摘要：本文通過對(duì)高立邊直立鎖邊金屬屋面工程中常見問題的分析及對(duì)金屬屋面設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的設(shè)計(jì)缺陷、不合理構(gòu)造進(jìn)行總結(jié)，針對(duì)性提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)依據(jù)及思路、優(yōu)化的解決方案，力求在金屬屋面的設(shè)計(jì)中做到精益求精。
關(guān)鍵詞：高立邊直立鎖邊金屬屋面 防水構(gòu)造
1 前言：
金屬屋面在國(guó)內(nèi)應(yīng)用時(shí)間較早，目前已經(jīng)大量應(yīng)用于各種建筑工程中。從早期的波紋型屋面、壓型板金屬屋面到直立鎖邊金屬屋面、直立卷邊的金屬屋面，再到不銹鋼的焊接型金屬屋面，金屬屋面的種類逐漸豐富、構(gòu)造逐漸復(fù)雜完善。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，眾多金屬屋面工程出現(xiàn)了質(zhì)量問題。所以，如何根據(jù)建筑特點(diǎn)選擇合適的金屬屋面體系，確定合理的屋面構(gòu)造及細(xì)節(jié)做法，是應(yīng)該從設(shè)計(jì)初就認(rèn)真思考的問題。
金屬屋面的定義：由金屬面板與支撐體系組成，不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)所受作用且與水平方向夾角小于75°的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。其主要的面材材質(zhì)有：鋼板、鋁板、鋁合金板以及銅板、不銹鋼板等。
在眾多的金屬屋面體系中，高立邊直立鎖邊金屬屋面是應(yīng)用最廣泛的金屬屋面體系。本文根據(jù)直立鎖邊的金屬屋面體系的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的問題，希望能夠?yàn)橐?guī)范直立鎖邊金屬屋面的設(shè)計(jì)提供參考，并提高直立鎖邊金屬屋面的工程質(zhì)量。
2 直立鎖邊金屬屋面的基本特點(diǎn)：
2.1直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)的基本構(gòu)造
直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)通常被稱作高立邊金屬屋面系統(tǒng)，也叫直立鎖縫lok板。金屬面板通過機(jī)械輥壓雙邊行成公母扣。屋面板安裝時(shí)，首先將專用鋁合金T型碼與支撐龍骨連接，然后將屋面板及T型碼相互咬合，最后通過機(jī)械或手工的方式進(jìn)行鎖緊、定型。
基本節(jié)點(diǎn)及構(gòu)造如圖2.1和圖2.2：
圖2.1 直立鎖邊金屬屋面的基本構(gòu)造
圖2.2 直立鎖邊金屬屋面的基本節(jié)點(diǎn)
金屬屋面面材是采用金屬板卷材加工的，理論上，面板長(zhǎng)度可以和卷材一樣長(zhǎng)。但是受建筑外形、運(yùn)輸條件、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、安裝工藝、變形控制等因素影響，實(shí)際工程中最大板長(zhǎng)應(yīng)綜合考慮后確定。根據(jù)《采光頂和金屬屋面設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ255的規(guī)定，金屬屋面板的單塊長(zhǎng)度不宜大于25m。
2.2直立鎖邊金屬屋面的基本特性：
2.2.1 屋面板的連續(xù)性：
使用比較長(zhǎng)的屋面板，減少了塊狀板拼接縫隙問題;理論上如果金屬屋面的面板根據(jù)建筑屋面的尺寸通長(zhǎng)布置，則屋面板的拼接縫隙只有短邊的咬合縫隙;
