金屬屋面系統構造設計的適用性分析

摘要

我國金屬屋面系統及其應用技術發展迅速，從20世紀80年代初國內引進壓型鋼板生產線到目前廣泛應用直立鎖邊屋面系統，僅經歷了30多年，金屬屋面產品日趨多樣化，從事金屬屋面產品生產及安裝的企業如雨後春筍般湧現，客觀上繁榮了金屬屋面系統行業市場；同時，由於入行門檻不高，金屬屋面產品的設計、生產及安裝水平良莠不齊，問題屋面也比比皆是。本文針對各類建築物不同的功能性需求，結合國家規範及行業標準要求，對不同類型金屬屋面系統的構造設計及材料選擇進行分析，為相關項目提供參考。

關鍵詞：金屬屋面系統；直立鎖邊屋面系統；保溫節能

1 引 言

屋面由最原始的樹枝加茅草的屋蓋形式發展到如今的混凝土基層卷材屋面、金屬屋面，其發展變化的本質是結構形式和防水等構造做法的不斷進化。隨著建築材料的不斷進步，建築物的結構形式也更加多樣化，大跨度鋼屋架的應用也越加廣泛，金屬屋面類型的多樣化也切實地迎合了這一需求。本文綜合金屬屋面的類型和特點以及建築物的功能性需求，對金屬屋面的適用性進行分析，為甄選合理的屋面構造設計方案提供參考，以期在滿足建築功能的前提下實現經濟效益的最大化。

2 從規範、標準和圖集編製和實施

解讀金屬屋面的發展歷程

隨著金屬屋面行業的發展、技術手段的日趨完善，金屬屋面的類型也在不斷增加，國家相關部門也出台了一系列的規範標準及圖集來明確金屬屋面行業的做法及技術要求。其中《壓型鋼板、夾芯板屋面及牆體建築構造》系列圖集及相關屋面規範對金屬屋面進行了較為詳細的分類，並對其構造做法做了進一步的明確。

在《壓型鋼板、夾芯板屋面及牆體建築構造(一)》（01J925-1）[1]（以下簡稱「01J925-1」）圖集中，編者對壓型鋼板、壓型鋼板複合保溫系統以及夾芯板進行了定義，收錄相關板型的部分參數，明確了屋面構造材料的一般性要求及各部位連接做法要求，並對材料外觀及安裝要求作出了規定。總體來說，該圖集收錄的金屬屋面產品較為單一，構造功能也較為簡單，基本反映了20世紀80年代初到2001年前後這一階段的金屬屋面發展狀況。

僅僅過了5年，《壓型鋼板、夾芯板屋面及牆體建築構造(二)》（06J925-2）[2]（以下簡稱「06J925-2」）圖集發行了。作為01J925-1的升級版，06J925-2是對上版圖集的細化和補充，可與01J925-1結合使用。該圖集對壓型鋼板複合保溫屋面、牆面進行了進一步的細分，增加了壓型鋼板複合保溫卷材防水屋面、牆體的做法，補充了樹脂採光板複合屋面、牆體構造做法，同時引入了隔汽層、隔熱反射層及防水透氣層的概念。這一變化大致反映了2001年至2006年期間金屬屋面及採光頂做法的迅速發展和逐步完善。同時，新材料、新工藝的出現解決了屋面構造功能上的部分缺陷，設計時可供參考和選擇的金屬屋面做法更加豐富。

