中庭天窗构造-建筑构造最新成果

中庭的围护方式与结构形式以及采光方式有关。根据造型要求，中庭的围护方式常采用以下几种。

中庭天窗构造

在框架结构以及采用金属骨架的建筑中，中庭可以采用大面积垂直的玻璃墙面，也可以采用水平方向或带有一定坡度的采光屋顶。透光材料可以采用透明或半透明的玻璃、塑料以及其他复合材料。

中庭围护结构有时也可以采用织物篷幕结构——充气结构与张拉结构。在较强的天空亮度下，半透明性的织物可以使中庭产生部分扩散光。织物具有良好的反射性能，例如白色界面的织物在白天可以反射约70%的日光热量，具有节能的特点，同时，夜间照明比较经济。在织物围护的中庭中，应避免弧面的声反射聚焦带来的影响，在造型设计和构造处理中减少不良的声学效果。

在中庭天窗采光处理方式中，最常用的是金属骨架玻璃采光天窗的方式，如图11-51所示。以下从材料、形式和构造三方面加以介绍。

图11-51　金属骨架玻璃采光天窗

1.材料的选择

采光天窗主要由骨架、透光材料、连接件、胶结密封材料组成。其中，骨架与连接件通常采用型钢或铝合金型材，其材料性能与幕墙金属骨架性能相近；胶结密封材料与幕墙所用材料基本相同。这里主要介绍透光材料。

天窗透光材料应满足安全要求，并且要具有较好的透光性能和耐久性。为保证中庭空间具有较好的热稳定性，在室内外环境条件差异较大的地区，可以选择具有良好热工性能的天窗透光材料。在需要防眩光处理的天窗中，应选择具有漫反射功能的透光材料来避免眩光的产生。

1）具有抗冲性能的材料。

天窗处于中庭上空，当重物撞击或冰雹袭击天窗时，应防止玻璃破碎后落下砸伤人，所以天窗玻璃要有足够的抗冲击性能，要求选择不易碎裂或碎裂后不会脱落的玻璃，常用的有以下几种。

（1）夹层安全玻璃。

夹层安全玻璃也称为夹胶玻璃，这种玻璃是将两片或两片以上的平板玻璃，用聚乙烯塑料黏合在一起制成的，其强度远超过老式的夹丝玻璃，而且被击碎后能借助中间塑料层的黏合作用，仅产生辐射状的裂纹而不会脱落。这种玻璃有净白和茶色等多种颜色，透光系数为28%～55%。

（2）丙烯酸酯有机玻璃。

丙烯酸酯有机玻璃最初用于军用飞机的座舱，可采用热压成型或压延工艺制成弯形、拱形或方锥形等标准单元的采光罩，然后再拼装成外观华丽、形式多样的大面积玻璃顶，其刚度非常好，具有较高的抗冲击性能，且透光率可高达91%，水密性和气密性均很好，安装维修方便。早期的丙烯酸酯有机玻璃是净白的，现在已能生产乳白色、灰色、茶色等多种有机玻璃，对消除眩光十分有利。染色的和具有反射性能的有机玻璃有利于控制太阳热的传入，隔热性能较好。

（3）聚碳酸酯有机玻璃。

聚碳酸酯有机玻璃是一种坚韧的热塑性塑料，俗称阳光板，具有很高的抗冲击强度（约为玻璃的250倍）和很高的软化点，同时具有与玻璃相似的透光性能，透光率通常为82%～89%，保温性能优于玻璃，并且容易冷弯成型，但是耐磨性较差，时间久了易老化变黄，从而影响到各项性能。其广泛用于商店橱窗，作为一种防破坏和防偷盗的玻璃。在天窗设计中，常用于建造顶部进光的玻璃屋顶。

（4）其他玻璃。

除上述几种玻璃外，用于天窗的透光材料还有玻璃钢、钢化玻璃。玻璃钢又叫加筋纤维玻璃，具有强度大、耐磨损、半透明等优点，有平板、弧形、波形等形状。

2）具有保温隔热性能的材料。

天窗玻璃除要求抗冲击性好外，还应有较理想的保暖隔热性。上述玻璃的热工性能都较差，为了改善中庭的热环境，可以选用以下各种玻璃。

（1）镜面反射隔热玻璃。

生产镜面反射隔热玻璃时，经热处理、真空沉积或化学方法，可使玻璃的一面形成一层具有不同颜色的金属膜，形成金、银、蓝、灰等各种颜色，它像镜子一样，具有将入射光反射出去的能力。6mm厚的普通玻璃透过的可见光高达78%，而同样厚度的镜面反射玻璃仅能透过26%，对比图11-52（a）、（b）可知，这种玻璃的隔热性能很好，且其不但像镜子，能反映四周景物，也能像普通玻璃一样透视，不会影响从室内向外眺望景色。