2.2.2 排水的有序性：
高立邊直立鎖邊屋面板的凹槽造型，對(duì)雨水排放具有導(dǎo)向性。根據(jù)建筑屋面排水路徑，此系統(tǒng)可以更好的將屋面雨水進(jìn)行有序的引導(dǎo)、匯集和排出。
2.2.3構(gòu)造防水：
金屬屋面板不是通過封堵防水，而是構(gòu)造防水。在排水方向上，金屬屋面板通過上下搭接，左右側(cè)板肋咬合，并在板肋咬合處設(shè)置凹槽形成等壓腔，形成完整的防水構(gòu)造，避免雨水反重力滲入。
2.2.4 支撐件不穿透：
金屬屋面板的固定方式是通過板肋卡接在鋁合金T碼上，實(shí)現(xiàn)了屋面防水功能層的不穿透固定。目前針對(duì)此種連接方式的牢固性，業(yè)內(nèi)存在著一定質(zhì)疑，也有很多提高連接強(qiáng)度的解決方案，本文不做贅述。T碼固定屋面板的構(gòu)造見圖2.3示意。
圖2.3 直立鎖邊金屬屋面的安裝示意
2.2.5 良好的成型能力：
金屬屋面板可以通過扇形板、彎弧板擬合比較復(fù)雜的建筑屋面外觀，滿足不同建筑外形的需要。但由于屋面板的成型特點(diǎn)，直立鎖邊屋面板不適合應(yīng)用于小尺度，大曲率的建筑外形。扇形彎弧屋面板見圖2.4示意。
圖2.4 屋面扇形彎弧板
2.3直立鎖邊金屬屋面的適應(yīng)范圍
直立鎖邊金屬屋板可以設(shè)置不同板型和曲率(梯形板、扇形板)擬合復(fù)雜的建筑外形。但其適應(yīng)的范圍有一定限制。扇形板要保證扇形板的兩端尺寸，不能過大或者過小。應(yīng)該根據(jù)排水需要、工藝構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常情況在150mm~600mm之間。彎弧板應(yīng)控制彎弧半徑，彎弧半徑過小會(huì)影響板的咬合精度。單一半徑的屋面板加工精度相對(duì)好控制，而多半徑的屋面板加工精度比較難控制。擬合的板型越多會(huì)導(dǎo)致板接縫越多，屋面系統(tǒng)產(chǎn)生滲漏的風(fēng)險(xiǎn)也就越大。
根據(jù)直立鎖邊金屬屋面板的特點(diǎn)，直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)不適合小尺度、大轉(zhuǎn)折、大曲率的屋面形態(tài);比較適合于大體量、大空間、小彎曲的屋面形態(tài)。
3 直立鎖邊屋面在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題
3.1根據(jù)受力情況確定金屬屋面板的T碼間距
有些金屬屋面工程設(shè)計(jì)時(shí)，沒有進(jìn)行屋面板的受力分析，直接規(guī)定金屬屋面板的T碼間距(通常情況下規(guī)定T碼間距為1500mm~1800mm)，這是不合理的。在屋面工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)不同項(xiàng)目的受力情況，把金屬屋面板當(dāng)作連續(xù)梁進(jìn)行受力分析，每個(gè)T碼是連續(xù)梁的支點(diǎn)，這樣確定支點(diǎn)間距才是合理的、可靠的。
鋁合金屋面板受力簡(jiǎn)化模型見圖3.1。(參照《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》 、 《采光頂與金屬屋面技術(shù)規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定。)
圖3.1 屋面板受力簡(jiǎn)化模型
3.2 設(shè)置合理的排水坡度
