1.工程概況
蕪湖文化藝術中心位于蕪湖市黃山西路，緊鄰長江沿岸，由文化中心、藝術中心兩個單體建筑以及配套商業設施構成，文化中心建筑標高31.6米，藝術中心建筑標高21.5米。文化中心造型如同一枚開啟的貝殼，飽滿而豐盈，而位于其北面的藝術中心則取形于一枚完整貝殼，體型豐盈剔透、順勢而臥，以貝殼孕育珍珠來寓意蕪湖城市依江發展的勃勃生機和璀璨前景，為蕪湖市標志性建筑。
蕪湖文化藝術中心工程二層及以下為一個結構整體、二層以上為文化中心、藝術中心二個獨立的結構單元，設一層地下室。文化中心、藝術中心地上四層，采用全現澆鋼筋混凝土框架結構，屋面采用支撐于鋼筋混凝土主體結構上的異型空間鋼結構。
首層商業采用框架結構鋁合金中空玻璃幕墻(局部采用點式玻璃幕墻);二層以上采用鋼鋁（詞條“鋁”由行業大百科提供）組合結構曲面玻璃采光天窗（詞條“天窗”由行業大百科提供）及弧形鋁合金遮陽百葉;屋面系統采用雙層金屬屋面，外層屋面為15mm厚氟碳噴涂鋁合金蜂窩板，內層屋面除采用0.9mm厚原色錘紋鋁合金板直立鎖邊系統。
蕪湖文化中心和藝術中心外形為被垂直曲面切割（詞條“切割”由行業大百科提供）的球面體，設計與施工難度很大，必須結合工程實際情況，采取適應本工程的異形幕墻和金屬屋面結構設計和施工工藝才能控制好建筑造型，實現建筑效果。
2. 蕪湖文化中心異型金屬屋面的設計
2.1蕪湖文化中心金屬屋面系統的構造設計
蕪湖文化中心金屬屋面系統構造層典型節點（詞條“節點”由行業大百科提供）如圖2.1.1-2.1.2所示。
2.2文化中心屋面主體鋼結構設計
文化中心屋面主體鋼結構采用支撐于鋼筋混凝土主體結構上的異型空間鋼結構，其外形非常復雜。本工程采用BIM技術指導異型空間鋼結構的設計、測量放線、構件加工及現場安裝全過程。利用專用軟件進行三維建模，確定異型空間鋼結構各定位點和鋼構件尺寸，對鋼構件進行編碼，再按編碼部件虛擬裝配出異型空間鋼結構整體模型，實現虛擬裝配和施工模擬，并依此對異型空間鋼結構安裝施工作業流程予以優化。結合BIM技術制定異型空間鋼結構的測量、定位放線和安裝控制專項方案，利用全站儀、激光經緯儀、光學水準儀等先進的測量工具，實行異型空間鋼結構工程全程測控和安裝偏差控制。利用鋼結構建筑信息子模型將異型空間鋼結構的構件模型尺寸轉換為加工尺寸數據，并將數據輸入加工設備進行構件加工，然后在工廠按照鋼結構建筑信息子模型指導模擬現場實際進行構件預拼裝，復核無誤后再運到現場安裝。(文化中心異型空間鋼結構網架如圖2.2.1-2.2.6所示)。
2.3文化中心內層屋面檁條與主體鋼結構網架的連接設計
根據內層屋面檁條與網殼連接設計需求，網架上弦每個連接球頂部及網架周邊連接球底部均設置檁托支座。鋼結構網架支托(檁托)的安裝精度是確保屋面整體外形尺寸的關鍵，網架支托采用Q235B鋼材機械加工制作，在主體鋼結構網架安裝完成后，利用全站儀對每個網架支托點進行空間位置測量，并利用測得的空間三維數據重新建立三維模型，并與原設計三維模型對照，確定每個網架支托安裝的長度尺寸(如圖2.3.1所示)。通過調節網架支托旋入網架球體的尺寸，可以吸收由于主體鋼結構網架產生的部分偏差。
