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金属屋面系统构造设计的适用性分析
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作者:联亿钢构
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发布时间: 2021-10-02
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金属屋面构造设计的适用性主要分为两个方面：一是金属屋面构造材料的选择与建筑物的使用性质、重要程度、地域环境、使用功能要求之间的适用性；二是构造层材料相互之间的连接组合的适用性。金属屋面系统构造设计，主要是针对建筑物的防水、保温、隔热、防结露、温差变形、防风及承载力、防火、防雷、隔声吸音、耐腐蚀性能及满足外观造型要求进行设计。
金属屋面系统构造设计的适用性分析
1.引言
屋面由最原始的树枝加茅草的屋盖形式发展到如今的混凝土基层卷材屋面、金属屋面，其发展变化的本质是结构形式和防水等构造做法的不断进化。随着建筑材料的不断进步，建筑物的结构形式也更加多样化，大跨度钢屋架的应用也越加广泛，金属屋面类型的多样化也切实地迎合了这一需求。本文综合金属屋面的类型和特点以及建筑物的功能性需求，对金属屋面的适用性进行分析，为甄选合理的屋面构造设计方案提供参考，以期在满足建筑功能的前提下实现经济效益的最大化。
2.从规范、标准和图集编制和实施
解读金属屋面的发展历程
随着金属屋面行业的发展、技术手段的日趋完善，金属屋面的类型也在不断增加，国家相关部门也出台了一系列的规范标准及图集来明确金属屋面行业的做法及技术要求。其中《压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造》系列图集及相关屋面规范对金属屋面进行了较为详细的分类，并对其构造做法做了进一步的明确。
在《压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造(一)》（01J925-1）[1]（以下简称“01J925-1”）图集中，编者对压型钢板、压型钢板复合保温系统以及夹芯板进行了定义，收录相关板型的部分参数，明确了屋面构造材料的一般性要求及各部位连接做法要求，并对材料外观及安装要求作出了规定。总体来说，该图集收录的金属屋面产品较为单一，构造功能也较为简单，基本反映了20世纪80年代初到2001年前后这一阶段的金属屋面发展状况。
仅仅过了5年，《压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造(二)》（06J925-2）[2]（以下简称“06J925-2”）图集发行了。作为01J925-1的升级版，06J925-2是对上版图集的细化和补充，可与01J925-1结合使用。该图集对压型钢板复合保温屋面、墙面进行了进一步的细分，增加了压型钢板复合保温卷材防水屋面、墙体的做法，补充了树脂采光板复合屋面、墙体构造做法，同时引入了隔汽层、隔热反射层及防水透气层的概念。这一变化大致反映了2001年至2006年期间金属屋面及采光顶做法的迅速发展和逐步完善。同时，新材料、新工艺的出现解决了屋面构造功能上的部分缺陷，设计时可供参考和选择的金属屋面做法更加丰富。
2008年9月1日起实施的《压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造(三)》[3]（08J925-3）（以下简称“08J925-3”）对材料参数、性能指标进一步细化，较之前两册图集更加具体和严格。配合使用图集中增加了“防火建筑构造（一）”，体现出对建筑防火性能的重视。08J925-3最大的变化，是增加了双层压型钢板复合保温屋面（无檩型）、压型铝合金板复合保温屋面、压型钢板复合保温卷材防水种植屋面、聚碳酸酯板滑动型屋面采光带等构造做法。新增的上述四类屋面中，双层压型钢板复合保温屋面（无檩型）即我们俗称的承板屋面体系；压型铝合金复合保温屋面即铝镁锰合金直立锁边屋面系统，目前广泛应用于机场、火车站、体育场馆、展览中心等大跨度屋盖结构工程中；压型钢板复合保温卷材防水种植屋面旨在利用植物的光合作用吸收太阳辐射进行隔热，具有广阔的应用前景；而聚碳酸酯板滑动型屋面采光带以其特有的质轻、安全性高等优点广泛运用于各大火车站屋面项目中，当其采用双层聚碳酸酯采光板时，保温隔热效能可得到有效提升，但其耐久性有待进一步研究和提升。
2011年5月至2012年10月，国家相关部门相继发布和实施《坡屋面工程技术规范》（GB 50693-2011）[4]、《屋面工程技术规范》（GB 50345-2012）[5]、《采光顶与金属屋面技术规程》（JGJ 255-2012）[6]等与屋面相关的国家、行业标准和规范。新标准、新规范的制定和密集出台是金属屋面行业由粗放式生产转变为标准化生产的重要标志，为提高我国屋面工程技术水平、确保工程质量起到了重要的作用。
