轻自重钢架组合板式种植花园屋面施工技术研究

孙丰岩 陈 斌 国 超 郁 勇 时景彬 中建八局第四建设有限公司

1 前言

随着我国城镇化水平的不断提高和城市规划的不断完善，建筑物的外立面和整体造型越来越受到人们的重视，如何通过建筑外立面和整体造型更好地体现设计师所表达的理念日益突出。其中，种植屋面作为近年来流行的屋面设计形式，既可以有效地表达人与自然和谐相处的设计理念，同时可显著地提升建筑的整体造型。但目前常规的结构设计对种植屋面满足程度较低，即屋面板的截面尺寸和板内配筋极有可能不满足种植屋面局部堆载以及对防渗防水较高的要求，导致先进的绿色设计理念无法落地，降低整个建筑的整体造型。

本文针对以上问题，在传统种植屋面的基础上，创造性的引入了钢架、组合板施工技术，即在屋面上先施工整体钢架，随后在钢架局部施工组合板，再进行敷土施工或其他成品花架施工。有效地解决了传统屋面由于承载有限无法进行复杂造型种植屋面的技术难题，为种植屋面设计提供有效的技术支持。

2 现有技术分析

为解决传统屋面荷载无法满足复杂造型种植花园屋面的技术问题，经研究，汇总整理相关技术方案，分析其优劣，汇总整理如表1所示。

表1 不同工艺种植屋面工艺优缺点

现有施工技术中，存在以下问题：（1）传统屋面板截面尺寸较小，无法承载大面积复杂造型的种植屋面荷载；（2）传统屋面配筋较小，抗拉能力有限，对种植土局部较大荷载难以承担，有可能造成结构板开裂；（3）复杂造型的种植花园屋面具有多个标高，传统种植土无法塑造多个标高；（4）多标高导致种植土存在多个坡度，传统土体回填施工技术无法长期保证土的坡度。

3 工艺概况

3.1 工艺创新点

针对现有屋面施工工艺的局限，急需研发出一种自身荷载较轻、可满足复杂造型、施工效率较高的施工工艺，基于以上情况，研发出整体钢架+组合板种植花园屋面工艺，有效解决了传统屋面板无法承受较大荷载且需进行大量造型种植屋面的施工技术，详细如下。

（1）研发整体式钢架施工技术，替代大部分土体，可大幅消除原种植屋面整体荷载；（2）研发组合板施工技术，即钢板+混凝土施工技术，可进行种植屋面内人行道铺筑施工；（3）改进钢架与屋面节点固定技术，确保局部抗渗效果，消除渗漏隐患；（4）研发种植土分隔挡土技术，采用挡土板将土体固定于每个分格中，可实现不同坡度的种植土造型；（5）引入BIM建模标高控制技术，对局部种植土标高进行精确建模控制。

3.2 工艺创新点

（1）引入整体式钢架施工技术，替代大部分土体，可大幅消除原种植屋面整体荷载；（2）引入组合板施工技术，即钢板+混凝土施工技术，可进行种植屋面内人行道铺筑施工；（3）改进钢架与屋面节点固定技术，确保局部抗渗效果，消除渗漏隐患。

3.3 受力验算

受力验算采用对比法，分析纯土壤回填时对屋面产生的面荷载，再分析采用钢架屋面后形成架空层后的集中荷载，并与现有结构楼板的最大可承受荷载进行对比分析，确定验算是否通过。

（1）当采用纯土壤回填种植屋面时，根据种植土性质，结合土体密度，确定种植土比重为：G=1500kg/m3，将质量转换为重力，即：F=9.8G=9.8×1500=14.7kN/m3，确定土壤容重为：γ=14.7kN/m3，结合现有实际情况，传统种植屋面厚度2m~3m，取中为2.5m，即：h=2.5m，结合上式，确定面荷载为：F面=γ·h=14.7×2.5=36.75kN/m2，即采用纯土壤回填施作种植屋面时，结构屋面板每平方米需承受36.75kN/m2。

（2）当采用钢架种植屋面时，根据种植土性质，结合土体密度，确定种植土比重为：G=1500kg/m3，将质量转换为重力，即：F=9.8G=9.8×1500=14.7kN/m3，确定土壤容重为：γ=14.7kN/m3，结合现有实际情况，钢架种植屋面厚度0.2m~0.5m，取中为0.3m，即：h=0.3m，结合上式，确定面荷载为：F面=γ·h=14.7×0.3=4.41kN/m2，单位面积钢架种植屋面面荷载作用长度l1=1m，因此钢架屋面种植土线荷载为：F线=γ·h·l1=14.7×0.3×1=4.41kN/m，单位面积钢架种植屋面线荷载作用长度l2=0.5m，因此钢架屋面种植土集中荷载为：F集中=γ·h·l1·l2=14.7×0.3×1×0.5=2.20kN。

（3）综合分析：当采用纯种植土施作种植屋面时，面荷载可达36.75kN/m2，严重超出结构屋面板可承受荷载范围；当采用钢架种植屋面时，通过等体积钢架替代等体积土壤，减少自重，同时将面荷载转换为集中荷载，仅为2.205kN，结构楼板可承受。受力验算通过。