內層屋面的主龍骨(主檁條)采用140x80x5矩形鋼管，縱向布置@2800，安裝在網架支托上。內層屋面的次檁托采用60x60x3方鋼管，次龍骨(主檁條)采用120x60x3矩形鋼管，橫向布置@1210，為確保內層屋面安裝后的外形尺寸，在安裝次龍骨時必須將結構偏差調節到設計允許偏差范圍內(如圖2.3.2所示)。
內層屋面的底層防水鍍鋅鋼板采用0.8㎜厚YX-820型鍍鋅壓型鋼板，可解決屋面伸縮變形的問題，又為安裝人員提供了安全可靠的踏板，應避免施工時損壞底層鋼板(如圖2.3.3-2.3.4所示)。
2.4文化中心屋面防潮、防結露（詞條“結露”由行業大百科提供）、節能及隔聲功能的設計
2.4.1防潮、防結露設計：本工程在內層屋面次龍骨上鋪設一道30x30x0.8鍍鋅鋼絲網，在鋼絲網上鋪設一層PE防水透汽膜，然后再鋪設150㎜厚單面鋁箔玻璃棉， (如圖2.4.1所示)。
PE防水透氣膜由三層構成(PP紡粘無紡布+PE高分子透氣膜+PP紡粘無紡布)，紡粘無紡布的作用主要是增強拉力和靜水壓及保護中間層(PE高分子透氣膜)。【PE防水透氣膜原理】在水汽的狀態下，水顆粒非常細小，根據毛細運動的原理，可以順利滲透到毛細管到另一側，從而發生透汽現象。當水汽冷凝變成水珠后，顆粒變大，由于水珠表面張力的作用(水分子之間互相“拉扯抗衡”)，水分子就不能順利脫離水珠滲透到另一側，也就是防止了水的滲透發生，使透汽膜有了防水的功能。
PE防水透氣膜的施工鋪設應沿著屋面的順水方向，搭接長度為10cm，內層屋面的鋁合金T型支座穿過防水透氣膜時，在鋁合金T型支座與防水透氣膜交接處，用丁基膠帶環繞一圈進行密封。此外，防水透氣膜不宜長期暴露在紫外線下，應盡快施工完成。
在冬季蕪湖地區金屬屋面的室內外溫差較大，在內層屋面結構設計中應注意冷橋的處理，支撐內層金屬屋面板的鋁合金T型支座采用隔熱墊;在玻璃棉底部鋪設一層PE防水透汽膜，室內的水汽可以有效通過防水透氣膜排出室外，又可防止冷凝水通過PE防水透汽膜滲透到室內;外層的金屬屋面采用開放式結構，可將內層與外層屋面間的水汽排出室外，避免金屬屋面發生結露現象。
2.4.2節能設計：本工程保溫層（詞條“保溫層”由行業大百科提供）采用150㎜厚歐文斯科寧超細玻璃棉(A級防火、單面鋁箔，容重為20㎏/㎡，導熱系數為0.038W/m.k，憎水率>98% )，金屬屋面的熱工性能滿足建筑節能設計要求。
玻璃棉是由高速離心設備將高溫熔融玻璃制成無機纖維，再添加入防塵油和特制粘接劑，通過專用設備制作成棉絮狀細纖維，纖維和纖維之間為立體交叉，互相纏繞在一起，呈現出許多細小的間隙，最后固化定型。玻璃棉除具有成型好、體積密度小、導熱系數彽、保溫絕熱的特點，還具有如下特點：
抗潮濕性能：經測試，玻璃棉的憎水率>98% ，玻璃棉浸濕經干燥后其保溫性能可完全恢復。
防火性能：根據中國國家標準GB50016，經檢測,歐文斯科寧超細玻璃棉不燃性(A級)合格。
耐腐蝕性能：玻璃棉是一種無機纖維，化學性能穩定、不會與鋼材間發生電化學腐蝕（詞條“化學腐蝕”由行業大百科提供）。