屋面行业相关图集的编制以及国家、行业标准和规范的出台与实施历程从侧面反映了金属屋面行业蓬勃发展的态势，同时各种规范对于金属屋面的设计、施工要求也越来越严格。屋面产品的设计和研发丰富了金属屋面的构造设计方式，但是，由于可供选择的金属屋面材料及做法繁多、产品性能及价格的差异较大、产品的成熟性有待进一步考证等一系列因素，也给建设方或建筑师带来了选择上的困惑。如何以安全、经济和美观为原则，采用合理的材料及构造做法来实现建筑物的功能需求，同时满足国家、行业标准和规范的要求，是撰写本文的主要目的。
3.金属屋面构造设计的适用性分析
金属屋面构造设计的适用性主要分为两个方面：一是金属屋面构造材料的选择与建筑物的使用性质、重要程度、地域环境、使用功能要求之间的适用性；二是构造层材料相互之间的连接组合的适用性。金属屋面系统构造设计，主要是针对建筑物的防水、保温、隔热、防结露、温差变形、防风及承载力、防火、防雷、隔声吸音、耐腐蚀性能及满足外观造型要求进行设计。
3.1防水设计
防水等级主要根据建筑物的类别，重要程度、使用功能要求进行确定，重要建筑和高层建筑防水等级为I级，设两道防水设防；一般性建筑防水等级为II级，设一道防水设防。
需要注意的是，《坡屋面工程技术规范》与《屋面工程技术规范》中针对金属屋面的防水设防要求有差异，具体体现在防水垫层的设置要求上：《坡屋面工程技术规范》对于防水垫层材料选用要求比较具体，但对使用条件的描述过于笼统，实际上《民用建筑热工设计规范》（GB 50176-93）[7]第六章条文对于围护结构的防潮设计计算方法及防潮措施作出了明确规定，而《屋面工程技术规范》晚于前者发布和实施，却并未对防水垫层作出明确要求，仅在第4.9.5条规定“金属板屋面在保温层的下面宜设置隔汽层，在保温层的上面宜设置防水透汽膜”，两者用词严格程度不一，值得商榷。
3.2保温隔热及防结露设计
金属屋面保温隔热设计应注意区分建筑物的地域性差异，根据《民用建筑热工设计规范》要求，对建筑物所处的地理位置进行针对性设计，如严寒地区必须充分考虑冬季保温要求，根据规范要求计算保温层厚度，一般可不考虑夏季防热，寒冷及严寒地区还应应进行冷凝结露设计；而夏热冬暖地区必须充分考虑夏季防热要求，宜设置具有隔热功能的构造材料或构造做法，一般可不考虑冬季保温；在金属屋面构造设计上，不同地域环境的金属屋面构造设置方式也有较大差异，这种差异将直接影响建筑物的使用功能和建造成本。
3.3温差变形设计
温差变形设计主要体现在对材料的热胀冷缩性能的要求上，包括支撑系统、构造连接方式及构造层材料的温差变形设计上。此类设计一般为通用性设计，地域差异或使用功能差异对温差变形设计无决定性影响。
3.4防风及承载力设计
金属屋面的防风及承载力主要指屋面承受最不利荷载组合的能力，在风吸力起主导作用的沿海地区及风荷载特别巨大的内陆地区，屋面设计时应充分考虑结构设计的冗余度，采用可靠的构造材料及连接固定方式，并根据规范要求进行防风承载力试验，以确保金属屋面的安全使用。
3.5防火、防雷设计
金属屋面防火、防雷设防要求与建筑物的类型及重要程度相关，构造设计时宜根据建筑物的类型和重要程度进行设计。一、二级耐火等级建筑中，屋面板应采用不燃材料，保温隔热材料应采用不燃或难燃材料。
3.6隔声吸音设计
不同类型或使用功能的建筑物的允许噪声级不一样，其屋面隔声吸音构造的设置方法也不一样。对于开敞式场馆建筑，一般不做隔声要求，但部分场馆有吸音要求。对于噪音敏感程度高的建筑物如剧院、音乐厅、图书馆屋面、顶棚，可以通过设置密度板+低密度玻璃纤维吸音棉或多层压型钢板组合隔声层+低密度玻璃纤维吸音棉的方式进行隔声吸音设计。建筑物的隔声评价需通过测量评定，金属屋面的隔声设计还应满足《民用建筑隔声设计规范》及《建筑隔声评价标准》的相关要求（此处不作具体讨论）。
3.7耐腐蚀设计
金属屋面的耐腐蚀设计包括抗环境腐蚀设计及防电化腐蚀设计。对于室内湿气较大而又有吸音功能要求的人员活动密集性场所（如游泳馆等），当室内接触面板材采用穿孔板时，宜采用压型铝合金板或其他耐腐蚀板材作为内封板，以防止穿孔部位锈蚀；不同材质的金属材料连接接触时，应设置防护垫片，避免电化腐蚀反应对材料耐久性的影响。
4.金属屋面构造设计工程实例及适用性对比分析
为直观体现屋面构造设计针对特定建筑物的的适用性，本文分别选取北京地区某游泳馆及昆明新机场的金属屋面构造设计实例进行对比分析，从建筑物的使用性质、重要程度、地域环境、使用功能要求等方面来分析这两个金属屋面构造设计的适用性。
4.1北京地区某游泳馆的屋面构造设计
该游泳馆位于北京市，建筑高23m，屋面防水等级为I级，防火等级为地上二级，地下一级，防雷设计为二类设防。该游泳馆金属屋面的标准构造设计如图1和图2所示。
