哈尔滨大剧院金属屋面积雪、积冰防坠落设计浅析

■设计与研究

/ Design & Research

哈尔滨大剧院金属屋面积雪、积冰防坠落设计浅析

Analysis on Snow and Ice Fall Prevention Design of Harbin Grand Theater Metal Roofing

刘会英

Ul

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Hui

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山西凯的建筑设计规划有限公司

摘史

以哈尔滨大剧院金属屋面设计为例，从高寒多雪地

K

A

：甩公共建筑頃向枳雪的防滑、防坠落设汁;

f

求出发.

结台屋面金厲兑墙构造设计、金属■墙外装饰板分格

设计、建筑立面设计的美学霜求，纖行冏要而广泛地

慨述，最终实现功能与美观结合的立而设计效果

X

；•键

M

盆域屋面；枳防滑；防呸落；功能与美观的结合

Illustrated by the example of'metal roofing design of Harbin Grand

Theater, ihe article presents a brief but broad overview rooted by the

design requirements of anti-sliding and anti-falling of the snow on the

roof of large public buildings in ihc alpine-cold and snowy region.

Correspondingly, the analysis combines multiple dimensions such as

the structural engineering of the metal roof curtain wall, the partition

design of the decorative board of the mclal curtain wall and the aesthetic

requirements of the architecture facade as architectonics that ultimately

achieves the integration in the fields of physical function and aesthetics of

the facade design.

