重庆国际博览中心铝合金屋面深化设计方法研究

李建华

【摘要】重庆国际博览中心铝合金屋面结构有覆盖面积大、杆件及连接节点数量多、分布范围广、杆件连接节点精度要求高等特点。如何即精确又高效的进行大面积的杆件和节点深化图设计是保证工程质量和进度的关键步骤，本文根据铝合金屋面网格布置和屋面造型的规律，研究总结了此类特点工程的深化设计方法。

【关键词】铝合金屋面；波浪状曲面；“孔群”；参数化列表；几何设计方法

一．工程概况

重庆国际博览中心位于重庆市渝北区悦来镇阳光社，整体建筑外形为一展翅欲飞的蝴蝶（图1），东西宽约800m，南北长约1500m，总占地约1.30k㎡。展馆区分为南、北两个呈对称分布。每个展管区由登录厅、8个单体展馆、馆间连接体及观众连廊等展览附属功能用房组成；每个主展馆平面尺寸约为181X109.2米（轴线尺寸）。主展馆均为单层建筑，局部设二层机房夹层。16个展馆中4个为综合馆，12个普通馆，综合馆室内高（至屋架下弦中线）16.25米，普通馆室内高12.80米；南、北两个展馆区的登录厅、16个单体展馆及馆间连接体等在±0.00以下结构连为整体，±0.00以上各单体之间设防震缝分开形成独立的结构单元。

图1重庆国际博览中心整体平面图

二．屋面优化设计

2.1屋面网格布置优化调整。

原设计铝合金屋面网格划分方案是在水平投影面上进行2400x2600(绿色通道2250x2250)的网格划分。由于铝合金屋面为起伏不平的波浪状曲面，导致铝合金杆件长度长短不一。由于本工程杆件数量多，分布广的特点，为了有利于工厂加工和现场的施工，节约施工成本和缩短工期，我们在深化设计时对屋面网格划分进行优化调整，使屋面网格的实际长度为2400x2600(绿色通道2250x2250),从而使大部分区域的杆件实际长度统一，大大减少了杆件种类，提高生产效率。

2.2生态包结构优化设计

原设计铝合金屋面生态包结构为双层结构，下层生态包屋面弯曲弧度大且上下层屋面之间的连接节点非常复杂，无法满足铝合金屋面安装工艺和铝合金杆件的加工工艺，对工程的加工工期和工程造价都很不利。因此在深化设计的过程中，通过对铝合金屋面结构形式的分析和与原设计方的讨论协商，在不影响结构受力和原建筑形态的前提下，我们将生态包的下层弧面取消，仅保留生态包上层的阶梯状屋顶结构，通过下部树状柱结构直接支撑生态包阶梯状屋顶（图2-a原设计方案生态包双层屋面构造）（图2-b现设计方案生态包单层屋面构造）。

图2生态包阶梯状屋顶设计对比

三．铝合金杆件及节点深化设计重、难点分析

铝合金屋面结构由2400x2600(绿色通道2250x2250)的直角三角形网格组成，组成网格的杆件为H300X150X8X10（直杆）和H300X150X6X10（斜杆）的工字铝，杆件之间通过环槽铆钉由铝合金圆盘节点连接。本工程深化设计的重点和难点就在数量庞大的铝合金杆件和连接铝合金杆件的圆盘节点设计。

四．铝合金杆件深化设计

根据铝合金连接节点形式，使六个杆件交于一个节点而杆件之间互不相碰，杆件端部必须加工成尖锥型。根据节点等强连接设计原理，杆件与圆盘连接上下翼缘需各设置12个M9.66的环槽铆钉，将环槽铆钉布置在圆盘与杆件连接的范围内。由于本工程屋面网格线为铝合金上翼缘中心线，根据铝合金连接节点形式，屋面网格长度已经归并统一，减少了杆件的种类而增加了同一种杆件的数量。

五．铝合金圆盘节点深化设计

铝合金圆盘通过环槽铆钉与杆件连接，在杆件上的环槽铆钉位置已经设置好的前提下，铝合金圆盘上与单独一个杆件连接的12个孔位的相对位置也固定不变，我们称这12个孔为一组“孔群”。“孔群”的相对位置分为“孔群”中心线间的夹角θ1~θ6和“孔群”至圆盘中心的距离L1~L6。如图3。