根據(jù) 《采光頂和金屬屋面設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ255的規(guī)定，金屬屋面的排水坡度應(yīng)該不小于3%，《坡屋面技術(shù)規(guī)范》GB50693中9.1.2規(guī)定金屬屋面的排水坡度不宜小于5%;9.2.5規(guī)定：金屬屋面的排水坡度應(yīng)根據(jù)屋面結(jié)構(gòu)形式、屋面形狀、當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件等因素確定。屋面排水坡度的規(guī)定是為了保證金屬屋面的排水效率。金屬屋面板是卡接在T碼上，如果出現(xiàn)積水現(xiàn)象，屋面板會(huì)出現(xiàn)變形，影響屋面排水。金屬屋面板的排水速度和排水坡度相關(guān)。如果排水坡度不能保證，那整個(gè)屋面體系排水效率會(huì)降低，一旦出現(xiàn)積水現(xiàn)象，就存在滲漏風(fēng)險(xiǎn)。圖3.2是實(shí)際工程中屋面積水的情況。
圖3.2 屋面積水現(xiàn)象
3.3 合理設(shè)置屋面各功能層
屋面的各種功能層應(yīng)根據(jù)建筑要求設(shè)計(jì)，以滿足保溫、隔聲、吸音、降低雨噪音等性能要求。有保溫要求的屋面設(shè)置保溫層，保溫層的厚度根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，保溫棉在設(shè)置時(shí)可以兩層上下搭接，減少單層鋪設(shè)保溫棉的縫隙影響保溫效果。保溫棉的鋪設(shè)見圖3.3示意。
圖3.3 保溫棉搭接
《坡屋面技術(shù)規(guī)范》GB50693中9.2.10 規(guī)定：當(dāng)室內(nèi)濕度較大或采用纖維狀保溫材料時(shí)，壓型金屬板屋面設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列規(guī)定：保溫隔熱層下面應(yīng)設(shè)置隔汽層;防水等級(jí)為一級(jí)時(shí)，保溫隔熱層上面應(yīng)設(shè)置透汽防水墊層。
保溫隔熱層下面設(shè)置防潮隔汽層是為了起到一定隔絕的作用，減少室內(nèi)的溫?zé)峥諝膺M(jìn)入保溫層;防止室內(nèi)溫?zé)峥諝庠诒馗魺釋觾?nèi)遇冷形成冷凝水，導(dǎo)致保溫隔熱性能降低。保溫隔熱層上面設(shè)置透汽防水墊層，是為了設(shè)置一道柔性防水的基礎(chǔ)上，仍然可以保證保溫隔熱層和室外空氣進(jìn)行交換。其構(gòu)造示意見圖3.4。
圖3.4 屋面保溫棉功能層
3.4 直立鎖邊金屬屋面的排板設(shè)計(jì)
直立鎖邊的金屬屋面排板從本質(zhì)上說是對(duì)雨水匯流途徑的設(shè)計(jì)，因此，排板應(yīng)根據(jù)建筑屋面的外形、雨水在屋面上的自然流向、屋面排水途徑等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。屋面板排布設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下幾個(gè)原則：
3.4.1金屬屋面板排板應(yīng)盡量根據(jù)屋面水自然流向布置，如果屋面板肋方向和屋面水自然流向存在角度，則應(yīng)充分考慮屋面板的排水角度引起的排水能力下降，并且保證屋面板搭接方向和過水方向一致。見圖3.5示意。
在設(shè)計(jì)上，應(yīng)該避免金屬屋面板出現(xiàn)雨水跨越屋面板肋的情況，因?yàn)槿绻霈F(xiàn)了雨水跨越屋面板的情況，說明設(shè)計(jì)的排水路徑已經(jīng)失效。這不僅降低了排水效率、同時(shí)會(huì)造成屋面排水失序，對(duì)整體屋面性能產(chǎn)生了不利影響。
圖3.5 屋面板傾斜布置示意
3.4.2金屬屋面板排板應(yīng)根據(jù)屋面外形設(shè)計(jì)，盡量避免過多的短屋面板;并且應(yīng)考慮屋面板和天溝、屋脊的角度，避免屋面板和天溝、屋脊角度過小，造成構(gòu)造上的困難。圖3.6是項(xiàng)目上屋面板和天溝角度過小，導(dǎo)致滴水構(gòu)造設(shè)置困難。
