深圳某会展中心金属屋面系统的设计与施工.doc

深圳**展览中心金属屋面系统的设计与施工

　　　 本文系统介绍了深圳**展览中心金属屋面系统的设计与施工。金属屋面系统作为一种新型屋面系统，其除了能满足正常的防风挡雨的要求外，还具备了自重小、保温、降噪、防雷及造型新颖等多方面的功能，近年来较多地应用于体育场馆、展览馆等大型现代公共建筑的屋面。

　　一、工程简介
　　深圳**展览中心位于深圳市中心区中轴线南端，南临城市快速干线**大道，北临城市次干道**三路，东西两侧为城市主干道**路和**路。占地面积220，000平方米，总建筑面积280，000平方米，由深圳市政府投资兴建，是集展览、会议、商务、餐饮、娱乐为一体的多功能公共设施。
　　本工程采用的是目前欧美各国应用极为成功和广泛的“Standing Seam Roofing System”（立边咬合接口屋面系统），屋面面板采用铝锰镁合金板。金属屋面系统作为一种新型屋面系统，其除了能满足正常的防风挡雨的要求外，还具备了自重小、保温、降噪、防雷及造型新颖等多方面的功能，近年来较多地应用于体育场馆、展览馆等大型现代公共建筑的屋面。
　　二、本工程设计要点：
　　深圳**展览中心金属屋面系统的设计是由屋面构造设计、计算及防雷设计等几部分组成。
　　1.金属屋面系统的构造设计：
　　本工程金属屋面系统由金属屋面、采光天窗、不锈钢排水沟及收口附件等组成，而金属屋面则是整个系统中最为重要的部分，也是设计的重点。
　　本工程金属屋面根据其各部分的功能及安装位置可分为以下四部分（参见图3、4）：
　　1.1  结构檩条层：包括钢檩条及连接螺栓
　　钢檩条设计是根据屋架的间距和风荷载的大小来选择截面形式，本工程采取多重钢檩条的结构形式，以确保结构的安全性。40 mm高镀锌次衬檩与主衬檩连接，按屋面的宽度纵向连续设置，用于支撑铝合金屋面板固定座，并形成防水层的波峰。60 mm高镀锌主衬檩安装于结构性底层压型钢板上，与底板垂直铺设，用自攻钉固定于底板上，用于支撑次衬檩。70 mm高主檩条用射钉安装于钢结构檩条上，用于支撑压形钢板层。
　　钢檩条与屋顶钢屋架的连接设计尽量采取的是机械连接的方式，避免焊接连接。一方面是为了避免对主体钢屋架产生附加应力，影响主体结构的安全性，另一方面是由于本工程钢屋架都具有防火要求，钢架表面都喷有防火涂料，如果直接焊接会破坏主体钢架的防火层，故钢檩条与屋顶钢屋架的连接设计采用高性能的射钉，射钉的规格及数目需根据结构计算来确定。
　　1.2  压形钢板层：包括压形钢板、吸音棉
　　压形钢板采用的是冲孔镀铝锌压型钢板，开孔的目的是利用微孔吸音的原理吸收声波，通常其降噪系数NRC可达0.95。其底板采用153 mm高的承重式底层板，跨度6米，板侧肋穿微孔，内填超细玻璃吸音棉材料，具有结构性及吸音性能。底板宽560 mm，侧向搭接安装于支撑主檩条上，支撑上部保温系统、主次衬檩支撑系统、PVC防水系统和铝合金屋面外层板系统，是屋面的结构承重部分。1.75 mm厚的钢底板用于屋面的边缘区，1.5 mm厚的钢底板用于屋面的中央区。
　　底层板为热镀锌钢板，双面镀锌量275 g/m2，通过底板成型机在工厂辊压成型，形成结构承重式底层板。压型钢板穿孔率为20%，孔径?准3 mm，板底涂半亚光漆，灰色RAL9006，采用粉沫喷涂工艺，在工厂加工完成。
　　吸音棉采用超精细玻璃棉，其容重较小，吸音效果好。
