劉會(huì)英 LIU Huiying

山西凱的建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃有限公司

生活在北方的人應(yīng)該對(duì)屋面積雪、積冰現(xiàn)象不陌生，在一些村莊，這樣的狀態(tài)能保持整個(gè)冬天，還成為了獨(dú)特的景色。但人們很少關(guān)注的是，在春回大地、冰雪消融的時(shí)候，建筑的屋檐往往會(huì)掛起成排的冰凌，有時(shí)還會(huì)帶著屋頂?shù)姆e雪一起滑落下來(lái)，對(duì)行人和房屋造成危害。所以在北方，屋面除冰是人們經(jīng)常面臨的一個(gè)問(wèn)題。

近年來(lái)，大型公共建筑屋頂積雪、積冰墜落事件在國(guó)內(nèi)外時(shí)有發(fā)生，造成了一些人身和財(cái)產(chǎn)損失，而解決這一問(wèn)題的方法多停留在傳統(tǒng)的人工除冰和后期清掃上，耗時(shí)耗力、效果不佳。本文結(jié)合哈爾濱大劇院項(xiàng)目，通過(guò)分析高寒多雪地區(qū)公共建筑屋面積雪防滑、防墜落問(wèn)題，結(jié)合建筑立面設(shè)計(jì)、金屬屋面構(gòu)造系統(tǒng)設(shè)計(jì)等諸多因素，提出針對(duì)這一問(wèn)題的解決方案。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

哈爾濱大劇院位于哈爾濱市松北區(qū)文化中心島內(nèi)，項(xiàng)目總建筑面積79 396m2，包括大劇院（1 527座）、小劇場(chǎng)（414座）、地下車(chē)庫(kù)及附屬配套用房等，建筑高度56.48m。建筑造型自由流暢，屋面起伏多變，好似隨風(fēng)隆起的雪山，又好似山舞銀蛇，婀娜多姿，體現(xiàn)了北國(guó)風(fēng)光大地景觀(guān)的設(shè)計(jì)理念（圖1）。

業(yè)主：哈爾濱市松北投資發(fā)展集團(tuán)有限公司

建設(shè)地點(diǎn)：哈爾濱市松北區(qū)文化中心島內(nèi)

建筑設(shè)計(jì)：MAD 建筑師事務(wù)所

主持建筑師：馬巖松、黨群、早野洋介

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：Jordan Kanter、Daniel Gillen、Bas van Wylick劉會(huì)英、傅昌瑞、趙偉、李健、鄭芳、Julian Sattler Jackob Beer、J Travis Russett、Sohith Perera Colby Thomas Suter、于魁、Philippe Brysse、黃偉Flora Lee、王偉、謝怡邦、Lyo Hengliu Alexander Cornelius、Alex Gornelius、毛蓓宏Gianantonio Bongiorno、Jei Kim、陳元宇、于浩臣、覃立超Pil-Sun Ham、Mingyu Seol、林國(guó)敏、張海峽、李廣崇Wilson Wu、馬寧、Divide Signorato、Nick Tran、向玲Gustavo Alfred Van Staveren、楊杰

幕墻顧問(wèn)：英海特幕墻顧問(wèn)公司、中國(guó)京冶工程技術(shù)有限公司

幕墻施工：沈陽(yáng)遠(yuǎn)大鋁業(yè)工程有限公司

總建筑面積：79 396m2

設(shè)計(jì)時(shí)間：2010.04

建成時(shí)間：2015.10

圖片版權(quán)：MAD 建筑師事務(wù)所

2 屋面除雪、除冰的案例研究

他山之石，可以攻玉。首先了解現(xiàn)有屋面的除雪、除冰方式，通常有以下四種。

（1）人工手動(dòng)清掃

人工手動(dòng)清掃常見(jiàn)于普通民宅的屋面積雪處理，適用于屋面面積較小、檐口高度不高的建筑，一般情況下人在地面上利用加長(zhǎng)桿的雪鏟便可完成除雪操作。這種方式成本低，操作靈活，可根據(jù)需要隨時(shí)除雪、除冰；但完全由人工手動(dòng)完成，勞動(dòng)量較大，效率不高。

