透光屋面设计
中国建筑科学研究院 赵西安
（北京，100013）
摘要：透光屋面已广泛应用于各种大型公共建筑、办公楼和宾馆的中庭，其适用性和安全性日益受到关注，目前我国尚未有相应的工程标准。本文讨论了透光屋面设计中的一些主要问题，其中包括：材料选用、建筑设计和结构设计。 关键词：透光屋面 建筑设计 结构设计
1 概述
透光屋面也称为采光顶，它由透光面材和支承结构组成，是一个完整的结构系统。透光屋面通常与竖直平面交角大于15°。与竖向平面交角小于15°的部份归入建筑幕墙。多数情况下透光屋面的底平面接近于水平面或者处于水平面上。
由于建筑功能和建筑艺术的要求，透光屋面常常和不透光的屋面（如金属屋面）构成一个屋面的整体。如国家大剧院为平面212m×143m、高45.8m的落地椭球穹顶。两端为金属钛板屋面，中部则为透明的玻璃屋面。
玻璃穹顶由中央向四周倾斜度不断加大，周边部分与竖向平面夹角往往小于15°，已进入幕墙的范畴。由于在同一屋面上难以完全划分屋面与幕墙，因此其设计与施工也常要参照现行行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102和《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133的相应规定。目前，《采光顶与金属屋面工程技术规范》正在筹划编制中。
2 透光屋面的选型
2.1 透光屋面的外形
建筑师根据建筑艺术和建筑功能首先决定透光屋面的外部形状。常用的透光屋面外形有以下几大类。
1.平面及若干个平面的组合
平面透光屋面可以水平放置或倾斜放置。实际上由于排水的需要，水平放置的屋面也有一定的排水坡度（通常3%左右）。
若干个平面组成折面或角锥面，也广泛应用于公共建筑和标志性建筑，其中最有名的是巴黎卢浮宫玻璃金字塔（底边：36m×36m）。天津泰达植物园的四角锥底边达50m×50m。
2.微弯双曲面和扁平双曲面
微弯双曲面和扁平双曲面在任意正交方向，曲率的乘积（高斯曲率）大于零： ＞0
多数情况下曲面正放，形成上凸采光屋面；也有些工程采用下凹反放的方式，此时要采用内排水措施。
微弯双曲面的矢高f通常为跨度的1/15~1/30；扁平双曲面的矢高f通常为跨度的1/5~1/15。低矢高可以降低室内空间高度，有利于节约能源。
3.柱面
一根直线（母线）沿着另一根曲线（准线）平行移动，便形成柱面。柱面为单曲面，其高斯曲率为零：
当准线为圆弧时，形成最常用的圆柱面。此外，还有椭圆柱面和抛物线柱面，以及沿波形曲线生成的波形柱面。
4.穹顶
穹顶通常是球面或椭球面的一部份，位于建筑物的顶部。在许多大型公共建筑中，则常为落地的半球或半椭球。穹顶往往涵盖了墙体和屋面。
5.双曲抛物面
双曲抛物面常称为马鞍形曲面。它在两个正交方向上曲率的方向相反，高斯曲率小于零：
＜0
双曲抛物面通常由张拉双向索网或双向受拉膜生成。 6.其它任意形状的曲面
有时，因建筑艺术的要求，透光屋面可以采用形状复杂的或者组合的曲面，这时屋面的形状只能通过其曲面各点的三维坐标来描述。采用复杂形状透光屋面的著名工程有英国伦敦大英博物馆扩建部份、意大利米兰的新会议展览中心等。
2.2 透光面板的相对位置
在多数情况下，透光面板位于支承结构的上面或外面，将支承结构包封在室内。但有时建筑师为了强调支承结构的形式美，也可以将支承结构显露在室外，透光面板位于支承结构的下面或内面，形成倒挂面板。北京香山植物园温室的蜗壳部份，钢管桁架外露，中空玻璃倒挂在桁架下面。英国伦敦滑铁卢高速列车站、德国法兰克福机场高速列车站、德国莱比场国际博览会等，均为倒挂玻璃透明屋面。
2.3 面板的支承方式
