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建筑金属屋面系统附加功能层的设计与应用探讨

2022-02-21 194 上传者：管理员

摘要：目前,对于具备多重额外功能的金属屋面系统附加功能层的研究尚少,设计与应用规范标准缺乏。本文根据附加功能层需满足的多种需求,从抗风、防水、种植、光伏等方面进行设想,从附加层角度进行考虑,为屋面设计与应用提供思路。

关键词：
抗风设计
金属屋面系统
防水设计
防火设计
附加功能层
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有研究表明，我国约有一半的能源消耗和CO2排放是由建筑造成的。为控制建筑对于环境的负面影响，建筑围护系统必然是解决方案的重要组成部分。

金属建筑围护系统是指采用金属板或金属面夹芯板为材料，满足建筑外围护系统相应使用功能要求的装配式建筑围护体系，其中金属屋面系统是主要组成部分。目前，国内一些大型建筑都大量应用金属屋面围护系统，如兰州奥体中心体育场[1]、蚌埠体育中心[2]、北京T3航站楼[3]、国家大剧院[4]、昌北机场[5]等。而随着金属屋面系统的不断成熟，国民经济的不断发展，国家绿色建筑及节能减排政策的出台，目前国内大型机场、会展中心、体育场馆及商业中心等建筑在建造时，不仅仅局限于只追求结构安全及基本的使用功能要求，而且还要体现不断更新的金属屋面围护结构帮助实现独具地标性美观效果的造型设计及遵循节能减排的绿色建筑理念。为了满足设计应用要求，采用大量新型材料的金属屋面附加功能层系统得到开发，为有效解决建筑内部与外部环境能效传递及转化、提高能源利用率提供了新的研究方向，同时也给设计者在结构安全方面提出了更高的设计要求。

金属屋面附加功能层，是指安装在建筑金属围护系统之外的装饰层、光伏装置、绿化装置及检修设施等一系列构造层[6]，其设计要求可用图1来表示。

1、抗风设计

图1附加功能层类别及设计要求

金属屋面系统作为围护结构，在外部风荷载作用下比较敏感，尤其是在强风作用下，风荷载引起的强大风吸力和脉动效应，会对金属屋面系统产生竖向作用力，容易导致金属屋面系统在薄弱连接处遭受风揭破坏，如图2所示。而位于金属建筑屋面表面的附加功能层往往首先破坏，连同风作用在屋面系统上形成风振效应，进而带动整个屋面系统的破坏，如图3所示。所以，首当其冲的附加功能层，其抗风性能必须得到保证。

图2屋面竖向力作用

于敬海等学者[7]总结了直立锁边金属屋面系统在风荷载作用下的传力机制。在风荷载的作用下，屋面板上表面首先受到外界风荷载向上作用的风吸力，屋面板因此受到向上的负风压，屋面板与固定支座连接通过咬合连接，风荷载通过连接传递给固定支座，固定支座又通过自攻螺钉与檩条连接，风荷载进一步通过自攻螺钉传递到檩条上（图4）。

在直立锁边金属屋面系统中，风荷载作用下的传力路线是：风荷载首先作用在功能层屋面板上，随后传递到面板与龙骨连接的螺钉处，接着往下传递到连接件处，再往下传递到直立锁边屋面与连接件之间的紧固件连接处，最后通过紧固件与T码传递到直立锁边屋面系统上。

图3屋面破坏连锁效应

图4直立锁边屋面风荷载传力路线

可见，在金属屋面系统关键连接节点中，各个连接都会受到风荷载的作用。连接能否承受风荷载的作用，是实际工程中必须解决的问题。从以往的实际工程破坏案例以及工程检测破坏案例来看，关键节点连接处往往是最先破坏从而导致整个屋面系统失效的。