（2）镜面中空隔热玻璃。

镜面中空隔热玻璃虽有较好的隔热性能，但它的导热系数仍和普通玻璃一样。为了提高其保温性，可将镜面玻璃与普通玻璃共同组成带空气层的中空隔热玻璃，导热系数可由单层玻璃的5.8W/（m·K）降为1.7W/（m·K），透光率可降到10%左右，如图11-52（c）所示。可见，这种镜面中空隔热玻璃的保温和隔热性能均比其他玻璃好。

（3）双层有机玻璃。

双层有机玻璃由丙烯酸酯有机玻璃挤压成型，纵向有加劲肋，肋间形成孔洞。这种双层有机玻璃的保温性能好，强度比单层有机玻璃高。

（4）双层玻璃钢复合板。

双层玻璃钢复合板是将两层玻璃钢熔合在蜂窝状铝芯上构成中空的玻璃钢板材，其具有保温性好、强度高、半透明的优良性能。

图11-52　不同品种玻璃的热工性能比较

（a）6mm厚普通玻璃；（b））6mm厚镜面反射玻璃；（c）镜面中空隔热玻璃

2.中庭天窗形式

按进光的形式不同，天窗形式可以分为两大类：一类是光线从顶部透过的天窗，通常称为玻璃顶；另一类是侧面进光的天窗。地处温带气候或阴天较多的地区最多选用玻璃顶，它的透光率高，比侧面进光的天窗透光率至少高出5倍，所以在阴天多和不太炎热的地区选用这类天窗，既可使中庭获得足够的自然光，又不致造成室内过热。如果在炎热地区选用玻璃顶，大量直射阳光进入中庭内，容易造成室内过热，所以在炎热地区以选用侧面进光的天窗为宜。天窗也是建筑造型中的重要元素，丰富多变的天窗为建筑空间的创造提供了有利的条件，图11-53～图11-55 为建筑中各种形式的天窗。

图11-53　各种形式的天窗

天窗的具体形式应根据中庭的规模大小、中庭的屋顶结构形式、建筑造型要求等因素确定。常见的有以下几种天窗形式。

（1）棱锥形天窗。

棱锥形天窗有方锥形、六角锥形、八角锥形等多种形式，如图11-54（a）～（e）所示。尺寸不大（2m以内）的棱锥形天窗，可用有机玻璃热压成采光罩。这种采光罩为生产厂家生产的定型产品，也可按设计要求订制。它具有很好的刚度和强度，不需要金属骨架，外形光洁美观，透光率高，可以单个使用，也可以将若干个采光罩安装在井式梁上组成大片玻璃顶，构造简单，施工安装方便。

图11-54　中庭天窗形式1

（a）方锥形采光罩；（b）方锥形玻璃顶；（c）多角锥形玻璃顶；（d）成片锥形玻璃顶；（e）角锥体平板网架构成的玻璃顶；（f）斜坡式玻璃顶；（g）单坡式玻璃顶；（h）双坡式玻璃顶；（i）拱形玻璃顶；（j）拱形玻璃顶；（k）成片拱形采光罩；（l）穹形采光罩；（m）成片穹形采光罩；（n）穹形玻璃顶

当中庭采用角锥体平板网架作屋顶承重结构时，可利用网架的倾斜腹杆作支架，构成棱锥式玻璃顶，如图11-54（e）所示。

（2）斜坡式天窗。

斜坡式天窗分为单坡、双坡、多坡等形式。玻璃面的坡度一般为15°～30°，每一坡面的长度不宜过大，一般控制在15m以内，用钢或铝合金做天窗骨架，如图11-51（f）～（h）所示。

