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