metal roof

：

accumulated snow: anti-skid strategies; anti-falling

中阐分类号：

TU242.2

文献际识码

：A

业主：哈尔滨市松北投资发展集团有限公司

建设地点：哈尔滨市松北区文化中心岛内

建筑设计：MAD建筑师事务所

主持建筑师：马岩松、党群、早野洋介

设计团队：Jordan Kanter' Daniel Gillen、Bas van Wylick

刘会英、傅昌瑞、赵伟、李健、郑芳，JulianSattler

Jackob Beer、J Travis .t、Soh.丨th Perera

ColbyThomasSuter、于魁、Philippe Brysse、黄伟

FloraLee.、王伟'谢怡邦、liu

Alexander Cornelius. Alex Gomelius、毛语宏

〇旧

1"13

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6

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扣、陈元宇、于浩臣、章立超

Pil-SunHam、MingyuSeol、林国敏、弓长海峡、李广崇

Wilson Wu、马宁、Divide Signorato、Nick Tran、向玲

Gustavo Alfred Van Staveren、杨杰

幕墙顾问：英海特幕墙顾问公司、中国京冶工程技术有限公司

幕墙施工：沈阳远大铝业工程有限公司

总建筑面积：79 396nr

设计时间：2010.04

建成时间：2015.10

图片版权：MAD建筑师事务所

生活在北方的人应该对屋面积雪、积冰现象不 要随时除雪、除冰；但完全由人工手动完成，劳动

陌生，在一些村庄，这样的状态能保持整个冬天，

量较大，效率不高。

还成为了独特的景色。但人们很少关注的是，在春

(2 )人工+机械吹喷

回大地、冰雪消融的时候，建筑的屋檐往往会挂起

人工+机械吹喷多用于屋面相对大一些的民宅

成排的冰凌，有时还会带着屋顶的积雪一起滑落下

和公共建筑，一般由操作熟练的专业人员携带专业

来，对行人和房屋造成危害。所以在北方，屋面除

工具和安全防护措施进行操作。这种方式需要专业

冰是人们经常面临的一个问题。

人员配合专业机具，效率高、效果好、省时省力；

近年来，大型公共建筑屋顶积雪、积冰坠落

但对清扫人员的专业性要求较高，且具有一定的危

事件在国内外时有发生，造成了一些人身和财产损

险性。

失，而解决这一问题的方法多停留在传统的人工除

(3)市政除雪车

冰和后期清扫上，耗时耗力、效果不佳。本文结合

市政除雪车适用于屋面大、檐口比较高的大型

哈尔滨大剧院项目，通过分析高寒多雪地区公共

公共建筑，一般情况下由市政部门安排专业的高空

建筑屋面积雪防滑、防坠落问题，结合建筑立面设

除雪车进行除雪，但也只是在具备这样条件的城市

计、金属屋面构造系统设计等诸多因素，提出针对

市政部门才能提供此类服务。其优点是功率大、效

这一问题的解决方案。

率高，可对面积较大的屋面进行清理；但所需的费

1项目简介

用较高

，一

些普通的城市或偏远的市区并不具备这

哈尔滨大剧院位于哈尔滨市松北区文化中心

样的条件。

岛内，项目总建筑面积79 396m2,包括大剧院

(4 )主动式防积雪、积冰坠落措施

(1 527座）、小剧场（414座）、地下车库及附属

除了以上三种清扫方式外，还可在屋面特定

配套用房等，建筑高度56.48m。建筑造型自由流

区域铺设电伴热的发热电缆或融雪板，预防或减少

畅，屋面起伏多变，好似随风隆起的雪山，又好似

屋面檐口及重要部位的积雪、积冰。这种方式可

山舞银蛇，婀娜多姿，体现了北国风光大地景观的

以有针对性地进行铺设，随时打开电源融雪、融

设计理念（图1 )。

冰，且无需人工操作；但造价相对较高，电缆有

2屋面除雪、除冰的案例研究

老化和使用年限，而且需要专业工程设计人员进行

他山之石，可以攻玉。首先了解现有屋面的除

铺设。此外，当冰雪融化成水后，需经由屋面排水

雪、除冰方式，通常有以下四种。

系统排走，从而达到除雪、除冰的目的，所以这种

(1 )人工手动清扫

方式一般用于比较重要的大型公共建筑，对造价的

人工手动清扫常见于普通民宅的屋面积雪处

要求较高。

理，适用于屋面面积较小、檐口高度不高的建筑，

3屋面积雪原理分析

一般情况下人在地面上利用加长杆的雪铲便可完成

对建筑工程来说，每个项目都有其自身的特殊

除雪操作。这种方式成本低，操作灵活，可根据需

情况，很多问题不能一概而论，也不能简单地照葫

1哈尔滨大剧院冬景

- ■ 107

较大的屋面凸出物

>

遮挡外门-^厂阁楼鹏墙

女儿墙

1 1

积雪

>

访火

ti-

被雪

a

盖的

圍进气

空调设

g ~> ,

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被雪霪盖的

通风管

遮挡疏散通渲较低屋面上

亡

、遮挡

的大屋枳雪

墙面

芦画瓢。因此，除了研究案例寻找解决方案，还需

要在理论分析、设计原理和安全计算的基础上总结

出一整套可行的方案。在查阅了大量国内外规范、

设计资料后，我们发现国内很少有关于屋面积雪、

积冰防坠落的资料，只在建筑结构规范|1|里有一些

