一、 简介
河南省体育中心体育场位于河南郑州市综合投资区，系河南省重点工程，建筑面积46301m2。
体育场罩棚为螺栓球和焊接球点网架结构。跨度：前面273.016m。后面251.678m。高度：前面51.486m，后面33.918m。如此大跨度的体育罩棚，在目前国内尚属首例。本屋面罩棚体系不同于常规屋面体系，是一种特殊屋面体系，相当于幕墙体系，需要有工艺设计环节，参照幕墙设计管理规定。
二 、工程特征：
该工程地区粗糙度为B类，抗震设防烈度按7级设计。建筑耐火等级为I级。设计荷载下压Wk1=1.35KN/m2。雪荷载Sk=0.27 KN/m2。该工程气势宏伟，造型别具一格，外装饰效果整齐统一，充分体现出强大的生机和活力。
针对该工程的特点，设计时采用浮动连接方式，定距压紧式结构，巧妙的解决了适应主体结构变形、结构排水等问题，而且安装方便。
三、工况分析
本工程屋面系统是以球网架及钢龙骨做为支承，网架与主体结构连接，罩面铝板系统通过次龙骨与主龙骨连接，从而实现外立面造型。从受力角度讲，屋面铝板受重力荷载、风荷载、雪荷载、地震作用、温差作用以及各种声波辐射等综合作用，其受力复杂，这些荷载均通过次龙骨传递到主龙骨，再由主龙骨传到网架系统，由网架系统传到主体结构支座上。
四、模型建立
由于本工程属于大型空间设计，与普通幕墙设计有本质区别，设计过程由建模开始。对网架、网架支座、主龙骨、次龙骨、屋面铝板系统整体建立三维模型，利用有限原理对其进行实物与力学模型的转换，将其转化为梁单元，从而确立计算模型，并将周边约束施加到作用点上，进行力学、变形及稳定性计算。通过计算确定允许的变形量，根据模型受到全部荷载而变形后的形状和尺寸，进行屋面板块的分格设计及系统结构设计，从而确保板块分格尺寸准确以及正常施工和使用功能。
五、变形量分析
根据计算，本工程网架系统最大位移接近正负80mm，（位于网架拱形前端中间位置）。由于此变形导致整体几何形状下沉，使原设计几何轮廓变化。我们的分格设计是根据变形后的尺寸进行的分格。从而保证加工出的板块能够顺利地安装到相应位置上。如果分格设计不考虑此变形，则设计出的板块尺寸将比实际需要尺寸略大，造成板块间预留变形缝被占用，无法实现温差变形，造成功能丧失。为此，网架整体的变形分析计算对本工程设计极为重要。
六、分格设计
立面分格设计以建筑师的思路和外装饰效果为原则，充分融合我司的产品特点，在立面分格上进行了仔细的构思，该罩面工程外形由于是球体的一部分，按常规考虑会使异型板材的数量巨大，不但加工、施工不便，而且会增加成本。在设计分格时采用计算机三维绘图方法，对屋面进行了模拟分析，利用地理学中的经、纬线原理,使分格尺寸在球形屋面上保证了最大限度的一致性，不但方便了生产加工，而且满足了外装饰效果；另外我们对球形屋面按排水沟位置进行了分区编号，使安装工人很容易找到板块的对应位置，极大地方便了施工。从内视效果看，次龙骨的布置整齐而有规律，在空间上与主龙骨纵横交错，使交流、开放的时代主题得到体现，增强了其观赏性。
本工程典型分格主要有以下几种：
（1）屋面罩面铝板局部分格。异型板材规格少，按排水沟位置将屋面分区，安装方便，外视效果整齐、美观。
（2）屋面铝板、格栅局部分格。铝板与格栅的分格相协调，与总体建筑风格相统一，观赏性强。
七、结构及功能设计
1.铝板罩面系统选型依据 具有优良的水密性能，具有良好的适应变形性能和整体强度、保证内外视效果并降低工程造价是本次罩面系统选型的依据。
2.铝板罩面系统的主要结构形式及特点