（3）拱形天窗。

拱形天窗的外轮廓一般为半圆形，用金属型材做拱骨架，根据中庭空间的尺度大小和屋顶结构形式，可布置成单拱，或几个拱并列布置成连续拱。透光部分一般采用有机玻璃或玻璃钢，也可以用拱形有机玻璃采光罩组成大片玻璃顶，如图11-54（i）～（k）所示。

（4）圆穹形天窗。

圆穹形天窗具有独特的艺术效果。天窗直径根据中庭的使用功能和空间大小确定。天窗曲面可为球形面或抛物形曲面，天窗矢高视空间造型效果和结构要求而定。直径较大的穹形天窗应用金属做成穹形骨架，在骨架上镶嵌玻璃，必要时可在天窗顶部留一圆孔作为通气口。

如果中庭平面为方形或矩形等较规整的形状，可以采用穹形采光罩构成成片的玻璃顶。采光罩用有机玻璃热压成型。穹形采光罩也可以单个使用，有方底穹形采光罩和圆底穹形采光罩。穹形天窗的各种形式如图11-54（l）～（n）所示。

（5）锯齿形天窗。

炎热地区的中庭可以采用锯齿形天窗，每一锯齿形由一倾斜的不透光的屋面和一竖直的或倾斜的玻璃组成，如图11-55（a）所示，当屋面朝阳布置、玻璃背阳布置时，可以避免阳光射进中庭。由于屋面是倾斜的，射向屋面的阳光将穿过玻璃反射到室内斜顶棚表面，再由顶棚反射到中庭底部，图11-55（a）中箭头指示的方向表示了这一反光过程。可见采用锯齿形天窗既可避免阳光直射，又能提高中庭的照度。倾斜玻璃比竖直玻璃的采光效率高，所以在高纬度地区宜采用倾斜玻璃；而在低纬度地区，有可能从倾斜玻璃面射进阳光时，宜改成竖直的玻璃面。

（6）其他形式的天窗。

在工程设计中，可结合具体的平面空间和不同的结构形式，演变和创造出其他天窗形式。图11-55（b）、（c）是利用双曲扭壳和扁壳构成的侧向进光天窗，为了防止挡光，相邻天窗应保持一定的距离。图11-55（d）是由薄壳组成的锯齿形天窗，每一壳面的一端为直线，另一端为拱曲线，可采用无斜腹杆形钢筋混凝土桁架作为薄壳的边缘构件。图11-55（e）是利用高层建筑两翼之间的空缺位置布置中庭，屋顶层层后退构成台阶形侧向进光天窗，是锯齿形天窗在特定条件下的变化形式。图11-55（f）是一种树状式玻璃顶，它采用树状式悬挑钢结构作天窗骨架，树状式结构的数目视中庭面积大小而定，天窗布局非常灵活自由。

3.中庭天窗构造

侧面进光的天窗构造与普通窗的构造有很多类似的地方。这里着重介绍顶部进光的玻璃顶，在其构造设计中，应满足以下设计要求。

（1）天窗应有良好的安全性能。

天窗的各组成构件应具有较高的承载力，以抵抗风荷载、雨雪荷载、地震荷载以及自重等。各构件必须具有足够的强度，并保证连接牢固可靠。

（2）防止天窗冷凝水对室内的影响。

当室内外存在较大的温差时，玻璃表面遇冷会产生凝结水，即所谓结露现象。要妥善设置排除凝结水的沟槽，防止冷凝水滴落到中庭地面，造成不良影响。解决这一问题，可以选择中空玻璃等热工性能好的透光材料，条件许可时，可以在采光顶的周围加暖水管或吹送热风以提高采光顶的内侧表面温度，使玻璃的表面温度保持在结露点之上。构造处理上常专门设置排水槽排冷凝水，排水槽要保证必要的排水坡度。采用这种方法，应注意在纵横两个方向均设排水槽，但是排水路径不能过长，以免冷凝水聚集过多而滴落。(www.xing528.com)

图11-55　中庭天窗形式2

（a）锯齿形天窗；（b）扭壳组成的天窗；（c）扁壳组成的天窗；（d）薄壳组成的锯齿形天窗；（e）台阶形天窗；（f）树状式玻璃顶

（3）天窗应有良好的防水性能。

中庭天窗常常是成片布置，玻璃顶要有足够的排水坡度，排水路线要短捷畅通。细部构造应注意接缝严密，防止渗水。

（4）防止眩光对室内的影响。

天窗作为顶部采光方式，容易因阳光直射入内而形成眩光，给人们带来极大的不便。为防止眩光，一方面可以采用具有漫反射性能的透光材料，如磨砂玻璃等；另一方面可以在透光材料下加设由塑料或有机玻璃制作的管状或片状材料构成的折光板，也可以设置金属折光片。