透光面板可采用四边金属框支承。与玻璃幕墙的面板类似，框支承面板可采用明框、半隐框和隐框方式。在屋面坡度较大时，雨水不容易滞留，可采用明框面板。通常半隐框面板的外露金属框与排水方向一致布置，避免灰尘和雨水积聚。
玻璃面板还可以采用点支承，通过钢爪或夹板固定玻璃。
2.4 支承结构
支承结构可以采用玻璃肋，玻璃肋宜 采用夹层玻璃，防止破碎坠落。点支承玻璃中的玻璃肋，应采用钢化夹层玻璃。
绝大多数支承结构为钢结构。可以划分为刚性结构、柔性结构和混合结构三大类： 1． 刚性结构：梁、拱、树状支柱；桁架和网架；单层和双层网壳等。
2． 柔性结构：张拉杆索体系；自平衡索杆体系；索网；整体张拉索穹顶等。 3． 混合结构：同时采用刚性结构和柔性结构的支承体系。
3 材料
3.1 透光面板
3.1.1 玻璃
大多数透光屋面的面板采用玻璃，选择玻璃的品种时应考虑以下因素： 1.安全
为防止玻璃坠落飞散伤人，透光屋面的中空玻璃内侧（下侧）玻璃宜采用夹层玻璃；单片玻璃也宜采用夹层玻璃。
工业厂房的采光天窗，允许采用夹丝玻璃。玻璃中的夹丝在边缘容易生锈使玻璃染上黄褐斑，影响美观，民用建筑一般不采用。
2.承载力
当承载力有要求时，可采用钢化玻璃。点支承玻璃，支承处的孔洞和夹板下会产生大的应力集中，应采用钢化玻璃及其制品。
由于钢化玻璃有自爆的可能，为防止玻璃肋自爆使面板失去支承而坠落，玻璃肋不应采用单片钢化玻璃。点支承玻璃肋应采用钢化夹层玻璃。
3.节能
国家标准《公共建筑节能设计标准》GB50189已经颁布，对透光部份的传热系数K和遮阳系数S已经提出了明确要求。
可以采用LowE玻璃来降低能耗，双银LowE中空玻璃可以达到传热系数K的要求。 采用阳光反射玻璃、本体着色玻璃和遮阳LowE玻璃可以降低遮阳系数。有时还可以采用彩釉印花玻璃。当仅靠玻璃自身无法达到遮阳要求时，只能另加遮阳板或遮阳帘。 3.1.2 聚碳酸酯板
聚碳酸酯板（即PC板）也称阳光板，质轻，不发脆，上海铁路南站圆形屋面部分已经大面积采用。目前在一般工程中应用还不多，主要是人们担心其耐老化性能比不上玻璃。而且PC板在雨和冰雹冲击下会发生大的声响，被称为钢鼓效应，不便用于对噪声控制较严的工程中。
透明聚炭酸酯板的透光率依厚度不同，可为65%~80%，着色板的透光率与颜色和厚度有关，从25%到65%都有，可按需要选择。 3.1.3 ETFE薄膜和薄板
ETFE薄膜为乙烯--四氟乙烯共聚物，透光度可达95%，有较高的抗拉强度，良好的耐久性和不燃性。常用厚度为：薄膜0.05~0.5mm，薄板0.5mm~2mm。国家体育场（鸟巢）采用ETFE薄膜作为透光屋面。国家游泳馆（水立方）则采用厚度为0.25mm和0.20mm的三层蔚蓝色薄膜做成充气气枕，作为墙体和屋面的面料。气枕共约3000个，大小形状各异，最大尺寸为9m，厚2.5m。气枕充气气压为100Pa。 3.2 金属材料
3.2.1 铝合金型材
铝合金型材主要用于铝框、柃条和梁。其性能应符合现行行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102的相关规定。
3.2.2 碳素结构钢和低合金结构钢
这是支承钢结构的大宗材料，包括热轧型钢、钢管和冷成型薄壁型钢。常用材质为Q235和Q345，要求有良好的可焊性能。表面常采用聚氨酯喷涂和氟碳喷涂。
3.2.3 不锈钢材
不锈钢材主要用于钢管结构和拉杆、连接件、点支承爪件。宜采用奥氏体不锈钢，304、316牌号。拉索通常采用不锈钢绞线，其直径不应小于8mm。
4 建筑设计
4.0 建筑设计的范围
目前，透光屋面的建筑设计分别由设计院的建筑师和承建厂商进行。设计院主要由建