一种新型的聚碳酸脂板屋面系统-上海某主站房屋面系统设计报告.doc

一种新型的聚碳酸脂板屋面系统　
　　　　　　　　　＿＿上海铁路南站主站房屋面系统设计

本文以正在建设中的上海铁路南站主站房屋面工程为例，介绍了“多层构造聚碳酸脂板屋面系统”的功能及构造、节点设计，为高通透性的屋面系统的开发及推广提供了一种新的设计依据，为建筑师开拓了更广阔的创作空间。
关键词：、遮阳百叶、聚碳酸脂板、吊顶、二次防水、节点、性能
一、 前言
位于沪闵路、柳州路、石龙路和桂林南路环绕之中的上海铁路南站，集铁路、轨道交通、高架、公交、人行等多种出行方式于一体，是上海西南大型交通枢纽。为充分体现“以人为本”的设计理念，其主站房设计为圆形，直径约270米，屋面面积约五万八千平米，外形如一把撑开的巨伞为匆匆来往的行人遮风挡雨，主体结构径向为放射状的异形梁，环向由截面尺寸不一的上下弦管通过H型钢焊接而成的环梁组成，环梁通过法兰连接盘与径向异形梁连接，中间部位为一直径约26米的承压环，整个结构还包括一些交错的拉杆体系。主体钢结构施工完成以前，承压环通过临时圆形柱支撑；主体钢结构施工完成，去除圆形柱,在主体钢结构中产生一定的内应力。尽量减少屋面系统支承檩条与主体钢结构的焊接。   

主体钢结构形状图

二、屋面的建筑设计要求和组成
屋面的建筑设计要求：最大的透明度、晶莹剔透、系统悬挂于主体结构上以减少支撑，人们透过屋顶望天空的效果就象透过屋面天窗看天空一样清楚。
功能要求：防水、遮阳、保温。
屋面系统的组成：屋面分为遮阳百叶层、防水层、吊顶层，还包括防雷、清洗维护等体系。
三、屋面材料的选择
防水层板材选用聚碳酸脂中空型结构板材，聚碳酸脂板又称阳光板，具有高透光率，高冲击性、高强度、不易碎、重量轻的特点，能够适应复杂的曲面形体。本项目采用中空LTPXP30/3RV4.4－V型结构带90度飞翼截面的聚碳酸脂板，其968mm的跨度在挠度为40mm时仍然处于弹性范围内，朝向室外的一面采用高效抗UV涂层，使产品具有更佳的耐侯性能，能有效地防止板材变黄及透光率下降。
阳光板截面形式
聚碳酸脂板为三层中空结构，在每块板的端头粘贴带有微孔的专用防尘胶带，用于封闭板材,避免灰尘对小空间的污染，防止在板内侧出现结露和局部霉斑，因为微孔可以让空气在板内循环和排出结露，在防尘胶带的外侧还安装有铝合金型材，防止大量水的流入。
聚碳酸脂板支承龙骨采用铝合金构造，遮阳百叶层选用梭形6063－T5铝合金遮阳百叶，吊顶层采用穿孔率为50%的1.5mm厚3003H24铝合金穿孔吊顶板。
防水层支承檩条采用焊接T型钢与主体结构连接，遮阳百叶层支承檩条采用热轧H型钢与主体钢结构连接。
四、技术要点
1. 分格尺寸的确定
综合考虑主体钢结构的布置尺寸以及屋面的功能设计、安装工艺、材料加工、建筑效果等诸多方面，屋面系统三层结构的分格形式如下图所示：

百叶单元平面布置图
聚碳酸脂板单元平面布置图

吊顶板单元平面布置图

2. 支承檩条与主体钢结构的连接
为了对主体钢结构的受力体系和表面防腐的保护，支承檩条与主体钢结构的连接采用抱箍的方式，且在抱箍与主体钢结构之间加绝缘三元乙丙胶垫。
防水层支承檩条悬挂于主体结构下弦管上，采用U型螺栓抱箍固定于主体钢结构上，U型螺栓与弦管间加U型三元乙丙胶垫以增大U型螺栓与钢结构下弦管的接触面积，T型钢上开长孔，用于调节弦管与T型钢之间的角度。
T型钢与钢结构下弦管的连接

U型三元乙丙胶垫
遮阳百叶层支承檩条固定于主体钢结构上弦管上。

H型钢与主体钢结构上弦管的连接
注：α1、α2为屋面曲线与地面的角度；β1、β2为百叶支承檩条与主体钢结构弦管的角度。

节点设计时按照不同的角度将不锈钢抱箍进行分类编号，安装时按照编号位置安装。
3. 防水构造
屋面的防水构造采用以防为主、以排为辅，防排结合的二次防水设计。
（1）阳光板屋面纵向和横向接缝处通过铝型材、阳光板纵向飞翼、密封胶条及密封胶防水，表层的水沿阳光板表面流向径向水沟与28轴环向主水沟，再通过虹吸排水快速而有效的排出。对于从阳光板接缝中渗漏出的少量水，可以通过纵向型材(铝合金托条)及横向铝型材（环向铝合金型材）的排水空腔汇集到主梁侧边的水槽及径向水沟中，最终汇集于28轴环向主水沟，通过虹吸排水，快速而有效地排出。
防水层纵向连接节点中纵向铝合金托条通过连接铝材与T型钢连接，连接型材与T型钢之间的尼龙垫块起到隔热、防腐的作用，环向铝合金型材及铝合金托条在一个防水单元内部均为通长构件，中间无断接点，表面采用粉末喷涂的处理工艺，最大限度减少接头，减少渗漏的可能，铝合金托条同时作为穿孔吊顶板的龙骨。
单元屋面面层排水体系平面布置图