关于屋面雪荷载的取值标准和基本雪压规定，以及

屋面积雪分布分析。

在附录E基本雪压、风压和温度的确定方法

中，对积雪分布保持均匀及局部积雪变异特别大的

地区，提出了专门调查和特殊处理的要求，但并没

有给出具体的调查分析和设计处理方法。

于是，我们将目光投向国外，在北美、北欧

和俄罗斯等国家和地区，对此类问题有较为丰富的

研究和指导资料，本文借鉴美国的相关规定作为参

考来分析和寻求解决方案。美国的相关规范|2i在提

出屋面积雪的清除方案之前，对降雪类型、雪重范

围、降雪率、风雪荷载以及环境温度、风对积雪的

影响等都提供了详细的分析方法，并且对不同的屋

面结构形式进行分类比较。不同的屋面结构材料、

不同的跨度，都有不同的处理方式。此外，规范中

还提出了预防和监控积雪对建筑持续产生不利影响

的方法和策略，在这里就不一一列举，仅选择对分

析和解决本项目有借鉴意义的方法和原理进行分析

和研究。

首先，对屋面积雪情况进行全面分析。如图2

所示，积雪在屋面的不同区域分布不同，有些地方

积雪厚度非常大，而有些地方则很少。这就意味着

在较大降雪量的情况下，积雪会给屋面带来非常不

均匀的外部荷载，而这种荷载还会随着时间和温度

的变化而改变。图3反映了屋面的积雪会受到风向

的影响，在不同风向和屋面形状的共同作用下，同

一片屋面的积雪分布情况相差很大。图4则显示了

积雪在屋面不同区域的堆积情况，一般情况下屋面

的凹陷区域是积雪较大的区域，而高低跨屋面的积

雪则会形成局部的滑移。

其次，分析屋面形成积冰的原理。如图5所

示，一般情况下坡屋面的檐口处是最容易形成积冰

的区域，因为在墙面和屋面转折交接的部位最易形

成冷桥，建筑室内外的热量在此进行交换，从而形

成积冰。这种情况在平屋面也同样会出现，但原

因有所不同，平屋面与墙面转折部位常常设置排水

的檐沟，使雪水集中在此，形成积冰区域。图6展

不了消除檐口积冰的原理，即如果在积雪的表层屋

面和内层屋面之间有一个空腔，则檐口处就会相对

108 AT ?i

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〇

8

不容易积冰，冷桥部位的热空气会随着空腔向上流

动、扩散出去，从而使上层的积雪底部保持相同的

温度，这样就不会形成局部的积冰情况。

最后，考虑防止屋面积雪、积冰坠落的方法和

构造。在檐口附近按照一定的间距布置防止积雪、

积冰坠落的挂雪措施，可以有效减少坠落的情况，

同时为清扫争取时间。

4哈尔滨大剧院金属屋面积雪、积冰的防坠落设计

经过以上分析和资料研究后，结合实际情况，我

们对哈尔滨大剧院积雪、积冰的防滑、防坠落设计

有了清晰的解决思路和方法（图7, 8 )。

4.1设定合理、保险的屋面雪荷载取值

以国内规范的相关规定为依据，设定合理、保

险的屋面雪荷载取值。依据《建筑结构荷载规范》

(GB 50009-2012),以续表E.5中关于基本风压、

雪压的取值规定，考虑到项目所在区域的位置、项

目的重要性，经结构工程师和幕墙顾问共同研究决

定按最不利荷载工况核算，以高于重现期100年的

基本雪压进行取值，将基本雪压定为0.7kN/m2。按

续表7.2.1中第6种情况“多跨单坡屋面（锯齿形屋

面）”对屋面、天窗及室外人行步道处的积雪分布

系数进行取值，并将其体现在建筑屋面主体钢结构

和金属屋面分层构造的计算和设计上。图9是本项

目最终的金属屋面标准节点详图，可以看到在下部

屋面主体钢结构的球形节点向上，二次结构、金属

屋面檩条、龙骨尺寸和分布间距，以及镀锌钢板、

铝镁锰直立锁边板等一系列结构构件都结合上部雪

荷载的情况给予了充分的考虑。最上层装饰板选择

5mm厚的铝板，以确保屋面的平整度，避免由于

积雪的压力使局部下凹，造成隐患。

4.2选择直立锁边的金属屋面系统

比较几类屋面的构造方式，最终选择直立锁

边的金属屋面系统。原因如下：（1 )哈尔滨大剧

院的屋面为曲面异形，外观飘逸灵动，富于变化。

直立锁边系统对实现此类屋面有比较好的完成度。

(2)基于主体内部的空间，虽然大剧院的屋面下

有近一半的小跨度空间，完全可以用常规的屋面形

式实现，但同时也有大跨度、起伏较大的大空间。

金属屋面系统可以较好地兼顾这两种不同跨度的空

间，使其具有更好的完整性。（3)直立锁边系统

加上面层的外装饰铝板恰好在构造上形成了内外两

层屋面板，两层屋面板中间是一个连续的、与外部

大气连通的空腔，这样就在积雪的下方形成了一个

空气恒温层（图10 )。同时，加强铝镁锰防水板下

2屋面积雪分布图

3主风向下的屋面积雪分布示意图

4积雪滑移分布示意图

5屋面积冰示意图

6屋面防积冰示意图

7屋面积雪、积冰防坠落措施分布图

8屋面曲面分析图

1

2

铝合金横框中

50 * 3

铝合金圆管

铝板链接组件

1

3不锈钢沉头自攻钉ST4.8 x 19

4 i

吕板进接组件

2

5

橡胶势

50mm x 30mm x 2mm

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装饰铝板

7 T

形断热支座

8 150

厚保温岩棉

+30

厚玻璃丝锞

9 1.0

厚铝镁猛直立锁边合金板

10

铝板龙骨与锁边板连接组件

11

铝合金连接件

12

钢村檐

13 ?