（2）人工+機(jī)械吹噴

人工+機(jī)械吹噴多用于屋面相對(duì)大一些的民宅和公共建筑，一般由操作熟練的專(zhuān)業(yè)人員攜帶專(zhuān)業(yè)工具和安全防護(hù)措施進(jìn)行操作。這種方式需要專(zhuān)業(yè)人員配合專(zhuān)業(yè)機(jī)具，效率高、效果好、省時(shí)省力；但對(duì)清掃人員的專(zhuān)業(yè)性要求較高，且具有一定的危險(xiǎn)性。

（3）市政除雪車(chē)

市政除雪車(chē)適用于屋面大、檐口比較高的大型公共建筑，一般情況下由市政部門(mén)安排專(zhuān)業(yè)的高空除雪車(chē)進(jìn)行除雪，但也只是在具備這樣條件的城市市政部門(mén)才能提供此類(lèi)服務(wù)。其優(yōu)點(diǎn)是功率大、效率高，可對(duì)面積較大的屋面進(jìn)行清理；但所需的費(fèi)用較高，一些普通的城市或偏遠(yuǎn)的市區(qū)并不具備這樣的條件。

（4）主動(dòng)式防積雪、積冰墜落措施

除了以上三種清掃方式外，還可在屋面特定區(qū)域鋪設(shè)電伴熱的發(fā)熱電纜或融雪板，預(yù)防或減少屋面檐口及重要部位的積雪、積冰。這種方式可以有針對(duì)性地進(jìn)行鋪設(shè)，隨時(shí)打開(kāi)電源融雪、融冰，且無(wú)需人工操作；但造價(jià)相對(duì)較高，電纜有老化和使用年限，而且需要專(zhuān)業(yè)工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行鋪設(shè)。此外，當(dāng)冰雪融化成水后，需經(jīng)由屋面排水系統(tǒng)排走，從而達(dá)到除雪、除冰的目的，所以這種方式一般用于比較重要的大型公共建筑，對(duì)造價(jià)的要求較高。

3 屋面積雪原理分析

1 哈爾濱大劇院冬景

2 屋面積雪分布圖

對(duì)建筑工程來(lái)說(shuō)，每個(gè)項(xiàng)目都有其自身的特殊情況，很多問(wèn)題不能一概而論，也不能簡(jiǎn)單地照葫蘆畫(huà)瓢。因此，除了研究案例尋找解決方案，還需要在理論分析、設(shè)計(jì)原理和安全計(jì)算的基礎(chǔ)上總結(jié)出一整套可行的方案。在查閱了大量國(guó)內(nèi)外規(guī)范、設(shè)計(jì)資料后，我們發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)很少有關(guān)于屋面積雪、積冰防墜落的資料，只在建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范[1]里有一些關(guān)于屋面雪荷載的取值標(biāo)準(zhǔn)和基本雪壓規(guī)定，以及屋面積雪分布分析。

在附錄E基本雪壓、風(fēng)壓和溫度的確定方法中，對(duì)積雪分布保持均勻及局部積雪變異特別大的地區(qū)，提出了專(zhuān)門(mén)調(diào)查和特殊處理的要求，但并沒(méi)有給出具體的調(diào)查分析和設(shè)計(jì)處理方法。