隔聲性能：玻璃棉可視為多孔材料，隔聲吸音性能良好。
環保性能：玻璃棉的纖維平均直徑為 4.0-6.0μm，不含渣球，對人體皮膚的刺激性較小。
2.4.3隔聲吸音設計：文化中心金屬屋面的空氣層隔聲性能，主要是通過雙層金屬屋面板(內設空氣層，0.8mm厚底層壓型鋼板、150㎜厚玻璃棉、內層屋面0.9mm厚原色錘紋鋁合金板和外層屋面15mm厚鋁合金蜂窩板等隔聲層)實現的，鋁合金蜂窩板和玻璃棉都是很好的隔聲吸音材料。經測試本工程金屬屋面的隔聲吸音性能達到了設計要求，而且在風雨天氣，當雨水敲擊金屬屋面時不會對室內產生雨噪聲影響。
本工程文化藝術中心劇場主要用于歌劇、戲劇等演出，也可用于各種音樂演出、大型會議等，需要滿足多用途使用要求。為加強劇場觀眾廳與主舞臺上空的金屬屋面的隔聲吸音效果，在內層屋面底層壓型鋼板與保溫玻璃棉之間加設了一層12㎜厚石膏板（詞條“石膏板”由行業大百科提供）。通過聲學分析及計算機模擬，劇場總體具備良好的聲學條件，有較高的語言清晰度，聲場分布均勻。從測試結果看，劇場混響時間與設計值相一致，清晰度指數較高。
2.5內層屋面板的設計
內層屋面系統的最重要也是最基本的功能是防水，本工程底層硬質防水鍍鋅鋼板采用0.8㎜厚YX-820型鍍鋅壓型鋼板，內層屋面板采用(0.9mm厚原色錘紋鋁合金板)直立鎖邊結構(如圖2.5所示)，通過雙層防水方案來確保內層屋面系統的防水功能。
2.5.1內層屋面板采用強度（詞條“強度”由行業大百科提供）高且防腐蝕性能好的0.9mm厚原色錘紋鋁鎂錳合金板(合金狀態為H44，合金成分為AA3004，抗拉強度≥180MPa，屈服強度≥150MPa，金屬延伸率（詞條“延伸率”由行業大百科提供）≥4%)。
本工程金屬屋面為雙向彎曲，跨度大，鋁鎂錳合金板的彈性模量小，適用于雙向彎曲屋面。直立鎖邊屋面板的板肋直立(板肋高度65mm)，使得其有效排水截面大于普通板型，更能確保屋面坡度平緩情況的防水功能，在板中間沿縱向間距100mm布置的小圓弧型加強筋，使得直立鎖邊屋面板具有較強的強度及剛度。
內層直立鎖邊屋面板采用縱向通長無搭接(文化中心屋面板最大長度78米)、橫向(即板寬方向)360°咬合式搭接。本工程將大型可移動加工中心（詞條“加工中心”由行業大百科提供）(由數控壓板機和彎弧機組成)運抵施工現場，在施工現場完成這種超長的直立鎖邊鋁屋面板的制作加工。針對這種超長的直立鎖邊鋁鎂錳合金板，制定專門的吊裝方案，制作專用的鋼結構吊裝桁架，將加工完成的直立鎖邊鋁鎂錳合金板捆綁在鋼結構吊裝桁架的底部，通過現場塔吊將其吊裝到屋面的安裝位置。(如圖2.5.1.1所示)。
內層直立鎖邊屋面板的安裝固定（詞條“固定”由行業大百科提供），首先將鋁合金T型支座用高強度不銹鋼螺釘固定在次龍骨上，再將內層屋面鋁板扣在T型支座梅花頭上，最后通過電動鎖邊縫合專用設備將公邊與母邊緊密搭接咬合在一起并緊緊扣住T型支座梅花頭。屋面板采用直立鎖邊固定方式，從構造上杜絕了傳統采用螺釘穿透固定方法產生的滲漏水隱患。(如圖2.5.1.2-2.5.1.3所示)。