2008年9月1日起實施的《壓型鋼板、夾芯板屋面及牆體建築構造(三)》[3]（08J925-3）（以下簡稱「08J925-3」）對材料參數、性能指標進一步細化，較之前兩冊圖集更加具體和嚴格。配合使用圖集中增加了「防火建築構造（一）」，體現出對建築防火性能的重視。08J925-3最大的變化，是增加了雙層壓型鋼板複合保溫屋面（無檁型）、壓型鋁合金板複合保溫屋面、壓型鋼板複合保溫卷材防水種植屋面、聚碳酸酯板滑動型屋面採光帶等構造做法。新增的上述四類屋面中，雙層壓型鋼板複合保溫屋面（無檁型）即我們俗稱的承板屋面體系；壓型鋁合金複合保溫屋面即鋁鎂錳合金直立鎖邊屋面系統，目前廣泛應用於機場、火車站、體育場館、展覽中心等大跨度屋蓋結構工程中；壓型鋼板複合保溫卷材防水種植屋面旨在利用植物的光合作用吸收太陽輻射進行隔熱，具有廣闊的應用前景；而聚碳酸酯板滑動型屋面採光帶以其特有的質輕、安全性高等優點廣泛運用於各大火車站屋面項目中，當其採用雙層聚碳酸酯採光板時，保溫隔熱效能可得到有效提升，但其耐久性有待進一步研究和提升。

2011年5月至2012年10月，國家相關部門相繼發布和實施《坡屋面工程技術規範》（GB 50693-2011）[4]、《屋面工程技術規範》（GB 50345-2012）[5]、《採光頂與金屬屋面技術規程》（JGJ 255-2012）[6]等與屋面相關的國家、行業標準和規範。新標準、新規範的制定和密集出台是金屬屋面行業由粗放式生產轉變為標準化生產的重要標誌，為提高我國屋面工程技術水平、確保工程質量起到了重要的作用。

屋面行業相關圖集的編製以及國家、行業標準和規範的出台與實施歷程從側面反映了金屬屋面行業蓬勃發展的態勢，同時各種規範對於金屬屋面的設計、施工要求也越來越嚴格。屋面產品的設計和研發豐富了金屬屋面的構造設計方式，但是，由於可供選擇的金屬屋面材料及做法繁多、產品性能及價格的差異較大、產品的成熟性有待進一步考證等一系列因素，也給建設方或建築師帶來了選擇上的困惑。如何以安全、經濟和美觀為原則，採用合理的材料及構造做法來實現建築物的功能需求，同時滿足國家、行業標準和規範的要求，是撰寫本文的主要目的。

3 金屬屋面構造設計的適用性分析

金屬屋面構造設計的適用性主要分為兩個方面：一是金屬屋面構造材料的選擇與建築物的使用性質、重要程度、地域環境、使用功能要求之間的適用性；二是構造層材料相互之間的連接組合的適用性。金屬屋面系統構造設計，主要是針對建築物的防水、保溫、隔熱、防結露、溫差變形、防風及承載力、防火、防雷、隔聲吸音、耐腐蝕性能及滿足外觀造型要求進行設計。

3.1 防水設計

防水等級主要根據建築物的類別，重要程度、使用功能要求進行確定，重要建築和高層建築防水等級為I級，設兩道防水設防；一般性建築防水等級為II級，設一道防水設防。

需要注意的是，《坡屋面工程技術規範》與《屋面工程技術規範》中針對金屬屋面的防水設防要求有差異，具體體現在防水墊層的設置要求上：《坡屋面工程技術規範》對於防水墊層材料選用要求比較具體，但對使用條件的描述過於籠統，實際上《民用建築熱工設計規範》（GB 50176-93）[7]第六章條文對於圍護結構的防潮設計計算方法及防潮措施作出了明確規定，而《屋面工程技術規範》晚於前者發布和實施，卻並未對防水墊層作出明確要求，僅在第4.9.5條規定「金屬板屋面在保溫層的下面宜設置隔汽層，在保溫層的上面宜設置防水透汽膜」，兩者用詞嚴格程度不一，值得商榷。

3.2 保溫隔熱及防結露設計

金屬屋面保溫隔熱設計應注意區分建築物的地域性差異，根據《民用建築熱工設計規範》要求，對建築物所處的地理位置進行針對性設計，如嚴寒地區必須充分考慮冬季保溫要求，根據規範要求計算保溫層厚度，一般可不考慮夏季防熱，寒冷及嚴寒地區還應應進行冷凝結露設計；而夏熱冬暖地區必須充分考慮夏季防熱要求，宜設置具有隔熱功能的構造材料或構造做法，一般可不考慮冬季保溫；在金屬屋面構造設計上，不同地域環境的金屬屋面構造設置方式也有較大差異，這種差異將直接影響建築物的使用功能和建造成本。