本工程屋面铝板系统采用C型钢做龙骨。钢龙骨与副框之间有弹性胶垫相隔，横竖龙骨之间、竖龙骨与次龙骨之间的连接实现了三维调整，有效地适应了主体结构的变形。优良的内外视效果：设计时使分格尺寸在球形屋面上尽量达到一致，减少异形板的数量，方便了生产加工，降低成本，这样使整个建筑在外视效果上整齐划一，美观大方。通过巧妙地布置次龙骨及屋面龙骨，使龙骨分布均匀、整齐，得到了较好的内视效果。
3.铝板格栅的结构形式
铝板格栅根据其在装饰面上的位置采用了两种不同的结构形式：
（1）大面格栅：将双面喷涂的弧形穿孔铝板同加强铝型材紧固，形成弧形格栅页片，页片的两端同次龙骨连接，形成格栅整体。
（2）后檐口处格栅：
后檐口装饰格栅采用了50槽钢及钢板制成镂空的变截面装饰钢架，不同宽度的页片通过装饰钢架同次龙骨连接，保证了此处独特的装饰效果。
4.排水天沟的设计
做为屋面排水的重要设施，如何既有效地完成排水功能，又得到良好的装饰效果，是我们设计要重点解决的问题。根据这个思路，我们设计了暗藏式排水天沟系统。
5．防雷设计
按照《建筑防雷设计规范》（GB50057-93）要求，建筑物防雷设计，不仅要考虑顶层雷击，还要考虑侧向雷击。由于本工程大面积使用铝板，属重要防雷建筑。合理的防雷措施将使外饰面免受雷击，达到安全使用功能。在设计中，采用防雷电缆将面材——铝单板同龙骨导通，龙骨同网架通过连接件连通，形成10米×10米的避雷网络，屋面体系通过网架体系可靠接地，不但可以有效地避免雷电对屋面自身的损害，从而保证建筑的安全，而且可以避免铝板表面积累静电吸附灰尘从而影响外视效果。
幕墙形成了自身的防雷体系，并与主体结构可靠接地，共同形成防雷体系，接地电阻小于4欧姆。
6、内视效果的工艺设计：
罩棚幕墙的内视不同于其它幕墙，而有着严格的要求。由于罩棚最低点与看台最高点有两米之差。主次龙骨的排布，铝单板加强筋的排布等都会对内视效果造成举足轻重的影响。设计时，主龙骨排布延纬线方向连续。用球点托盘挡住伸缩间隙。次龙骨与横框均采用不锈钢螺栓连接。次龙骨间距4米均匀排布。横框800mm均匀排布。内视呈800×4000网格形状，龙骨表面均涂防火漆处理，与网架金属表面处理协调一致。
由于罩面工程宏大，受形状影响，每榀间距约12米。呈近似梯形，且上下边界处会出现三角形、梯形、五边形板块。如果每块板加强筋自行均布，则安装后整体板块加强筋不对线，左右错位，内视非常混乱。设计时，充分考虑以上问题，从分格图入手，每榀的三个分格，中间分格为4米，呈矩形，两边呈直角梯形，矩形板加强筋距均布。直角梯形从直角边开始，按矩形板加强筋距离向边侧排布。这样，整体安装时，每榀板加强筋全部对线，内视效果非常漂亮，实现了内视的设计要求。
八、设计选材：
1． 钢材：
实现罩棚幕墙连接的主次龙骨的钢材选择有着严格的要求。主龙骨既能满足大跨度的强度、挠度要求，又要满足网架变形的要求，以实现在网架变形时对次龙骨不造成破坏性挤压。
选材时，根据周密计算，主龙骨选用300×100×50轻型钢。次龙骨选择80×40×15轻型C型钢。为减少焊接变形，次龙骨与主龙骨的连接采用国产优质不锈钢螺栓。钢材材质严格执行国家规范要求，出厂，检测合格证书。
2． 面材：
罩棚幕墙面材的选择是此工程能否达到经久耐用、美观大方，且具有时代感的前卫建筑标志的一大关键。罩棚面材的作用是遮光避雨。对网架结构的蔽护可供选择的板材限以下三种：铝合金单板、铝复合板、铝蜂窝板。下面就三种金属板材的特点及加工工艺，安装工艺择优选用进行分析：