內層直立鎖邊屋面板還具有防毛細水的構造功能。板肋公邊頂部的一道斷水凹槽在咬合后形成的空腔擴大了板肋的縫隙，能夠防止毛細現象的產生，可避免雨水因毛細作用進入內層屋面，內層直立鎖邊屋面板構造具有良好的防水功能。
內層直立鎖邊屋面板的折邊和板肋空隙可以吸收由于屋面主體鋼結構網架的不均勻沉降和內層金屬屋面因熱漲冷縮產生的橫向變形，橫向每塊400mm寬的屋面鋁板可調節5mm，整體屋面完全可以吸收屋面結構垂直方向和橫向位移變形。直立鎖邊屋面板是通過咬合固定在T型支座梅花頭上，內層屋面板沿縱向可以沿支座自由滑動，使得在縱向內層屋面板有足夠的撓度吸收由于屋面主體鋼結構網架的沉降和因熱漲冷縮產生的豎向變形。
2.5.2 T型支座采用183#高強度鋁合金支座(帶隔熱墊)，為防止內層屋面板在T型支座上滑動時被支座劃傷，將T型支座梅花頭的上端設計成圓弧形，T型支座的間距以及連接不銹鋼螺釘的數目需根據結構計算確定。
T型支座底部設計有絕緣隔熱墊片，采用具有足夠強度及抗老化性能的聚酰氨材料制作，既可以防止鋁合金支座與鋼檁條間產生電化學腐蝕，又可以有效降低內層金屬屋面的噪聲和熱傳導。
在T型支座的隔熱墊底部粘附一定厚度的丁基膠帶，對T型支座螺釘孔有很好的防水密封作用。
2.6外層屋面板的設計
本工程外層屋面飾面板采用15mm厚氟碳噴涂鋁合金蜂窩板(外層屋面板布置如圖2.6所示)，整個外層屋面由扇形板和異形板組合成一枚開啟的貝殼造型，屋脊中心環由8塊半徑R1400mm的弧面扇形板組成，其余每圈環等距增加2800mm，屋面檐口周圈設置有排水天溝。
2.6.1外層屋面的轉接鋼龍骨采用60x40x4矩形鋼管@1230，通過鋁合金專用卡子和連接鋼件安裝固定在內層屋面板的直立板肋上(與T型支座位置對應)，外層環形鋼龍骨采用60x40x4矩形鋼管彎制，通過連接鋼件安裝固定在轉接鋼龍骨上，連接鋼件設計成三維空間可調節方式，通過調節保證整個外層屋面的曲面平滑過渡和流暢(如圖2.6.1所示)。
2.6.2外層屋面的板縫采用開放式構造，可降低屋面清洗維護的成本，不存在硅酮密封膠老化污染問題，有利于屋面的長期清潔。屋面采用內外兼顧的排水方式，降雨時，大量的雨水沿著屋面坡度順排到底部屋檐排水溝，由板縫間隙進入到內層屋面的少量雨水，則沿內層直立鎖邊屋面板順排到底部屋檐排水溝，不會在內、外層屋面產生積水。雨過天晴，在陽光照射下金屬屋面的表面溫度會迅速上升，開放式板縫構造有利于內、外層屋面間的空氣與外部流動交換，既可將內層的濕熱空氣迅速排出，又可有效地降低屋面板的表面溫度，起到一定的節能環保作用。(如圖2.6.2所示)。
2.6.3屋面排水天溝采用(316級)2mm厚不銹鋼板制作，采用虹吸排水系統有組織排水，排水天溝還設置有溢流口，可防止遭受特大暴雨時屋面不會發生倒灌積水現象。虹吸式屋面雨水排水系統和溢流口的的總排水能力，按不小于設計重現期為50年、降雨歷時5min的設計雨水流量。根據屋面匯水面積的設計排水流量計算確定不銹鋼排水天溝的過水截面尺寸為450mm寬X280mm高，不銹鋼排水天溝設置多組獨立分區的排水系統，每隔18米設置一道50mm寬伸縮縫，以吸收因溫度變化和結構沉降等產生的位移。