3.3 溫差變形設計

溫差變形設計主要體現在對材料的熱脹冷縮性能的要求上，包括支撐系統、構造連接方式及構造層材料的溫差變形設計上。此類設計一般為通用性設計，地域差異或使用功能差異對溫差變形設計無決定性影響。

3.4 防風及承載力設計

金屬屋面的防風及承載力主要指屋面承受最不利荷載組合的能力，在風吸力起主導作用的沿海地區及風荷載特別巨大的內陸地區，屋面設計時應充分考慮結構設計的冗餘度，採用可靠的構造材料及連接固定方式，並根據規範要求進行防風承載力試驗，以確保金屬屋面的安全使用。

3.5 防火、防雷設計

金屬屋面防火、防雷設防要求與建築物的類型及重要程度相關，構造設計時宜根據建築物的類型和重要程度進行設計。一、二級耐火等級建築中，屋面板應採用不燃材料，保溫隔熱材料應採用不燃或難燃材料。

3.6 隔聲吸音設計

不同類型或使用功能的建築物的允許雜訊級不一樣，其屋面隔聲吸音構造的設置方法也不一樣。對於開敞式場館建築，一般不做隔聲要求，但部分場館有吸音要求。對於噪音敏感程度高的建築物如劇院、音樂廳、圖書館屋面、頂棚，可以通過設置密度板+低密度玻璃纖維吸音棉或多層壓型鋼板組合隔聲層+低密度玻璃纖維吸音棉的方式進行隔聲吸音設計。建築物的隔聲評價需通過測量評定，金屬屋面的隔聲設計還應滿足《民用建築隔聲設計規範》及《建築隔聲評價標準》的相關要求（此處不作具體討論）。

3.7 耐腐蝕設計

金屬屋面的耐腐蝕設計包括抗環境腐蝕設計及防電化腐蝕設計。對於室內濕氣較大而又有吸音功能要求的人員活動密集性場所（如游泳館等），當室內接觸面板材採用穿孔板時，宜採用壓型鋁合金板或其他耐腐蝕板材作為內封板，以防止穿孔部位鏽蝕；不同材質的金屬材料連接接觸時，應設置防護墊片，避免電化腐蝕反應對材料耐久性的影響。

4 金屬屋面構造設計工程實例及適用性對比分析

為直觀體現屋面構造設計針對特定建築物的的適用性，本文分別選取北京地區某游泳館及昆明新機場的金屬屋面構造設計實例進行對比分析，從建築物的使用性質、重要程度、地域環境、使用功能要求等方面來分析這兩個金屬屋面構造設計的適用性。

4.1 北京地區某游泳館的屋面構造設計

該游泳館位於北京市，建築高23m，屋面防水等級為I級，防火等級為地上二級，地下一級，防雷設計為二類設防。該游泳館金屬屋面的標準構造設計如圖1和圖2所示。

圖1 某游泳館屋面構造標準橫剖節點

圖2 某游泳館屋面構造標準縱剖節點

4.2 昆明新機場的金屬屋面構造設計

該機場位於昆明市，建築標高72.9m，屋面防水等級為I級，防火等級為地上二級，地下一級，防雷設計為二類設防，其金屬屋面的標準構造設計如圖3和圖4所示。

圖3 昆明新機場屋面構造標準橫剖節點

圖4 昆明新機場屋面構造標準縱剖節點

4.3 適用性對比分析

通過對比可以發現，兩者的建築防水等級、防火等級、防雷設防類別一致，但構造設計方式卻大不一樣。其差異的產生主要來自於地域環境及使用功能要求的差異。

差別一：防水構造設計的差異

北京地區某游泳館金屬屋面構造設計採用了鋁鎂錳合金直立鎖邊屋面板+防水透氣膜的兩道防水形式，滿足規範對於I級防水等級的構造設計要求，但由於防水透氣膜安裝時會被固定支座穿透，對於穿透部位的防水包覆處理相當繁瑣。目前國內很多工程都存在類似問題，構造設置方式的合理性有待研究和改善。