圖3.6 屋面板和天溝的角度過小的情況
3.5 直立鎖邊金屬屋面板的收口和搭接構(gòu)造
直立鎖邊金屬屋面板的每一塊屋面都是一個(gè)小型的匯水槽，從構(gòu)造上已經(jīng)充分考慮了防水的性能構(gòu)造，但是，由于屋面板的長(zhǎng)度有限制，必定存在屋面板的兩個(gè)端頭以及屋面板的搭接。因此，這些位置是屋面防水的薄弱環(huán)節(jié)，能否處理好這些位置，是整個(gè)屋面板體系防水的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該充分理解屋面板的標(biāo)準(zhǔn)做法，在標(biāo)準(zhǔn)做法的基礎(chǔ)上針對(duì)各自的實(shí)際工程做出合理設(shè)計(jì)。
3.5.1屋脊的構(gòu)造應(yīng)該能通過蓋帽子的方式實(shí)現(xiàn)防水，在屋面板的槽內(nèi)封堵，上端覆蓋通長(zhǎng)的檐口板。屋脊應(yīng)該是屋面的最高處，雨水應(yīng)以這個(gè)位置作為分水嶺。設(shè)計(jì)中要充分考慮屋面的坡度，對(duì)于復(fù)雜屋面形狀應(yīng)該充分分析屋面的成型機(jī)理，根據(jù)屋面的排水方向，確定屋脊位置。屋脊基本節(jié)點(diǎn)見圖3.7示意。
圖3.7 屋脊構(gòu)造示意
3.5.2 山墻的構(gòu)造需要將墻體側(cè)向的水流導(dǎo)入屋面板，連接固定的螺釘應(yīng)該設(shè)置在防水構(gòu)造以外。屋面板的山墻構(gòu)造可參照?qǐng)D3.8示意。
圖3.8 屋面山墻節(jié)點(diǎn)示意
如果山墻節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的過于簡(jiǎn)化，直接利用屋面板的折邊收口，甚至沒有考慮山墻接口處屋面板的排板關(guān)系，會(huì)導(dǎo)致施工中很難交接，給滲漏留下隱患。圖3.9就是兩種常見的簡(jiǎn)化構(gòu)造。
圖3.9 屋面山墻簡(jiǎn)化構(gòu)造節(jié)點(diǎn)
3.5.3 屋面板和天溝收口構(gòu)造應(yīng)該注意兩點(diǎn)：
3.5.3.1 屋面板在天溝的搭接量應(yīng)該大于屋面板的伸縮量，且充分考慮施工的誤差。按照《采光頂與金屬屋面技術(shù)規(guī)程》的要求，屋面板伸入天溝的長(zhǎng)度不應(yīng)小于150mm。有些工程，屋面板在天溝處搭接量太小，溫度變形時(shí)屋面板縮回到天溝以外導(dǎo)致漏水。
3.5.3.2 屋面板的端頭應(yīng)該設(shè)置滴水構(gòu)造，尤其是屋面板的排水坡度比較小的情況下，要防止雨水在風(fēng)力或者其它因素下引起回流導(dǎo)致滲漏。屋面板滴水的構(gòu)造見圖3.10示意
圖3.10 屋面板滴水示意
3.5.4金屬屋面板搭接同樣要遵循構(gòu)造防水的原則，設(shè)計(jì)要根據(jù)屋面類型、坡度設(shè)置搭接量，明確搭接構(gòu)造。設(shè)置泛水板進(jìn)行搭接的，要控制泛水板的角度。屋面板的搭接可依據(jù)《采光頂與金屬屋面技術(shù)規(guī)程》的要求，具體見圖3.11示意。
圖3.11 屋面板搭接長(zhǎng)度要求
金屬屋面板搭接通過批水板轉(zhuǎn)接的，需要控制批水板的坡度，避免出現(xiàn)積水現(xiàn)象。設(shè)計(jì)中可以控制批水板的坡度大于5%?；緲?gòu)造可參照?qǐng)D3.12、圖3.13示意。
圖3.12 屋面板搭接構(gòu)造節(jié)點(diǎn)示意
圖3.13 屋面板搭接構(gòu)造效果示意
4 金屬屋面板設(shè)置夾具的注意事項(xiàng)