厚镀锌纲板隅汽膜

14

次楝条连接件

15

屋面板次撩条

16

屋面板主楝条

17

主釀条连接件

18

方管

120mm x 120mm x 4mm

19

钢结构

1

2

电缆驱动车

擦窗轨道

1

铝板连接组件 屋面板次橡条

3 1.0 fl

铝镁猛直立锁边合金板

4 150

厚保温岩槐

+30 J1

玻璃丝绵

5 ? If

镀锌钢板隔汽膜

6

屋面板主樓条

7

主撩条连接件

8

装饰铝板

9

不锈钢沉头自攻钉

ST4.8 x 19

10

铝合金横框

0>50<3

铝合金圆管

11 fg

板龙骨与锁边板连接组件

12 T

形断热支座

13

钢村棟

14

次棵条连接件

15

方管

120mm x 120mm x 4mm

16

钢结构

9哈尔滨大剧院金属屋面横断面标准节点图

10哈尔滨大剧院金属屋面构造空腔分析图

11天窗轨道擦窗机清扫节点

12人行步道局部剖面图

13天窗边部檐口的上人式清扫步道+安全绳挂钩节点

14安全清洗挂钩节点

部的保温层构造（采用总厚度170mm的双层错缝

搭接方式>，可以杜绝局部冷桥，从而减少屋面局

部的积冰情况。

4.3在屋面构造中实现防坠落的挂雪措施

原直立锁边系统有一些较为成熟的成品挂雪构

造，但其只能用于没有外装饰板的直立锁边屋面和

对建筑外观要求不高的项目上。

哈尔滨大剧院是标志性文化建筑，需要在满足

功能的同时兼顾建筑的美观，因此要求外装饰铝板

本身具备挂雪功能。一般情况下常规的金属屋面外

装饰铝板采用平缝构造，本身没有挂雪的功能，从

国外规范的分析可以看出，挂雪设计实际上是通过

很多密布的小构造来实现的，也就是化整为零的原

理。所以，如果每一块外装饰铝板都能起到挂雪的

功能，那就会得到理想的挂雪效果。受传统坡瓦屋

面的启发，大剧院屋面采用搭接的形式，使外装

饰板层产生台阶，削弱屋面层的整体性。如果采

用与传统瓦屋面一样的向下搭接方式，那横向每

层的搭接缝会产生视觉聚集效果，会影响到建筑

外立面的观感。因此，我们创造性地将外装饰铝板

设计为“上搭接式”的构造。这一节点设计的优势

是：第一，利用装饰铝板搭接形成的高差，在坡道

上形成防滑槽，产生挂雪的效果，对积雪起到了防

滑作用。同时由于水平向的每层板之间都是上搭接

关系，因此屋面被化整为零，整个屋面的积雪防滑

任务分配到了每一块外装饰铝板上。第二，由于铝

板做了上搭接处理，使得水平接缝消失，大大简化

了立面的拼缝效果，这样立面看起来更加整体。

4.4对哈尔滨大剧院屋面进行整体分析

分别对哈尔滨大剧院屋面的形体、排水、坡度

和曰照进行分析，修正并调整了金属屋面区域局部

凹陷、不平整的情况，使建筑外皮平整、顺滑，消

除局部积雪的可能。通过排水分析确定屋面整体的

排水组织方案和所有天沟的位置，为下一步电伴热

电缆的铺设和排水系统的设计确定基础的信息和依

据；通过坡度分析发现屋面在不同区域的坡度分布

情况，在相对平整的区域充分考虑积雪荷载，在坡

度较大的区域设置积雪防滑措施；通过曰照分析确

定建筑冬季长期背阴的区域，加强设置局部人工清

扫、电伴热等防积雪措施。

基于以上分析，最终完成了一整套屋面积雪、

积冰清扫系统。除了可以清扫积雪、积冰外，还可

以用于屋面的定期维修和清洗，使外幕墙维护系统

更加完善。这个系统分为四个组成部分，分别是天

窗擦窗机轨道系统、铝合金人行步道外加安全绳系

统、电伴热电缆系统和安全清洗挂钩系统。每个系

统分别对应了不同的部位，可以结合不同的屋面，

设计具体的清洗设施及构造（图11~14 >。

这些构件很好地融入了整个项目的外幕墙设计，

不仅与各系统完美结合满足功能需求，还保证了建

筑的外观效果，尤其是外装饰铝板通过巧妙的构造

设计实现了挂雪功能。项目于2015年底建成并交付

使用，经过半年的调试和准备，在2016年4月底迎

来了首场演出。至今经过5个冬天的风雪，没有出现

过一起屋面积雪、积冰坠落事件，局部的积雪情况

因完善的清扫系统，也得到了及时清理。

5结语

金属屋面的积雪、积冰防坠落设计，是哈尔滨

大剧院设计和建造中一项技术难题，其从建筑设计

到幕墙深化、施工的整个过程，希望能够为我国相

关领域的设计和实践提供示范。祝

参考文献

[1] 建筑结构荷载规范：GB50〇〇9-2012[S].北京：中国建筑工

业出版社，2012.

[2] Snow Load Safety Guide: FEMA P-957[S].Washington

DC: FEMA, 2013.

图片来源

图2-6来源于文献[2]:其余均由项目组提供。

AT 2020/08 109