于是，我們將目光投向國(guó)外，在北美、北歐和俄羅斯等國(guó)家和地區(qū)，對(duì)此類(lèi)問(wèn)題有較為豐富的研究和指導(dǎo)資料，本文借鑒美國(guó)的相關(guān)規(guī)定作為參考來(lái)分析和尋求解決方案。美國(guó)的相關(guān)規(guī)范[2]在提出屋面積雪的清除方案之前，對(duì)降雪類(lèi)型、雪重范圍、降雪率、風(fēng)雪荷載以及環(huán)境溫度、風(fēng)對(duì)積雪的影響等都提供了詳細(xì)的分析方法，并且對(duì)不同的屋面結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類(lèi)比較。不同的屋面結(jié)構(gòu)材料、不同的跨度，都有不同的處理方式。此外，規(guī)范中還提出了預(yù)防和監(jiān)控積雪對(duì)建筑持續(xù)產(chǎn)生不利影響的方法和策略，在這里就不一一列舉，僅選擇對(duì)分析和解決本項(xiàng)目有借鑒意義的方法和原理進(jìn)行分析和研究。

首先，對(duì)屋面積雪情況進(jìn)行全面分析。如圖2所示，積雪在屋面的不同區(qū)域分布不同，有些地方積雪厚度非常大，而有些地方則很少。這就意味著在較大降雪量的情況下，積雪會(huì)給屋面帶來(lái)非常不均勻的外部荷載，而這種荷載還會(huì)隨著時(shí)間和溫度的變化而改變。圖3反映了屋面的積雪會(huì)受到風(fēng)向的影響，在不同風(fēng)向和屋面形狀的共同作用下，同一片屋面的積雪分布情況相差很大。圖4則顯示了積雪在屋面不同區(qū)域的堆積情況，一般情況下屋面的凹陷區(qū)域是積雪較大的區(qū)域，而高低跨屋面的積雪則會(huì)形成局部的滑移。

其次，分析屋面形成積冰的原理。如圖5所示，一般情況下坡屋面的檐口處是最容易形成積冰的區(qū)域，因?yàn)樵趬γ婧臀菝孓D(zhuǎn)折交接的部位最易形成冷橋，建筑室內(nèi)外的熱量在此進(jìn)行交換，從而形成積冰。這種情況在平屋面也同樣會(huì)出現(xiàn)，但原因有所不同，平屋面與墻面轉(zhuǎn)折部位常常設(shè)置排水的檐溝，使雪水集中在此，形成積冰區(qū)域。圖6展示了消除檐口積冰的原理，即如果在積雪的表層屋面和內(nèi)層屋面之間有一個(gè)空腔，則檐口處就會(huì)相對(duì)不容易積冰，冷橋部位的熱空氣會(huì)隨著空腔向上流動(dòng)、擴(kuò)散出去，從而使上層的積雪底部保持相同的溫度，這樣就不會(huì)形成局部的積冰情況。

3 主風(fēng)向下的屋面積雪分布示意圖

4 積雪滑移分布示意圖

最后，考慮防止屋面積雪、積冰墜落的方法和構(gòu)造。在檐口附近按照一定的間距布置防止積雪、積冰墜落的掛雪措施，可以有效減少墜落的情況，同時(shí)為清掃爭(zhēng)取時(shí)間。

5 屋面積冰示意圖

6 屋面防積冰示意圖

4 哈爾濱大劇院金屬屋面積雪、積冰的防墜落設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)以上分析和資料研究后，結(jié)合實(shí)際情況，我們對(duì)哈爾濱大劇院積雪、積冰的防滑、防墜落設(shè)計(jì)有了清晰的解決思路和方法（圖7，8）。