单元屋面渗漏水排水体系平面布置图

防水层标准节点
各导水槽的连接处是整个屋面防水的重点，采用型材搭接的方法，通过设计合理的型材断面及切口形式，使屋面的水顺畅排出。
此屋面的承压环铝板屋面也成功采用二次防水设计，最上层通过铝单板及接缝处打密封胶防水，若最上层由于密封胶失效等原因，从铝板缝中有少量水渗漏，可以通过铝单板下方相互连通的不锈钢槽排到阳光板屋面上。
4. 遮阳叶连接
遮阳百叶层选用梭形铝合金百叶，百叶与地面呈约13度角，与支承檩条呈25度角。通常情况下，可调型百叶轴头采用圆形截面，轴头与百叶之间通过自攻自钻螺钉防止其相对旋
转；固定百叶通过自攻自钻钉与百叶支承结构连接，不利于百叶长度方向的调节。本工程遮阳层百叶支承结构选用100x100x8x6mm的H型钢，轴头选用外形尺寸50x19mm的空心方形截面，轴头的方型截面设计可以有效地防止遮阳百叶与轴头之间的相对转动。风荷载作用在遮阳百叶上产生的力矩通过轴头与H型钢之间连接的2个不锈钢螺栓传递至H型钢，作用于主体钢结构上。本设计最大限度的利用铝合金开模的灵活性设计百叶截面形状，使其受力合理，连接简单可靠。

遮阳百叶连接节点

遮阳百叶连接

透过百叶看天空尤如对面的百叶不存在一样通透

5．吊顶板连接

穿孔吊顶板纵向连接节点局部

铝合金托条既是阳光板的支承龙骨，同时又是穿孔吊顶板的龙骨，穿孔吊顶板的穿孔率为50%左右，为了增加穿孔板的刚度，吊顶板的折边不打孔，四边折边后，折边连接处需焊接成框架。

典型穿孔吊顶板板块
穿孔吊顶板折边形式大样
穿孔吊顶板的三种折边形式如上图所示，铝板折边大样一（内折边）用于穿孔吊顶板与铝合金托条即穿孔吊顶板龙骨的连接；铝板折边大样二（直折边），适用于穿孔吊顶板长度方
向的收边和采光带部位的收边；铝板折边大样三（外折边），适用于穿孔吊顶板与主体钢结构径向钢梁和径向水沟部位的连接。
6. 防腐及防噪音
1）支承檩条的表面处理方式与主体钢结构相同；
2） 屋面支承檩条与主体钢结构采用不锈钢抱箍连接的方式，且在抱箍与主体钢结构之间加橡胶垫、尼龙垫等绝缘垫片。只有在加抱箍不容易实现的地方采用焊接的方式，且焊接完成后对焊接部位进行补漆处理，以利于对主体钢结构防腐表面的保护；
3）标准连接件与紧固件如螺栓、螺钉等采用不锈钢，以减少腐蚀；
4）铝合金型材、钢结构以及不锈钢除了进行自身的防腐和涂装外，当铝合金与钢材等接触处，加设绝缘垫片隔离，以防止产生电化学腐蚀；
5）屋面支承檩条现场对接时，须对对接处焊缝部位进行打磨，补漆处理；
6）金属构件连接处加设尼龙垫片，可以减少金属之间的磨擦噪音。
7. 防雷
按第二类防雷建筑物进行设计，与主钢结构相导通。百页层H型钢按间距不大于12mx8m或10mx10m组成避雷网（带），并与主体结构贯通；顶压环在顶环梁以内的铝板区域设置高出铝板屋面的均压环与主体结构相导通。
五、安装步骤
1．遮阳百叶层安装
结构放线后，安装H型钢，需保证H型钢的角度及间距；将遮阳百叶切割成所需的长度，且按对应长度编号；将百叶端头封盖及轴头与百叶装配，端头封盖与百叶通过自攻钉连接，一端轴头与百叶通过自攻钉连接；另一端按照编号位置吊装至屋顶与H型钢连接好后再固定。
2. 防水层及吊顶层安装
结构放线后，安装T型钢；保证理论关键控制点，保证T型钢的间距；安装铝合多托条及环向铝合金型材；安装标准四边形聚碳酸脂板及吊顶板；非标准四边形聚碳酸脂板及吊顶板进行现场尺寸复测，按照复测尺寸下单加工，安装；压紧铝合金压块，打密封胶。
在安装聚碳酸脂板前，需完成清洁维修等需要焊接体系的安装工作。
3. 收边部位连接的安装处理。
对于由多个相同区间构成的建筑个体，设计时必须考虑主体钢结构的偏差，一般来说每个区间都会有所区别。在大面积施工前最好先安装好一个完整的区间，以便发现安装过程中存在的问题，及时解决。工程的施工宜循序渐近，重要工序一个区间、一个区间的逐个完成，材料的到场顺序应与施工顺序一致，现场不宜积压大量材料，合理使用原材料，通过合理套裁提高原材料的利用率。
六、性能检测
1．遮阳百叶连接节点检测
为检验百叶轴头与百叶的连接节点以及轴头与支承檩条H型钢的连接，在现场模拟实际连接节点，选用跨度最大为3.154米的百叶进行强度和变形试验，并且模拟冲击状态，未发现连接件有屈服或变形现象。
2．阳光板物理性能检测
由上海市建筑材料料及构件质量监督检测站分别对本工程所用断面聚碳酸脂板的物理性能以及抗老化性能进行检测。物理性能检测结果见表《聚碳酸脂板物理性能检验报告》。
聚碳酸脂板物理性能检验报告
检　验　结　果　汇　总
检验项目名称及单位
检验方法参照标准
检验结果
单项评定
可见光透射比，%
GB/T 2680-1994
82.81
－
导热系数，W/(m﹒K)
GB/T 10294-1988
0.090(25°C)
－
洛氏硬度
GB/T 9342-1988
94
－
拉伸屈服强度，MPa
JG/T 116-1999
58
－
弯曲强度，MPa
JG/T 116-1999
89
－
热变形温度，°C
JG/T 116-1999
125
－
落锤冲击试验
JG/T 116-1999
10次冲击无破裂
－
（以下空白）