因此，金属屋面附加功能层系统中关键连接节点中各个连接的受力情况以及承载力情况，值得受到更多的关注和研究。

2、关键节点温度变形及防水处理设计

大量的建筑构造问题都与水有关，而对于附加功能层来说，水可以侵蚀某些构件，引起锈蚀。对于金属围护结构，建筑表皮的防水效果主要依赖于细部构造和排水设施的设计与质量。附加功能层一般包括主体结构、支承龙骨、面板、连接系统、功能面层（图5），其防水设计主要在于功能面板能够有效阻止水的渗透作用，在穿透前就将水全部阻拦，从而保护连接系统。

图5附加装饰层结构连接方式

金属围护结构建筑表面的封闭系统，对连接系统的防水设计有重要作用。保温层通常设在防水板的内侧，所以大面积的金属板通常会存在严重的温度变形问题，金属屋面板块受到温度变化的影响时，在板块与板块之间的接缝处会出现较大的尺寸变化。为此，针对板块之间的缝隙，为了能在各种工况的状态下实时保证其在设计时要求的气密、水密等各项物理性能，要对支承体系和装配式金属板块进行相对位移的分析以及结构与结构之间的温度变形情况的分析。

不合理地释放温度变形，容易产生噪音，严重时会产生防水板的局部折裂、隆起或因连接处应力集中而导致面板撕裂。《建筑金属围护系统工程技术标准》（JGJ/T 473—2019）中提出要深化对屋面板温度变形计算和设计，通常在接缝处通过采用密封胶来保证气密、水密性能的实现。而对于多元化建筑设计的功能层，形状更加奇特的金属屋面建筑，对确保释放因温度或装配误差导致的初始应力的计算和研究，较常规形状的屋面板更加困难。

因此，针对金属屋面系统穿出物节点及变形缝节点部位，施工前应取样进行实验室水密性能测试和设计验证，在施工阶段应多次进行现场淋水试验并与屋面板安装工作协调推进，确保减少关键节点温度变形引起的防水缺陷。

3、光伏装置防火设计

建筑行业是我国能源消耗的主要领域之一，改变建筑高能耗格局已成为推动我国建筑行业高质量发展的当务之急。近几年，伴随着能源生产和绿色发展等国家战略的实施，光伏和建筑融合已成为必然趋势。

光伏发电建筑一体化屋面系统由于具有额外的电价收益、节省投资、绿色节能、使用寿命长、防水性能可靠等优势，未来在工业屋顶具有良好的发展前景。光伏屋面除具有发电功能外，还可替代建筑物原有屋面系统，附加新的装饰层功能和其他延展性使用功能。作为建筑不可分割的组成部分，光伏一体化屋面还需要满足建筑外围护结构必备的耐候性、安全性、耐久性、防水、通风等功能，以及结合方式的牢固性和密闭性等要求。

尤其是安全性，光伏系统火灾是必须考虑的安全影响因素，该因素约占屋顶分布式光伏发电火灾因素的45%。在光伏系统的设计中，应重点参考《光电建筑技术应用规程》（T/CBDA 39—2020）中提出的“在发电系统设计时应尽量减少使用直流线路。直流系统电压不宜高于80 V”和“光伏系统控制中要有电弧发生检测能力、单个光电建筑构件与系统断开装置”的要求，同时还应满足《建筑设计防火规范》（GB50016）的防火设计规定。具体设计上，组件的内外侧设计为防火耐燃材料，组件支架和支撑基础选用不可燃的类型，隔构件交界处设计防火构造封堵；采用防雷安全设计，屋面应与建筑物形成整体防雷系统；等等。

4、附加层绿化装置设计

随着城市绿地空间被高楼大厦所占据，空气污染、交通拥挤、噪音超标、热岛效应等一系列问题的出现，城市生态不断恶化，从而使人们对赖以生存的环境的关注度和重视度达到前所未有的程度。屋顶绿化是对城市小气候改善的有效途径之一，夏季能减轻太阳辐射强度，缓解城市局部热岛效应，冬季具有保温作用，可降低室内空调能源消耗，还有减少雨水迳流和降低城市下水道排水压力的作用，对城市环境的改善作用明显。