4.1 設(shè)定合理、保險(xiǎn)的屋面雪荷載取值

以國(guó)內(nèi)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定為依據(jù)，設(shè)定合理、保險(xiǎn)的屋面雪荷載取值。依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012），以續(xù)表E.5中關(guān)于基本風(fēng)壓、雪壓的取值規(guī)定，考慮到項(xiàng)目所在區(qū)域的位置、項(xiàng)目的重要性，經(jīng)結(jié)構(gòu)工程師和幕墻顧問(wèn)共同研究決定按最不利荷載工況核算，以高于重現(xiàn)期100年的基本雪壓進(jìn)行取值，將基本雪壓定為0.7kN/m2。按續(xù)表7.2.1中第6種情況“多跨單坡屋面（鋸齒形屋面）”對(duì)屋面、天窗及室外人行步道處的積雪分布系數(shù)進(jìn)行取值，并將其體現(xiàn)在建筑屋面主體鋼結(jié)構(gòu)和金屬屋面分層構(gòu)造的計(jì)算和設(shè)計(jì)上。圖9是本項(xiàng)目最終的金屬屋面標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)詳圖，可以看到在下部屋面主體鋼結(jié)構(gòu)的球形節(jié)點(diǎn)向上，二次結(jié)構(gòu)、金屬屋面檁條、龍骨尺寸和分布間距，以及鍍鋅鋼板、鋁鎂錳直立鎖邊板等一系列結(jié)構(gòu)構(gòu)件都結(jié)合上部雪荷載的情況給予了充分的考慮。最上層裝飾板選擇5mm厚的鋁板，以確保屋面的平整度，避免由于積雪的壓力使局部下凹，造成隱患。

4.2 選擇直立鎖邊的金屬屋面系統(tǒng)

比較幾類(lèi)屋面的構(gòu)造方式，最終選擇直立鎖邊的金屬屋面系統(tǒng)。原因如下：（1）哈爾濱大劇院的屋面為曲面異形，外觀(guān)飄逸靈動(dòng)，富于變化。直立鎖邊系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)此類(lèi)屋面有比較好的完成度。（2）基于主體內(nèi)部的空間，雖然大劇院的屋面下有近一半的小跨度空間，完全可以用常規(guī)的屋面形式實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)也有大跨度、起伏較大的大空間。金屬屋面系統(tǒng)可以較好地兼顧這兩種不同跨度的空間，使其具有更好的完整性。（3）直立鎖邊系統(tǒng)加上面層的外裝飾鋁板恰好在構(gòu)造上形成了內(nèi)外兩層屋面板，兩層屋面板中間是一個(gè)連續(xù)的、與外部大氣連通的空腔，這樣就在積雪的下方形成了一個(gè)空氣恒溫層（圖10）。同時(shí)，加強(qiáng)鋁鎂錳防水板下部的保溫層構(gòu)造（采用總厚度170mm的雙層錯(cuò)縫搭接方式），可以杜絕局部冷橋，從而減少屋面局部的積冰情況。

7 屋面積雪、積冰防墜落措施分布圖

8 屋面曲面分析圖

9 哈爾濱大劇院金屬屋面橫斷面標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)圖

10 哈爾濱大劇院金屬屋面構(gòu)造空腔分析圖

11 天窗軌道擦窗機(jī)清掃節(jié)點(diǎn)

12 人行步道局部剖面圖

13 天窗邊部檐口的上人式清掃步道+安全繩掛鉤節(jié)點(diǎn)

14 安全清洗掛鉤節(jié)點(diǎn)

4.3 在屋面構(gòu)造中實(shí)現(xiàn)防墜落的掛雪措施

原直立鎖邊系統(tǒng)有一些較為成熟的成品掛雪構(gòu)造，但其只能用于沒(méi)有外裝飾板的直立鎖邊屋面和對(duì)建筑外觀(guān)要求不高的項(xiàng)目上。