直立鎖邊金屬屋面的無穿透轉(zhuǎn)接構(gòu)造在很多項(xiàng)目上都有應(yīng)用，但如何正確理解和使用這種轉(zhuǎn)接夾具是很多設(shè)計(jì)人員需要加強(qiáng)的。珠海市晶藝玻璃工程有限公司在國(guó)家大劇院的屋面體系中采用了無穿透夾持構(gòu)件，之后這種構(gòu)造在金屬屋面上被大量使用。其基本構(gòu)造可參考圖4.1示意。這種不穿透屋面的構(gòu)造對(duì)屋面的防水性能有很大好處，其設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：
圖4.1 不穿透夾具的構(gòu)造
4.1夾具的受力應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求：
設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮金屬屋面板的夾具在不同方向的承載力，結(jié)合實(shí)際工程所處環(huán)境確定每個(gè)夾具的受力，確保受力安全、可靠。
不同構(gòu)造的夾具其各方向承載力不同，圖4.2是國(guó)家大劇院對(duì)雙夾具不同方向的受力試驗(yàn)時(shí)的照片。不穿透的夾具應(yīng)該能可靠傳遞屋面外裝飾的荷載，應(yīng)該根據(jù)受力情況、裝飾板尺寸、夾具分布等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)確定夾具的規(guī)格和分布。
圖4.2 夾具受力試驗(yàn)照片
4.2直立鎖邊金屬屋面的夾具的位置
直立鎖邊屋面上的不穿透夾具不應(yīng)該設(shè)置在T碼上。夾具和T碼之間的距離會(huì)影響裝飾板受力后夾具的受力和變形能力。如果采用雙夾具，能夠增加夾具的強(qiáng)度，可以比較好的控制夾具和T碼的位置關(guān)系。之所以不能將夾具夾持在T碼上，是因?yàn)榻饘傥菝姘宓臏囟茸冃伪容^大，如果夾具夾持會(huì)限制夾具、屋面板、T碼之間的錯(cuò)動(dòng)，引起屋面板磨損或者T碼連接點(diǎn)破壞。雙夾具見圖4.3示意。
圖4.3屋面的雙夾具
實(shí)際工程中，直立鎖邊金屬屋面板上的夾具位置和T碼位置很難有對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，當(dāng)夾具位置和T碼重合時(shí)，應(yīng)設(shè)置雙夾具跨過T碼。
4.3審慎使用屋面金屬板的全鋁焊
有些設(shè)計(jì)人進(jìn)行屋面設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于屋面板銜接位置習(xí)慣采用鋁焊完成搭接、轉(zhuǎn)折等形式。認(rèn)為這種構(gòu)造強(qiáng)度大、防水性好。但是，屋面板的焊接不能影響屋面板的伸縮變形，否則，金屬屋面板在溫度應(yīng)力作用下，焊接位置會(huì)拉開，造成滲漏。圖4.3是金屬屋面鋁焊的照片;圖4.4是鋁焊拉裂的照片。
圖4.3 金屬屋面鋁焊照片
圖4.4 金屬屋面鋁焊拉裂現(xiàn)象
5總結(jié)
金屬屋面的設(shè)計(jì)，應(yīng)該充分利用不同屋面體系的特點(diǎn)和適應(yīng)性，以匹配不同的建筑屋面形態(tài)和要求，不存在一種屋面體系能夠適應(yīng)所有屋面。當(dāng)選擇直立鎖邊金屬屋面體系時(shí)，應(yīng)重視金屬屋面構(gòu)造設(shè)計(jì)。細(xì)節(jié)決定成敗，如果在細(xì)節(jié)處理不好，造成破損、滲漏，那會(huì)導(dǎo)致整個(gè)屋面體系的質(zhì)量缺陷。希望幕墻設(shè)計(jì)人員能夠設(shè)計(jì)好、利用好直立鎖邊金屬屋面，為建設(shè)方提供安全可靠、性能優(yōu)異的工程項(xiàng)目。
作者單位：珠海市晶藝玻璃工程有限公司
作者：張洋 楊濤 馬文超
來源：2022年會(huì)論文集
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