　　1.3  防水保温层：包括防水卷材和保温板
　　防水层是屋面防水的第二道防线，采用的是具有良好耐侯性和伸缩性的聚氯乙烯（PVC）高分子卷材，可焊接施工，每一单元的屋面焊接成一块整体的防水层，卷材边缘与钢结构交接的部位卷起搭接，用防水胶粘贴并固定，并伸入不锈钢天沟粘贴固定。在PVC防水层下面铺设一道铝铂防潮隔汽层，阻止水汽在屋面内积聚，对屋面内材料起到防护作用。
　　保温层是屋面室内外热量及空气交换的屏障，采用了聚苯乙烯挤塑泡沫板，在实现保温功能的同时具有吸收屋面噪声的功能。该层挤塑保温板填充于屋面板与PVC防水卷材之间，起保温隔热作用，并支撑屋面板。之所以分两层填充是由于支撑屋面板固定座的次衬檩条之间设有20 mm的导水波谷，38 mm聚苯保温板填充于波谷，20 mm聚苯保温板填充于波峰，便于施工。

1.4  面板层：包括铝合金面板、铝合金支座、绝缘隔离垫片、紧固螺钉等
A）铝合金面板
铝合金面板是整个屋面系统的主要防水屏障，采用的是目前国际国内比较流行的是暗扣直立锁边铝锰镁合金板屋面系统，该系统具有如下特点：
a） 具备整体结构性防水、排水功能；
b） 结构简洁、轻巧、安全，在海洋性台风、暴雨地区尤其适用；
c） 施工安装灵活、快速。
该系统的铝合金面板一方面要充分保证防水功能上的要求，另一方面还要满足安全可靠及防腐蚀性能的要求，所以设计上采用强度和防腐蚀性能较好的铝镁锰合金板（合金状态为H44、合金成分为AA3004、屈服强度≥150 MPa、抗拉强度≥180 MPa、金属延伸率≥4%，表面处理为氟碳预辊涂烤漆面），且由于该面板厚度较薄，为1.0 mm铝镁锰锁边压型层面板，故该系统设计有65 mm高的立边设置，可使面板有较强的总体强度及刚度；在板中间沿纵向间距100 mm布置的小圆弧型加强筋又可使面板获得足够的局部刚度，可使该面板满足在各种工况条件下的使用要求（参见图8）。铝合金屋面板的缝合安装，通过强力电动锁边缝合机快速缝合，公边与母边紧密贴合并紧紧扣住固定座。由于屋面板肋较高，雨水将不能漫过屋面而浸水，由于毛细现象可能出现的沿板肋浸水则被公边顶部的一道断水线隔断，雨水将不能浸进屋面板内，具有非常优越的防水性能。缝合完成的屋面，屋面上没有外露的螺钉，板肋光滑圆顺，并有足够的强度承受屋面上行人等动荷载。在屋面板下填充满有聚苯保温板，使整个屋面更加平整结实。
B）支座
支座为铝合金支座（参见图9），采用具有较高的强度及硬度的6063-T5型铝合金，支座的形状如同一倒立的T字，故又称“T”码。相邻的面板的边缘搭接搁置在支座上端并通过机器咬边而固定在支座上，使面板仅可以沿支座滑动或绕支座转动，满足由于温差而引起的伸缩要求。由于面板与支座有频繁的相对运动，故支座的上端设计成圆弧形，防止面板在滑动时被支座划伤。支座的下端为6 mm厚平板，预留有螺钉孔，支座的间距以及螺钉的数目需根据结构计算确定。
C）绝缘隔离垫片
绝缘垫片采用有足够强度及抗老化性能的聚酰氨材料，一方面防止铝合金支座直接接触钢檩条而产生电化学腐蚀，另一方面可以有效减低屋面的热传导和噪声（参见图10）。
D）紧固螺钉
为尽量降低不同金属材质间的电化学腐蚀作用和工地安装的方便，紧固螺钉采用不锈钢的自攻自钻螺钉，螺钉的规格及数目需根据结构计算确定（参见图10）。
2.金属屋面系统的计算：
本工程金属屋面系统的计算包括结构计算、保温隔声计算及排水系统的计算。