（5）满足建筑安全防护要求。

我国现行《建筑设计防火规范》（GB 50045—2014）规定：当高层建筑的中庭采用玻璃屋顶，其承重构件如采用金属构件，应设自动灭火设备保护或喷涂防火材料，使其耐火极限达到1 h的要求。中庭顶棚应设有烟感探测器，并应符合中庭排烟设计的要求。

除满足防火要求外，中庭天窗还应满足防雷要求。天窗的骨架及连接件多用金属制成，应有严格的防雷处理。一般情况下，不便在天窗的顶部设防雷装置，因此天窗必须设在建筑物防雷装置的45°线之内。

4.玻璃顶细部构造

下面介绍玻璃顶及其相关组成部分的细部构造。

（1）玻璃顶的承重结构。

玻璃顶的承重结构都是暴露在大厅上空的，结构断面应尽可能设计得小些，以免遮挡天窗光线，一般选用金属结构，用铝合金型材或钢型材制成。常用的结构形式有梁结构、拱结构、桁架结构、网架结构等。承重结构有的可以兼作天窗骨架，如跨度小的玻璃顶可将玻璃面的骨架与承重结构合并起来，即玻璃装在承重结构上，结构杆件就是骨架。大多数的玻璃顶，安装玻璃的骨架与屋顶承重结构是分开来设计的，即玻璃装在骨架上构成天窗标准单元，再将各单元装在承重结构之上。当承重结构与天窗骨架相互独立时，两者之间应有金属连接件作可靠的连接。骨架之间及骨架与主体结构间的连接，一般要采用专用连接件。无专用连接件时，应根据连接所处位置进行专门的设计，一般均采用型钢与钢板加工制作而成，并且要求镀锌。连接螺栓、螺钉应采用不锈钢材料。骨架的布置，一般需根据玻璃顶的造型、平面及剖面尺寸、透光材料的尺寸等因素来共同确定。图11-56所示为部分天窗骨架与结构，图11-57 为几种常见造型玻璃顶的骨架布置图。

图11-56　部分天窗骨架与结构

（2）玻璃的安装。

用采光罩作玻璃采光面时，采光罩本身具有足够的强度和刚度，不需要用骨架加强，只要直接将采光罩安装在玻璃屋顶的承重结构上即可。其他形式的玻璃顶则是由若干玻璃拼接而成，所以必须设置骨架。骨架一般采用铝合金或型钢制作。骨架的断面形式应适合玻璃的安装固定，要便于进行密封防水处理，要考虑积存和排除玻璃表面的凝结水，断面要细，以防挡光。可以用专门轧制的型钢来做骨架，但钢骨架易锈蚀，不便于维修，现在多采用铝合金骨架，它可以挤压成任意断面形状，轻巧美观，挡光少，安装方便，防水密封性好，不易被腐蚀。图11-58 为各种金属骨架断面形式及其与玻璃连接的构造详图。

图11-57　常见造型玻璃顶的骨架布置图

（a）四角锥玻璃顶；（b）六角锥玻璃顶；（c）拱形玻璃顶；（d）小型圆锥玻璃顶；（e）中型圆锥玻璃顶；（f）大型圆锥玻璃顶

图11-58　各种金属骨架断面形式及其与玻璃连接的构造详图

（a）有承水槽，构造简单，防水可靠；（b）有承水槽，防水可靠；（c）铝制金属横挡，防水可靠；（d）铝制金属横挡，防水可靠

（3）天窗的排水处理。

当天窗面积较小时，天窗顶部的雨水可以顺坡排至旁边的屋面，由屋面排水系统统一排走。当天窗面积较大或者由于其他原因不便将水排至旁边屋面时，可以设置天沟将雨水汇往屋面或用单独的水落口和水落管排出。冷凝水由带排水槽的金属骨架排向天沟，再由天沟排走。天沟可以是单独的构件，也可与井字梁等结构构件相结合设置。图11-59 为利用井字梁设置天沟的构造做法。