说
明
1. GB/T 2680-1994《建筑玻璃　可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》；GB/T 10294-1988《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定　防护热板法》；
2. GB/T 9342-1988《塑料洛氏硬度试验方法》；
3. JG/T 116-1999《聚碳酸脂(PC)中空板》；
4. 导热系数试件密度：166kg/m^3。

3．屋面空气渗透性能、雨水渗透性能以及风压变形性能检测。
通过施工现场制作单元模型，对防水等性能进行初步检测，对节点连接形式进行不断改进，最终形成了一套比较完善的连接节点体系。
为检测此屋面的系统性能，与广东省建设工程质量安全监督检测总站广东省建筑幕墙质量检测中心合作制作了与工程实际状况相符合的检测设备—平卧式外喷式静压箱，并参照建筑幕墙《建筑幕墙空气渗透性能检测方法》GB/T15226-94、《建筑幕墙雨水渗透性能检测方法》GB/T15228-94、《建筑幕墙风压变形性能检测方法》GB/T15227-94，对屋面性能进行系统的检测，结果满足规范及工程技术要求。
1）空气渗透性能(气密性）
空气渗透性能分级参照建筑幕墙物理性能分级（表二）达到Ⅲ级，即在10Pa的内外压力差下，固定部分的空气渗透量不大于0.10m/(m.h）。
2）雨水渗透性能(水密性）
本工程采用二次防水设计，第一道防水允许有少量水渗漏，通过二次防水的积水槽将渗漏水排走，为了使二道防水能顺利排水，规定试件在最高检测风压1111Pa的条件下，积水槽里的积水量不大于淋水量的5%。
在检测中，淋水量为3L/(m2 ·min)，在每级风压加载完成后，将收集的雨水称量并记录。
各级风荷载下槽积水量情况
风荷载（Pa）
槽积水量（ml）
槽积水量占总淋水量的百分比（%）
0
1500
0.2
500
10500
1.7
700
9300
1.5
1111
13300
2.1
试验结果表明防水性能满足设计要求。
3）风压变形性能
在荷载标准值P3＝2500Pa作用下，屋面主要受力杆件的相对挠度值不大于L/150（L指杆件长度），聚碳酸脂板的挠度值控制在弹性变形范围内。在3500Pa荷载设计值作用下，试件不破坏。
步骤一：取P2＝1875Pa(0.75 P3)为反复受荷检测风压，经正负压反复受检，试件的最大残余挠度为1.02mm，试件无损坏发生；
步骤二：取P3＝2500Pa，经正负压受检，试件无损坏发生；
步骤三：取3500Pa为安全检测风压，经正负压受检，试件无损坏发生。
实际试验结果与理论建模计算结果吻合，在荷载标准值及设计值作用下，系统均未发生任何损伤和破坏，荷载－变形曲线呈线性，板面最大位移23.52mm。

七、结束语
“多层构造聚碳酸脂板屋面体系”采用一种全新的节点体系，经过综合性能分析，系统的抗风变形、防水防潮、保温隔热、防雷防腐等性能均满足国家规范和工程技术要求，为实现高通透性的公共建筑屋面提供了一种新的连接体系，开创了一种新的设计方法。

正在建设中的上海铁路南站主站房屋面

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