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摘要：本文通過對高立邊直立鎖邊金屬屋面工程中常見問題的分析及對金屬屋面設(shè)計中經(jīng)常遇到的設(shè)計缺陷、不合理構(gòu)造進行總結(jié)，針對性提出相應(yīng)的設(shè)計依據(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：
金屬屋面在國內(nèi)應(yīng)用時間較早，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)建筑特點選擇合適的金屬屋面體系，確定合理的屋面構(gòu)造及細節(jié)做法，是應(yīng)該從設(shè)計初就認真思考的問題。
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，總結(jié)本系統(tǒng)在設(shè)計中經(jīng)常遇到的問題，希望能夠為規(guī)范直立鎖邊金屬屋面的設(shè)計提供參考，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：
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。金屬面板通過機械輥壓雙邊行成公母扣。屋面板安裝時，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，最后通過機械或手工的方式進行鎖緊、定型。
基本節(jié)點及構(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
金屬屋面面材是采用金屬板卷材加工的，理論上，面板長度可以和卷材一樣長。但是受建筑外形、運輸條件、節(jié)點構(gòu)造、安裝工藝、變形控制等因素影響，實際工程中最大板長應(yīng)綜合考慮后確定。根據(jù)《采光頂和金屬屋面設(shè)計規(guī)程》JGJ255的規(guī)定，金屬屋面板的單塊長度不宜大于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（詞條“板肋”由行業(yè)大百科提供）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（詞條“固定”由行業(yè)大百科提供）方式是通過板肋卡接在鋁合金T碼上，實現(xiàn)了屋面防水功能層的不穿透固定。目前針對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，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)造進行設(shè)計，通常情況在150mm~600mm之間。彎弧板應(yīng)控制彎弧半徑，彎弧半徑過小會影響板的咬合精度。單一半徑的屋面板加工精度相對好控制，而多半徑的屋面板加工精度比較難控制。擬合的板型越多會導(dǎo)致板接縫越多，屋面系統(tǒng)產(chǎn)生滲漏的風險也就越大。
根據(jù)直立鎖邊金屬屋面板的特點，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)計時，沒有進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)計中，應(yīng)該根據(jù)不同項目的受力情況，把金屬屋面板當作連續(xù)梁進行受力分析，每個T碼是連續(xù)梁的支點，這樣確定支點間距才是合理的、可靠的。
鋁合金屋面板受力簡化模型見圖3.1。(參照《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計（詞條“結(jié)構(gòu)設(shè)計”由行業(yè)大百科提供）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?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，那整個屋面體系排水效率會降低，一旦出現(xiàn)積水現(xiàn)象，就存在滲漏風險。圖3.2是實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，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)計要求確定，保溫棉在設(shè)置時可以兩層上下搭接，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：當室內(nèi)濕度較大或采用纖維狀保溫材料時，壓型金屬板屋面設(shè)計應(yīng)符合下列規(guī)定：保溫隔熱層下面應(yīng)設(shè)置隔汽層;防水等級為一級時，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)的溫熱空氣進入保溫層;防止室內(nèi)溫熱空氣在保溫隔熱層內(nèi)遇冷形成冷凝水（詞條“冷凝水”由行業(yè)大百科提供），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
直立鎖邊的金屬屋面排板從本質(zhì)上說是對雨水匯流途徑的設(shè)計，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行設(shè)計。屋面板排布設(shè)計應(yīng)該遵循以下幾個原則：
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，因為如果出現(xiàn)了雨水跨越屋面板的情況，說明設(shè)計的排水路徑已經(jīng)失效。這不僅降低了排水效率、同時會造成屋面排水失序，對整體屋面性能產(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，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，由于屋面板的長度有限制，必定存在屋面板的兩個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，是整個屋面板體系防水的關(guān)鍵。設(shè)計人員應(yīng)該充分理解屋面板的標準做法，在標準做法的基礎(chǔ)上針對各自的實際工程做出合理設(shè)計。
3.5.1屋脊的構(gòu)造應(yīng)該能通過蓋帽子的方式實現(xiàn)防水，在屋面板的槽內(nèi)封堵，上端覆蓋通長的檐口板。屋脊應(yīng)該是屋面的最高處，雨水應(yīng)以這個位置作為分水嶺。設(shè)計中要充分考慮屋面的坡度，對于復(fù)雜屋面形狀應(yīng)該充分分析屋面的成型機理，根據(jù)屋面的排水方向，確定屋脊位置。屋脊基本節(jié)點見圖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)造可參照圖3.8示意。
圖3.8 屋面山墻節(jié)點示意
如果山墻節(jié)點設(shè)計的過于簡化，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就是兩種常見的簡化構(gòu)造。
圖3.9 屋面山墻簡化構(gòu)造節(jié)點
3.5.3 屋面板和天溝收口構(gòu)造應(yīng)該注意兩點：
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)計中可以控制批水板的坡度大于5%。基本構(gòu)造可參照圖3.12、圖3.13示意。
圖3.12 屋面板搭接構(gòu)造節(jié)點示意
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
直立鎖邊金屬屋面的無穿透轉(zhuǎn)接構(gòu)造在很多項目上都有應(yīng)用，但如何正確理解和使用這種轉(zhuǎn)接夾具是很多設(shè)計人員需要加強的。珠海市晶藝玻璃工程有限公司在國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)造對屋面的防水性能有很大好處，其設(shè)計應(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)計要求：
設(shè)計應(yīng)充分考慮金屬屋面板的夾具在不同方向的承載力，結(jié)合實際工程所處環(huán)境確定每個夾具的受力，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是國家大劇院對雙夾具不同方向的受力試驗時的照片。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、夾具分布等因素進行設(shè)計確定夾具的規(guī)格和分布。
圖4.2 夾具受力試驗照片
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，是因為金屬屋面板的溫度變形比較大，如果夾具夾持會限制夾具、屋面板、T碼之間的錯動，引起屋面板磨損或者T碼連接點破壞。雙夾具見圖4.3示意。
圖4.3屋面的雙夾具
實際工程中，直立鎖邊金屬屋面板上的夾具位置和T碼位置很難有對應(yīng)關(guān)系，因此，當夾具位置和T碼重合時，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)計人進行屋面設(shè)計時，對于屋面板銜接位置習慣采用鋁焊完成搭接、轉(zhuǎn)折等形式。認為這種構(gòu)造強度大、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，應(yīng)該充分利用不同屋面體系的特點和適應(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。當選擇直立鎖邊金屬屋面體系時，應(yīng)重視金屬屋面構(gòu)造設(shè)計。細節(jié)決定成敗，如果在細節(jié)處理不好，造成破損、滲漏，那會導(dǎo)致整個屋面體系的質(zhì)量缺陷。希望幕墻設(shè)計人員能夠設(shè)計好、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)異的工程項目。
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[6] 《幾種常見金屬屋面系統(tǒng)應(yīng)用的對比與淺析》 楊濤
作者單位：珠海市晶藝玻璃工程有限公司