图11-59　利用井字梁设置天沟的构造做法（单位：mm）

（4）其他。

根据不同的使用要求和条件，天窗部位有不同的构造处理措施。有的天窗在使用中为强调玻璃的安全性，可以在玻璃的上下两侧或一侧附设防护网，如图11-60所示。有的天窗为了改善通风条件，将下沿的承重结构抬高，在侧壁形成百叶窗来通风。为加强通风，也可以为天窗设置一部分可开启扇，但是对防水不利，构造也较复杂。在严寒地区设置天窗时，可以在承重结构的上下设置为双层采光天窗，形成一个空气间层以提高保温性能，并且可以减少冷凝水的产生。

图11-60　天窗玻璃防护网的安装

（a）平天窗上部设防护网；（b）上下均设防护网的天窗构造

下面举几个有典型意义的玻璃顶实例，进一步说明玻璃顶的构造。

图11-61 为重庆师范大学学生活动中心玻璃顶构造。玻璃顶由8 个方形锥体以对角线错位相接布置，每个锥体的平面尺寸为2120mm×2120mm，承重结构采用正交斜放钢筋混凝土井字梁。天窗之间的屋面略高于其他屋面并作找坡处理，用泄水管将雨水排至较低屋面。由于地处炎热气候地区，天窗构造上不作排冷凝水的考虑，而是将天窗侧壁升高后设铝合金百叶窗以加强通风。

图11-62 为美国达拉斯世界贸易中心中庭玻璃顶构造。玻璃顶平面尺寸为53.3m×42.7m，用井字形钢梁作玻璃顶承重结构，共有20 个井格，每个井格上安放一个10.7m×10.7m的方锥形玻璃顶。玻璃按25°倾斜面设置，采用铝型材骨架，玻璃四周的铝型材均带有积水槽，用来积存玻璃表面的凝结水。玻璃顶的檐部铝件也带有积水槽，以便将全部凝结水汇集到槽内再从出水孔排至天沟。

图11-63 为加拿大多伦多某汽车陈列室玻璃顶构造，采用双坡式玻璃顶天窗。屋顶承重结构与天窗骨架合并，用铝型材制作。主要受力构件为顺水流方向的纵向型铝，它是断面较大的空心构件。垂直于水流方向的横向型铝通过连接件支承在纵向型铝上。透光材料采用双层空心丙烯酸酯有机玻璃，将它搁放在纵横型铝上再用型铝盖板卡紧，所有缝隙均嵌填密封胶条。

图11-61　重庆师范大学学生活动中心玻璃顶构造（单位：mm）

图11-64 为深圳某旅馆休息厅玻璃顶构造。由于跨度小，屋顶用梁结构承重，槽形钢构件搁在梁上形成排水沟。天窗骨架采用T形断面的钢构件支承在排水沟上构成多坡式玻璃顶。坡面斜率为1/3，采用钢化玻璃，用油灰嵌固在骨架上。该玻璃顶全部用钢构件，取材容易，造价便宜，但应注意经常刷涂饰面涂料以防锈蚀。

图11-65 为某商场营业楼玻璃顶构造。其平面呈六边形，用六根钢筋混凝土斜梁与型钢共同组成天窗骨架，透光材料采用白色半透明玻璃钢波形瓦，室内光线产生均匀的漫反射效果。玻璃钢波形瓦的搭接处理与各类波形瓦屋面相同，波形瓦与金属骨架间要有可靠的连接，并妥善进行防水处理。

图11-62　美国达拉斯世界贸易中心中庭玻璃顶构造

图11-63　加拿大多伦多某汽车陈列室玻璃顶构造

图11-64　深圳某旅馆休息厅玻璃顶构造（单位：mm）

图11-65　某商场营业楼玻璃顶构造（单位：mm）

章节自测题

主观题

1.什么是大跨度建筑？

2.大跨度结构形式常用的有哪几种？并分别说明其优缺点。

3.大跨度建筑适用于什么类型建筑？并举例说明。

4.试比较桁架结构与网格结构的区别，并分别说明其特点。

5.分析国家大剧院的结构形式并说明此结构优缺点。

6.分析巴黎联合国教科文组织会议大厅屋顶结构形式并画出其剖面图。

客观题

请扫下面的二维码，进入第11章，进行客观题在线测试与练习。