昆明新機場的金屬屋面構造則採用了鋁鎂錳合金直立鎖邊屋面板+PVC防水卷材的兩道防水形式。相對於游泳館金屬屋面來說，PVC防水卷材安裝於固定座底部，雖未完全解決自攻釘穿透卷材的問題，但穿透部位防水處理相對簡單，且下層保溫層為硬度較高的複合保溫板材，便於PVC防水卷材連接固定，同時平整度也可得到有效保證，有利於發揮第二道防水層的防水作用。但PVC防水卷材安裝時，對環境條件和施工人員的技術水平要求較高，如果盲目追趕工期而進行野蠻施工或使用非專業人員施工，將對屋面工程質量造成嚴重影響。

差別二：保溫層設計的差異

北京地區某游泳館建築位於寒冷地區，保溫設計應滿足冬季保溫要求，同時兼顧夏季防熱。在保溫層的設置上，採用50mm+50mm厚、180kg/m3的高密度保溫岩棉，金屬屋面的整體傳熱係數限值通過保溫岩棉、封閉空氣層及50mm玻璃纖維棉的組合式保溫構造來控制，經計算，整體傳熱係數滿足規範要求。值得注意的是，目前市場上的保溫產品質量參差不齊，很多產品說明上標識的傳熱係數參數並不準確，單純的採用理論數據並不可靠，實際施工時保溫材料的質量控制應通過試驗檢測手段予以甄別。

昆明新機場的建設地點屬於溫和地區，對於金屬屋面的整體傳熱係數限值要求較低，需考慮冬季保溫，一般可不考慮夏季隔熱，無需選用多層高密度岩棉來實現保溫功能或採用熱反射構造材料。昆明新機場的金屬屋面構造設計採用雙層40mm厚蜂窩芯保溫隔音複合板+波谷填塞吸音棉的方式，構造簡單、安裝便捷，同時也滿足了建築使用功能要求，具有較高的適用性。同時，蜂窩芯保溫隔音複合板為PVC防水卷材的安裝提供了高質量的作業面，是兩種材料之間適應性的具體表現。

除上述兩點之外，我們還可以發現兩種構造設計中底板的材質不一樣。游泳館採用1.2mm厚壓型鋁合金板作為內側板，更能適應游泳館室內的潮濕環境，保持材料的耐久性；而昆明新機場採用的是0.8mm厚壓型鋼板則是因為結構設計的承載力要求，體現使用環境對構造材料設計的適應性要求。

5 結 語

綜上所述，在做金屬屋面的構造和設計時，要結合建築物的使用性質、重要程度、地域環境、功能要求等進行嚴格甄選，併合理選材，以妥善滿足建築物的各項需求。現今國家規範對於金屬板屋面二道防水構造設計的相關規定還不完善，有待進一步明確和整合，因此，在金屬屋面的構造設計和選材時，應盡量確保各項性能指標與設計值相符，施工階段對材料質量的控制應建立更為完善的監督機制。

參考文獻

[1] 中國建築標準設計研究院．壓型鋼板、夾芯板屋面及牆體建築構造：01J925-1[S]．北京：中國計劃出版社，2006．

[2] 中國建築標準設計研究院．壓型鋼板、夾芯板屋面及牆體建築構造（二）：06J925-2[S]．北京：中國計劃出版社，2007．

[3] 中國建築標準設計研究院．壓型鋼板、夾芯板屋面及牆體建築構造（三）：08J925-3[S]．北京：中國計劃出版社，2008．

[4] 中華人民共和國住房和城鄉建設部．坡屋面工程技術規範：GB 50693-2011[S]．北京：中國建築工業出版社，2012．

[5] 中華人民共和國住房和城鄉建設部．屋面工程技術規範：GB 50345-2012[S]．北京：中國建築工業出版社，2012．

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部．採光頂與金屬屋面技術規程：JGJ 255-2012[S]．北京：中國建築工業出版社，2012．

[7] 中華人民共和國建設部．民用建築熱工設計規範：GB 50176－93[S]．北京：中國計劃出版社，1993．

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