图1某游泳馆屋面构造标准横剖节点
图2某游泳馆屋面构造标准纵剖节点
4.2昆明新机场的金属屋面构造设计
该机场位于昆明市，建筑标高72.9m，屋面防水等级为I级，防火等级为地上二级，地下一级，防雷设计为二类设防，其金属屋面的标准构造设计如图3和图4所示。
图3昆明新机场屋面构造标准横剖节点
图4昆明新机场屋面构造标准纵剖节点
4.3适用性对比分析
通过对比可以发现，两者的建筑防水等级、防火等级、防雷设防类别一致，但构造设计方式却大不一样。其差异的产生主要来自于地域环境及使用功能要求的差异。
差别一：防水构造设计的差异
北京地区某游泳馆金属屋面构造设计采用了铝镁锰合金直立锁边屋面板+防水透气膜的两道防水形式，满足规范对于I级防水等级的构造设计要求，但由于防水透气膜安装时会被固定支座穿透，对于穿透部位的防水包覆处理相当繁琐。目前国内很多工程都存在类似问题，构造设置方式的合理性有待研究和改善。
昆明新机场的金属屋面构造则采用了铝镁锰合金直立锁边屋面板+PVC防水卷材的两道防水形式。相对于游泳馆金属屋面来说，PVC防水卷材安装于固定座底部，虽未完全解决自攻钉穿透卷材的问题，但穿透部位防水处理相对简单，且下层保温层为硬度较高的复合保温板材，便于PVC防水卷材连接固定，同时平整度也可得到有效保证，有利于发挥第二道防水层的防水作用。但PVC防水卷材安装时，对环境条件和施工人员的技术水平要求较高，如果盲目追赶工期而进行野蛮施工或使用非专业人员施工，将对屋面工程质量造成严重影响。
差别二：保温层设计的差异
北京地区某游泳馆建筑位于寒冷地区，保温设计应满足冬季保温要求，同时兼顾夏季防热。在保温层的设置上，采用50mm+50mm厚、180kg/m³的高密度保温岩棉，金属屋面的整体传热系数限值通过保温岩棉、封闭空气层及50mm玻璃纤维棉的组合式保温构造来控制，经计算，整体传热系数满足规范要求。值得注意的是，目前市场上的保温产品质量参差不齐，很多产品说明上标识的传热系数参数并不准确，单纯的采用理论数据并不可靠，实际施工时保温材料的质量控制应通过试验检测手段予以甄别。
昆明新机场的建设地点属于温和地区，对于金属屋面的整体传热系数限值要求较低，需考虑冬季保温，一般可不考虑夏季隔热，无需选用多层高密度岩棉来实现保温功能或采用热反射构造材料。昆明新机场的金属屋面构造设计采用双层40mm厚蜂窝芯保温隔音复合板+波谷填塞吸音棉的方式，构造简单、安装便捷，同时也满足了建筑使用功能要求，具有较高的适用性。同时，蜂窝芯保温隔音复合板为PVC防水卷材的安装提供了高质量的作业面，是两种材料之间适应性的具体表现。
除上述两点之外，我们还可以发现两种构造设计中底板的材质不一样。游泳馆采用1.2mm厚压型铝合金板作为内侧板，更能适应游泳馆室内的潮湿环境，保持材料的耐久性；而昆明新机场采用的是0.8mm厚压型钢板则是因为结构设计的承载力要求，体现使用环境对构造材料设计的适应性要求。
5.结语
综上所述，在做金属屋面的构造和设计时，要结合建筑物的使用性质、重要程度、地域环境、功能要求等进行严格甄选，并合理选材，以妥善满足建筑物的各项需求。现今国家规范对于金属板屋面二道防水构造设计的相关规定还不完善，有待进一步明确和整合，因此，在金属屋面的构造设计和选材时，应尽量确保各项性能指标与设计值相符，施工阶段对材料质量的控制应建立更为完善的监督机制。
参考文献
[1]中国建筑标准设计研究院．压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造：01J925-1[S]．北京：中国计划出版社，2006．
[2]中国建筑标准设计研究院．压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造（二）：06J925-2[S]．北京：中国计划出版社，2007．
[3]中国建筑标准设计研究院．压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造（三）：08J925-3[S]．北京：中国计划出版社，2008．
[4]中华人民共和国住房和城乡建设部．坡屋面工程技术规范：GB 50693-2011[S]．北京：中国建筑工业出版社，2012．
[5]中华人民共和国住房和城乡建设部．屋面工程技术规范：GB 50345-2012[S]．北京：中国建筑工业出版社，2012．
[6]中华人民共和国住房和城乡建设部．采光顶与金属屋面技术规程：JGJ 255-2012[S]．北京：中国建筑工业出版社，2012．
[7]中华人民共和国建设部．民用建筑热工设计规范：GB 50176－93[S]．北京：中国计划出版社，1993．
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