屋顶绿化按照荷载可分为简单式屋顶绿化、容器式屋顶绿化和花园式屋顶绿化。容器种植是指在具有排（蓄）水、阻根、过滤等功能的模块化可移动式特定容器中种植植物；简单式屋顶绿化是根据建筑荷载比较小的特点，利用草坪、地被、小型灌木和攀援植物进行屋顶覆盖绿化，不需要另设置灌溉系统，靠自然降水就可以解决植物养护问题；花园式屋顶绿化主要针对专门进行绿化设计的屋顶，可以说是真正意义上的屋顶花园，通常可以加入树、草、亭子、水池、假山和木椅等各种园林设计元素。

《种植屋面工程技术规程》（JGJ 155—2013）规定种植屋面工程设计应遵循“防、排、蓄、植”并重和“安全、环保、节能、经济，因地制宜”的原则。建筑屋面绿化，需要解决许多实际问题，涉及到楼顶承重、防水、防台风等多个方面，已有一些技术规范可循，但仍然存在一些模糊地带。比如，就建筑高度与种植屋面的关系来说，只有《建筑金属围护系统工程技术标准》（JGJ/T 473—2019）中提出建筑高度超过24 m时不宜采用容器型绿化。种植屋面需从多方面考虑，现在发展种植屋面仍需进一步规范化和实现规模化。

建筑种植屋面设计与应用过程中，应该依据种植屋面所具备的特征，对可能影响到楼顶承重、防水、防台风效果的因素加以通盘考虑，同时结合材料所具备的性能，设计一套科学的种植屋面系统，使种植屋面工程的质量得到保证。在现代化城市建筑中种植屋面逐步推广的今天，力争将概念型的图形设计产品转化为优质可靠的建筑实物产品，为人们创造出更舒适、更优美的生活环境。

5、结论与建议

1）金属屋面附加功能层作为一种新兴起的屋面体系，是重要的建筑围护结构组成部分，未来在编制或修订附加功能层相关的工程技术规范时，更为明确地规定系统的设计使用年限、结构重要性系数、屋面结构正常使用极限状态和承载力极限状态下的设计限值。

2）金属屋面附加功能层属于非常规结构计算范畴，系统通过许多不同种类的紧固件与主体结构连接，其关键连接节点的性能是满足屋面抗风揭要求的重要影响因数。了解关键节点的相关性能，制定其规范与标准，是未来研究金属屋面附加功能层的一个重要方向。

3）为满足造型独特的建筑设计，装饰层得到大范围应用，其多元的屋面设计，为面板之间的温度变形及防水设计增添了难度，针对确保释放因温度或装配误差导致的初始应力的研究显得至关重要。

4）光伏屋面作为未来建筑重要的组成部分，解决光伏板作为屋面板满足结构和使用功能问题、光伏板发电火灾安全隐患问题、防雷设计问题，都是刻不容缓的。

5）种植屋面经过多年发展，仍需实现规范化和规模化。针对楼顶承重、防水、防台风等多种问题，选用相应的屋顶绿化技术优化方案，需要相关规范配套完善。

参考文献：

[1]严国兴,严吉涛.兰州奥体中心体育场金属屋面工程施工技术[J].城市建筑,2021,18(19):144-146,160.

[2]高翔.蚌埠体育中心龙鳞金属屋面抗风性能试验及理论分析[DJ.合肥:合肥工业大学,2019.

[3]顾明,黄鹏,周日亘毅,等.北京首都机场3号航站楼风荷载和响应研究[J]土木工程学报,2005,38(1):40-44.

[4]赖达东,罗尧治.国家大剧院钢壳体施工支撑体系抗风､温度应力及稳定性分析:“第五届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C].天津,2005.

[5]黄宏,方旭,陈杰,等.昌北机场直立锁边金属屋面板抗风揭试验研究[J].工业建筑,2021,51(3):110-114.