每個獨立分區的排水系統設置兩個虹吸式雨水斗，雨水斗設置在天溝的最低點。在不銹鋼排水天溝的兩側和底部填充50mm厚保溫玻璃棉，在不銹鋼排水天溝槽內側涂防水油膏并滿鋪防水卷材，以降低排水天溝雨水噪聲。屋面雨水排水系統形成虹吸時因排水管道中水流流速較大，會發生振動，產生噪音，排水系統采取加密固定點的防振、防噪措施。每年定期進行系統的檢查和維護，及時清除金屬屋面、排水天溝、溢流口、雨水斗和管道中的樹葉、污泥等雜質，確保虹吸式屋面雨水排水系統在暴雨來臨時能正常發揮功能。(如圖2.6.3.1-2.6.3.3所示)。 18
2.6.4金屬屋面系統的防雷設計：蕪湖文化藝術中心屬于特別重要的建筑物，幕墻按第二類防雷建筑物設計。根據國家《建筑防雷設計規范》(GB50057)4.1.4條的相關規定，金屬板下無易燃物，板厚≥0.5 mm時，屋面板可作為接閃器(除第一類防雷建筑物)，本工程外層屋面板采用15mm厚氟碳噴涂鋁合金蜂窩板，鋁合金蜂窩板的正面和背面鋁合金板的厚度均為1mm厚，鋁合金蜂窩板屋面可直接作為接閃器，因此只需在必要位置與屋面主體鋼結構網架的防雷體系可靠連接，并確保導電暢通。
具體防雷做法是將每個單元鋁副框一個角下面一段彈性墊更換成鋁合金墊片，構成有效的防雷引下導通點，將接觸表面的鋁板或鋁型材去除氧化膜保護層，直立鎖邊鋁合金專用卡子與卡子轉接鋼件通過防雷組件(接線端子、銅編織帶)連接構成有效的防雷引下導通點，內層屋面的防雷做法是采用防雷組件(接線端子、銅編織帶)(上側與鋁合金T型支座連接，下側與次鋼龍骨連接 )，構成有效的防雷引下導通點，形成外層金屬屋面板→外層屋面鋼骨架→內層金屬屋面板→鋁合金T型支座→鋼檁條→屋面主體鋼結構的可靠導通電路，屋面每個防雷引下導通點的間距不大于8m(防雷做法如圖2.6.4.1-2.6.4.2所示)。
2.6.5金屬屋面系統上人鋼梯和防墜落系鎦環設計：為便于金屬屋面的維修與清潔維護，文化中心在造型凹溝的隱蔽部位安裝有上人鋼梯(用鋼管制作，表面氟碳噴涂)，防墜落系鎦環根據屋面的造型設置，間距6米左右，確保屋面清洗人員能夠安全清洗整個屋面。防墜落系鎦環采用鋼板制作(表面氟碳噴涂)，穿過外層屋面板的板縫，安裝在外層屋面環形鋼框架梁上。維修與清潔維護人員經上人鋼梯上到屋面，將清洗用的軟梯或安全繩索通過卡扣懸掛在防墜落系鎦環上，清潔人員在軟梯或安全繩索上對屋面進行清潔(如圖2.6.5所示)。
3. 結束語
受篇幅限制，本篇文章僅介紹了蕪湖文化中心異型金屬屋面系統的結構與構造設計思路、典型關鍵節點和相關施工特點。蕪湖文化藝術中心采用的雙層金屬屋面系統，跨度大、整體性強、自重輕、強度高、耐腐蝕，結構美觀、可抵消屋面鋼結構沉降和溫度變化產生的結構變形，屋面隔熱保溫、隔聲效果良好，防潮、排水功能良好，安裝施工工藝簡單、施工周期短、勞動力投入較少、后期使用的清洗維護成本較低。
參考文獻：
[1] 《采光頂與金屬屋面技術規程》 JGJ 255-2012
[2] 《虹吸式屋面雨水排水系統技術規程》 CECS 183-2005