铝复合板按惯例分为普通型复合板和防火型复合板。普通型复合板全由内外两层均为0.5mm厚的铝板，中间夹一层2-3mm厚的聚乙烯塑材，经过热加工冷加工复合而成，厚度有3mm、4mm等种类。一般3mm厚铝复合板多为内装饰选用，4mm厚铝复合板为外装修用。而防火型铝复合板是中间夹一层难燃或不燃材料复合而成。复合板表层铝板很薄，受热变形影响，一般表面处理采用氟碳滚涂处理，表面颜色可按使用要求调制处理，能够实现设计师的与周围环境协调的美学创意。但铝复合板板材同时存在许多缺点：首先，复合板中间夹层的复合材料没能排除有毒成份，不属环保产品。其次，两层金属面与中间夹层在受力及局部温度作用下，会产生起皮，鼓包等现象。再次，由于加工及时性安装等产生的应力，使得板面不平，在阳光照射下，产生漫反射现象，对整体幕墙效果的美观造成很大影响。铝复合板的安装需要将复合板边缘机械刨90o槽口，以便折边。这样剩下的0.5mm厚铝板会对强度造成很难克服的薄弱隐患。针对铝复合板特点的综合分析，本工程本着“百年大计，安全第一”的原则没有选用。
蜂窝板的选用在工程中也受很多条件限制。幕墙用的蜂窝板表面处理基本与复合板相似。厚度方面的选择余地相对大些，有10mm、12mm、20mm、25mm不等。可根据不同工程、不同强度、保温要求选择。与铝复合板相比，蜂窝板具有更好的强度和保温性能。但从经济上讲，要比复合板贵很多。这样，受生产条件的影响，蜂窝板的板幅选择性不大。对此工程板块分割效果而言，存在着利用率不好，而使平米用量加大，造成成本大大增加，这也是本工程没有选用它的主要原因之一。
铝单板相对以上两种面材有着许多优点：铝单板是采用高强度的铝合金轧制而成，其强度要比纯铝板高1倍左右。厚度选择余地大，根据工程需要有2 mm、2.5mm、3mm等。表面处理分为粉末静电喷涂和氟碳喷涂。表面颜色也可根据需要加高保色性颜料，使表面颜色具很广泛选择性，可以与建筑周围的色调相协调。
本工程选用2.5mm厚的铝单板。表面处理氟碳喷涂，银灰色，这主要是考虑了铝单板的以下几个优点：
1） 抗腐蚀性好：
由于工业的发展，空气污染日益严重，酸雨也难以抗拒，这对外露的面材都会造成直接的危害。铝单板的表面氟碳喷涂处理，在抗腐性能上有很大优越性。
2） 硬度好：
铝单板表面硬度较好，耐磨擦、耐碰撞。考虑到冬日积雪、夏日冰雹会对罩面造成伤害，而铝单板的表面即使受到大冰雹的撞击，铝板产生微变，但表面涂层无损坏，能完好保护内层铝板，防止腐蚀。
3） 可塑性好：
本工程选用铝单板，除以上优点，就是铝单板的可塑性能独占鳌头。本工程的罩面幕墙造型，可以形象地比喻为“斜切的西瓜牙儿”，即边界高度各异的双曲面。对面板的弯曲性，加工性要求较高。铝单板则能满足设计要求。
九 、配合施工设计：
罩面的不规则形状对现场施工带来了新的课题：“满堂红”脚手架的昂贵价格使其无法被采用。而面对“关门”的施工周期，必须大面展开施工人员。人员安全的施工条件成了首要解决的大问题。设计时，经与设计院，网架厂家及行业专家探讨，在网架辐杆不能受力的前题下，在受力球上，采用“抱夹式”连接，即用12根脚手管抱夹住钢球。然后，在脚手管抻出钢管连接在一起，形成“浮于网架球面上的阶梯形脚手架系统”。外加设安全网。此种“悬浮式脚手架”，既避免了昂贵的“满堂红”，又保障了施工人员的方便、安全。
十、结束语：
此种大型场馆式异形罩棚幕墙，对我们属于第一次施工，成功的工艺设计是我们的财富。具有点睛之笔的“悬浮式脚手架”方案，更能激发我们向无前例的困难挑战。工程的胜利竣工能大大提高我们的市场竞争力，对我们有着非常重大的意义。
上一条：外墙立面的防雨
下一条：建筑幕墙内之结露问题的计算及解决方法