2.1  结构计算
本工程的结构设计是以概率理论为基础的极限状态设计法设计，结构重要性系数取为1.1，抗震设防烈度为7度，设计使用年限为50年。
A）面板层的校核
a）屋面板的校核：根据屋面板的跨度1.5m取最不利荷载按等跨连续梁的计算方法校核屋面板的强度及刚度。本工程屋面板的参数如下：
b）铝合金支座的校核：根据计算出的连续梁的支座反力对铝合金支座的强度进行校核。
c）连接螺栓的校核：根据计算出的连续梁的支座反力对连接螺栓的抗拉及抗剪强度进行校核，确定采用螺栓的数量及规格。
B）结构檩条层的校核
a）结构檩条的校核：按结构檩条的跨度取最不利荷载按两端简支的计算方法校核结构檩条的强度及刚度。
b）连接螺栓的校核：根据计算出的简支梁的支座反力对连接螺栓的抗拉及抗剪强度进行校核。
C）压形钢板层的校核
a）压形钢板的校核：按压形钢板的跨度取最不利荷载按两端简支的计算方法校核压形钢板的强度及刚度。
b）连接螺栓的校核：根据计算出的简支梁的支座反力对连接螺栓的抗拉及抗剪强度进行校核。
D）排水沟支架的校核
按排水沟支架的跨度取最不利荷载按两端固支的计算方法校核排水沟支架的强度及刚度，并根据其与主体连接的方式（螺栓连接或焊接连接）来校核连接的可靠性。
2.2  保温隔声计算
根据所采用保温材料的参数进行传热计算以确定是否满足使用要求。
2.3  排水系统计算
按本工程所在地的气象资料和根据屋面实际情况计算出的屋面汇水面积来计算确定各个排水系统的雨水斗型号、雨水斗数量。
3.金属屋面系统的避雷设计：
防雷是建筑安全的一项基本要求，也是屋面系统的基本要求。通常屋面防雷做法是在屋面明敷防雷带和防雷网，这种方法不甚美观。而本工程金属屋面系统中由于金属屋面板是良好的导体，下面是不燃物保温材料，按《建筑防雷设计规范》（GBJ57-2004）4.1.4条，金属板下无易燃物，板厚≥0.5 mm时，屋面板可作为接闪器（除第一类防雷建筑物），因此只需合理的安排引下点即可达到金属屋面防雷的要求。
具体设计时是将铝合金支座下面的绝缘隔离垫片更换成铝合金垫片从而构成防雷引下点，形成金属屋面板→铝合金支座→铝合金垫片→钢檩条→屋面钢结构的导通电路，与整个建筑的避雷网形成电气联通，从而达到防雷的目的。引下点的布置每隔8 m一个，在屋面板的两端再各作一个，以保证防雷接地的可靠性。
三、本工程金属屋面系统的功能：
1.防水功能：
防水是屋面系统最重要的功能，由于本工程屋面设计上是纵向无接缝，且将屋面板的纵向沿着屋面的排水方向进行铺设，只要妥善处理好檐口节点和屋面板与排水沟及天窗相交接的节点，即可杜绝漏水的发生。由于屋面板与天窗的接口比较多，处理不好容易出现防水隐患，在本工程中将天窗抬高，使其高出屋面板的立边，屋面板在与天窗收口处泛起一定高度，可有效防止雨水倒灌，从而达到防水的目的。且在屋面板与保温板之间设一道PVC防水卷材，即双重防水，使局部可能出现的小浸漏被PVC防水卷材汇集排入天沟。
2.排水功能：
屋面系统畅通的排水功能，不仅有利于屋面的防水，而且可以避免由于屋面积水而造成的额外荷载对整个屋面系统结构产生不利影响。
本工程屋面排水功能的实现主要是通过排水沟及排水管的合理设置，有效地组织雨水的排放，以保证排水通道的顺畅。排水沟及排水管的位置及数量应与屋面的大小、坡度方向等相匹配，排水沟、水斗的宽度、深度等与屋面系统一致，并具备相应的抗结构、温度等变形的能力。
