV系统代表了今日屋面排水领域的尖端技术——
四．防结露设计
幕墙玻璃采用中空（LOW-E）玻璃，保温隔热性能好，经计算无结露产生（结露计算见计算书）。