哈爾濱大劇院是標(biāo)志性文化建筑，需要在滿(mǎn)足功能的同時(shí)兼顧建筑的美觀(guān)，因此要求外裝飾鋁板本身具備掛雪功能。一般情況下常規(guī)的金屬屋面外裝飾鋁板采用平縫構(gòu)造，本身沒(méi)有掛雪的功能，從國(guó)外規(guī)范的分析可以看出，掛雪設(shè)計(jì)實(shí)際上是通過(guò)很多密布的小構(gòu)造來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是化整為零的原理。所以，如果每一塊外裝飾鋁板都能起到掛雪的功能，那就會(huì)得到理想的掛雪效果。受傳統(tǒng)坡瓦屋面的啟發(fā)，大劇院屋面采用搭接的形式，使外裝飾板層產(chǎn)生臺(tái)階，削弱屋面層的整體性。如果采用與傳統(tǒng)瓦屋面一樣的向下搭接方式，那橫向每層的搭接縫會(huì)產(chǎn)生視覺(jué)聚集效果，會(huì)影響到建筑外立面的觀(guān)感。因此，我們創(chuàng)造性地將外裝飾鋁板設(shè)計(jì)為“上搭接式”的構(gòu)造。這一節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是：第一，利用裝飾鋁板搭接形成的高差，在坡道上形成防滑槽，產(chǎn)生掛雪的效果，對(duì)積雪起到了防滑作用。同時(shí)由于水平向的每層板之間都是上搭接關(guān)系，因此屋面被化整為零，整個(gè)屋面的積雪防滑任務(wù)分配到了每一塊外裝飾鋁板上。第二，由于鋁板做了上搭接處理，使得水平接縫消失，大大簡(jiǎn)化了立面的拼縫效果，這樣立面看起來(lái)更加整體。

4.4 對(duì)哈爾濱大劇院屋面進(jìn)行整體分析

分別對(duì)哈爾濱大劇院屋面的形體、排水、坡度和日照進(jìn)行分析，修正并調(diào)整了金屬屋面區(qū)域局部凹陷、不平整的情況，使建筑外皮平整、順滑，消除局部積雪的可能。通過(guò)排水分析確定屋面整體的排水組織方案和所有天溝的位置，為下一步電伴熱電纜的鋪設(shè)和排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)確定基礎(chǔ)的信息和依據(jù)；通過(guò)坡度分析發(fā)現(xiàn)屋面在不同區(qū)域的坡度分布情況，在相對(duì)平整的區(qū)域充分考慮積雪荷載，在坡度較大的區(qū)域設(shè)置積雪防滑措施；通過(guò)日照分析確定建筑冬季長(zhǎng)期背陰的區(qū)域，加強(qiáng)設(shè)置局部人工清掃、電伴熱等防積雪措施。

基于以上分析，最終完成了一整套屋面積雪、積冰清掃系統(tǒng)。除了可以清掃積雪、積冰外，還可以用于屋面的定期維修和清洗，使外幕墻維護(hù)系統(tǒng)更加完善。這個(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)組成部分，分別是天窗擦窗機(jī)軌道系統(tǒng)、鋁合金人行步道外加安全繩系統(tǒng)、電伴熱電纜系統(tǒng)和安全清洗掛鉤系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)分別對(duì)應(yīng)了不同的部位，可以結(jié)合不同的屋面，設(shè)計(jì)具體的清洗設(shè)施及構(gòu)造（圖11～14）。

這些構(gòu)件很好地融入了整個(gè)項(xiàng)目的外幕墻設(shè)計(jì)，不僅與各系統(tǒng)完美結(jié)合滿(mǎn)足功能需求，還保證了建筑的外觀(guān)效果，尤其是外裝飾鋁板通過(guò)巧妙的構(gòu)造設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了掛雪功能。項(xiàng)目于2015年底建成并交付使用，經(jīng)過(guò)半年的調(diào)試和準(zhǔn)備，在2016年4月底迎來(lái)了首場(chǎng)演出。至今經(jīng)過(guò)5個(gè)冬天的風(fēng)雪，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)一起屋面積雪、積冰墜落事件，局部的積雪情況因完善的清掃系統(tǒng)，也得到了及時(shí)清理。

5 結(jié)語(yǔ)

金屬屋面的積雪、積冰防墜落設(shè)計(jì)，是哈爾濱大劇院設(shè)計(jì)和建造中一項(xiàng)技術(shù)難題，其從建筑設(shè)計(jì)到幕墻深化、施工的整個(gè)過(guò)程，希望能夠?yàn)槲覈?guó)相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和實(shí)踐提供示范。