图3“孔群”的相对位置

5.1“孔群”中心线间的夹角

根据本工程铝合金屋面分格的特点，可先将屋面网格线的夹角测量出，并对数据进行分析比较，发现标准节点处大部分屋面分格线的相对夹角都相等，因此在对“孔群”中心线夹角的参数统计时，可将屋面分割线夹角相等的圆盘节点进行归并，大大提高深化设计和工厂加工以及现场安装的工作效率5.2“孔群”至圆盘中心的距离

由于与上翼缘连接的上圆盘的中心就是屋面网格线的交点，根据铝合金杆件端部的尺寸和环槽铆钉的布置形式，上圆盘每个“孔群”至圆盘中心的距离LS都是一个固定的值。铝合金屋面呈波浪状的曲面，因此在每一个铝合金连接节点处的六根杆件均不处于同一平面内，我们将上圆盘“孔群”至圆盘中心的距离为一个定值，“孔群”中心线相对夹角又大部分相等，设计下圆盘“孔群”定位的参数，是铝合金圆盘节点深化设计的重点。

六．铝合金圆盘参数设计的几何设计方法

由于本工程铝合金屋面造型为曲面，在每一个节点处，连接铝合金杆件的圆盘表面都应该沿着曲面方向布置，因此节点处的圆盘表面与相应位置的屋面法线垂直。铝合金杆件的安装方向是每两个节点的连线方向且铝合金杆件的翼缘面与圆盘面重叠。铝合金杆件中心线与节点处屋面法线的夹角α是决定“孔群”至圆盘中心距离L的决定性参数。将不同方向的6根铝合金杆件中心线与屋面法线的夹角分别定义为α1～α6，将圆盘上的6组“孔群”至圆盘中心的距离参数根据方向的不同分别定义为L1~L6，参数L1～L6与α1～α6的几何关系为：

L1～6=L0-Lf

Lf=H*tg(90-α1～6)

L0——上圆盘孔群至圆盘中心的距离

H——铝合金杆件高度

α1～6——铝合金杆件中心线与屋面法线的夹角

根据这种几何关系，在圆盘节点深化设计时，只要量出每个节点处不同方向杆件中心线与屋面法线的夹角数值，通过电子表格的公式计算，即可自动得出相应位置“孔群”至圆盘中心点的距离参数通过上述几何设计方法来进行圆盘参数设计，提高了圆盘参数的精度。

七．铝合金圆盘支撑件的设置

标准铝合金圆盘节点在6个方向上都与铝合金杆件连接，在其它两个方向没有连接铝合金杆件。由于铝合金圆盘厚度只有10mm，且铝合金材质在平面外的稳定性很弱，铝合金圆盘节点在使用过程中的受力状态比较复杂，铝合金圆盘在没有铝合金杆件支撑的范围内容易局部失稳，因此在铝合金圆盘节点没有杆件连接的方向，上下圆盘之间设置铝合金支撑件来增加圆盘的刚度，防止圆盘局部失稳，铝合金圆盘支撑件是用与铝合金杆件规格一样的工字铝加工而成，铝合金支撑件与上下圆盘各用4颗环槽铆钉连接。

八．屋面边缘处特殊节点的设计

在铝合金屋面边缘和屋面开孔处，屋面网格不是标准的直角三角形分格。在这些非标准分格上的节点，杆件之间的角度过小，如果按照常规的方法布置杆件，杆件之间必然要相互碰撞，杆件无法安装。通过杆件与圆盘的偏心连接，避免杆件之间的碰撞。此类圆盘上的“孔群”定位则需要单独标注出来，孔群与圆盘中心的位置关系的参数还可以运用上述几何设计方法得出。

九．总结

重庆国际博览中心铝合金屋面工程是迄今为止全国乃至全球面积最大的铝合金单体建筑，工程中使用的杆件，节点和环槽铆钉数量的庞大也是前所未有的。如何解决数量庞大的杆件和节点的深化图纸的绘制，使深化设计及时的指导工厂从材料采购到构件加工，满足现场的安装进度，保证工程的工期和质量，是这类工程的深化设计需要解决的难题。本文总结了本工程在深化设计中采用的参数化列表和几何设计方法，为今后此类工程的深化设计工作提供了参考。