本工程排水沟主要由不锈钢面板槽、结构托梁（间隔布置，需保证排水沟所应承受的荷载和上人检修的安全）、保温层（聚苯乙烯挤塑泡沫板）等构成（参见图11）。箱型梁侧不锈钢天沟比屋面板波谷低50 mm，并与横向不锈钢天沟焊接，具有溢流泄水的作用，避免特殊情况下横向天沟雨水漫过屋面。在排水沟上留有预留孔来安装雨水斗及排水管，雨水斗的大小及数量都根据计算来确定，雨水斗的底座为不锈钢制成，直接与天沟面板焊接组装，以保证防水的可靠。
3.保温隔热功能：
在屋面板与结构檩条之间铺设有聚苯乙烯挤塑泡沫板，能有效满足屋面系统的保温隔热功能，该板具有以下特点：
1）轻质：聚苯乙烯挤塑泡沫板在挤出过程中有连续均匀的表层及闭孔式蜂窝结构，这些蜂窝结构形成一个个小孔泡，中间的空气不会流通。
2）吸水率低：泡沫使板材拥有优异的不吸水性能。
3）优异的隔热保温性能。
4）抗压能力压缩强度：能够满足施工上人行走的要求。
5）防火能力强且能够满足建筑的防火要求，达到难燃B2级别。
6）板材的边缘有启口，可以错开搭接铺设，有效避免冷桥的形成。
4.隔声降噪功能：
在压形钢板上铺设吸音棉并在压形钢板上开孔来利用微孔吸音的原理吸收声波，从而满足屋面系统的隔声降噪功能。
吸音棉采用超精细玻璃棉，其特点如下：
1）化学性能稳定，不会腐蚀其他构造功能层；
2）玻璃棉无渣球和粉底粉尘，降低了对施工人员健康的影响；
3）均匀、纤细而数量巨大的玻璃纤维对制品中的空气产生了极大的粘滞阻力，彻底杜绝空气的对流导热，同时面层的隔热铝箔也起到了减少辐射热；
4）玻璃棉是不燃产品，符合防火A级；
5.采光功能：
本工程屋面系统采光功能的实现主要是通过在屋面开设玻璃天窗及百页天窗来实现，其中天窗的设计还应兼顾排烟和通风的功能。
6.防雷功能。
四、本工程的施工工艺
1.金属屋面的加工
1）钢结构的加工
金属屋面的钢结构（结构檩条及压形钢板等）需在工厂进行加工，以确保良好的加工精度。
2）屋面板的加工
屋面暗扣直立锁边铝锰镁合金板的加工是通过工地现场辊压加工中心轧制成型，其加工步骤如下：
A）设备就位：铝合金板块加工设备可吊至屋面水平高度，板块加工成型后即可直接进行铺设，在加快工程进度的同时减少了材料的堆放场地及运输。
B）设备调试：加工设备吊装就位后，必须根据压板工艺的要求调整位置并吊装稳固。在开工前三天进行设备的调试及试生产，调整设备的参数直至能够生产出合格的面板。
C）上料：生产屋面板的原材料为铝卷，每卷重约2吨，需通过吊装设备将铝卷送至加工设备。铝卷应堆放在架空的支架上，保持通风和干燥，避免因潮湿影响铝卷表面质量。
D）压板成型：加工设备的出板方向设有辊轴支架，长约10米，当挤压出的屋面板超过10米时，必须由专人抬住往前走，直至生产出足够长的屋面板。当屋面板长度达到设计的长度时，停止压板并切割，切割的长度宜比设计长度略长100 mm，便于将来板端的切割。
2.金属屋面的安装
金属屋面安装前须对主体钢结构尺寸进行复测，如果结构尺寸偏差超出误差允许的范围则必须进行调整，否则会影响金属屋面的外观及自由伸缩。
本工程金属屋面的屋面系统的安装施工流程图如下所示：
五、结束语
随着国家经济的快速发展，高性能的屋面系统的需求将越来越大，而铝锰镁合金屋面系统将以其优越的防火、保温、降噪、防雷等功能在高性能屋面系统中占有十分重要的地位，并且其系统本身技术将随着其愈来愈广泛的应用而日趋进步。