3.4 适用范围

传统种植屋面需结构设计时考虑大量的土体荷载，影响结构梁、柱和板的配筋，不可避免的影响整体造价。如不专门考虑种植屋面对结构设计的影响，在进行屋面设计时往往因为结构负载能力不足问题导致优秀的种植屋面设计方案无法实现。针对以上情况进行本文研究，因此本技术适用于原结构屋面设计承载较低，无法进行大面积种植屋面施工的建构筑物。

4 工艺原理

工艺采用钢架+组合板形式，首先根据屋面结构形式以及种植屋面造型，利用角钢、H型钢焊接型材钢桁架，在人行道部位采用压型钢板组合板施工，覆土区域焊接整块不锈钢板，在不锈钢板上覆土或安放成品花盆；如采用覆土时，还应根据土体标高采用角钢制作安装挡土板。最后，在钢桁架与结构板固定处采用加厚保护层厚度、喷涂聚脲防水涂料形成卷材保护做法。整体结构如图2~图5所示。

图2 轻自重钢架组合板式种植花园屋面（平直段）详图

图3 轻自重钢架组合板式种植花园屋面（平直段）效果图1

图4 轻自重钢架组合板式种植花园屋面（带坡度段）详图1

图5 轻自重钢架组合板式种植花园屋面（带坡度段）效果图1

本工艺主要研发或改进以下新技术。

4.1 整体式钢架施工技术

针对土体比重很大的因素（每立方米种植物重量为1.1t~1.9t，平均1.5t），常规普通楼板板厚较小（100mm~150mm），局部可承受荷载很低，远远达不到可承担较大土体荷载的要求。采用整体式钢桁架，填充原土体所在范围，显著减少了每立方米单位荷载（钢桁架每立方米重量为0.4t~0.6t）。同时钢桁架顶部可焊接不锈钢板，满足不同标高、坡度要求，可进行复杂标高的种植屋面造型。

4.2 压型钢板组合板施工技术

由于种植屋面中常常还有人行道，针对人行道需研究一种专门的结构，以满足人行道刚度、强度、平整度要求很高的特点。如直接采用钢桁架，局部平整度可能无法满足要求，需采用一定的混凝土结构。但如果全部采用混凝土结构，局部荷载很大，对钢筋混凝土屋面板的承载能力提出较大挑战。针对以上情况，创造性的引入压型钢板+混凝土组合板施工技术，即底部采用压型钢板，顶部进行混凝土浇筑，整体50mm~60mm，如图6所示。

图6 压型钢板组合板剖面图1

采用压型钢板组合式板，可在保证板整体刚度的前提下进一步压缩板的厚度，同时有效提高施工效率，同时可大幅度降低组合板的整体荷载，满足结构楼板承载能力较低的要求。

4.3 标高BIM建模控制技术

因部分种植屋面造型复杂，导致存在多个局部标高，如采用传统定位放线技术则很难进行整体标高控制，基于以上情况，引入BIM技术针对标高进行细部建模，理清各个区域的标高。

4.4 钢架节点卷材保护技术

因本工艺采用了大量的钢架，同时钢架再用膨胀螺栓与结构板进行固定，如不进行专门的节点处理，后施工的钢架膨胀螺栓极有可能穿透防水保护层对屋面防水卷材造成不可逆的损害，针对以上情况，研发钢架节点卷材保护技术。本技术主要通过增厚防水保护层厚度、在防水卷材表层喷涂聚脲防水涂料形成一种韧性很强的保护层，同时增厚防水保护层厚度可有效降低或消除膨胀螺栓对防水卷材的破坏。如图7所示。

图7 防水卷材节点保护措施工艺图

4.5 局部土体分隔技术

采用角钢，根据种植土坡道和造型，按照一定的角度和间距安装挡土板，挡土板中部有孔洞保证水分可自由通过。利用挡土板把土体分隔于每个分格中，同时分格内土体坡度可逐个精确找坡，实现大面积种植土多个坡度精准控制的效果。

图8 土体分隔挡土技术示意图1

5 施工要点

屋面工程作为重要的分部分项工程，对整个单位工程的工期、质量、安全、成本均有较大的影响，因此有必要投入较多的人力物力进行行之有效的施工管理。尤其是大型公共建筑的基础屋面施工必须充分考虑结构受力情况、屋面绿植设计、荷载情况及使用要求等。本工艺通过对负载能力较低的结构屋面进行研究，通过研发或改进整体式钢架施工技术、压型钢板组合板技术、标高BIM建模控制技术、钢架节点防水卷材保护技术、土体局部分隔技术，使得在负载能力较低的结构屋面上进行大体量复杂造型种植屋面施工成为可能，节约了施工成本，缩减了施工工期，希望对类似工程提供一定得指导意义。实际应用时应注意以下几点。（1）本工艺施工前，应先进行基层清理，确保基层无明显垃圾、落灰等。（2）本工艺施工前，应先进行原有结构标高整理，同时汇总梳理种植屋面建筑标高，进而确定钢架整体和局部高度，以此进行受力分析并进行深化设计。（3）如有人行道等特殊构件，应采用压型钢板组合板，并提前确定压型钢板组合板的分布及详细技术参数。（4）钢架与混凝土楼板的固定节点应尽量少，以减少固定节点处膨胀螺栓可能对防水卷材造成的破坏风险，同时适当提高防水保护层厚度，并在防水卷材表面喷涂聚脲防水涂料，形成具有较好韧性的防水卷材韧性保护层。

6 效益分析

6.1 工期分析

采用传统的种植土施作种植屋面，需进行大量的土方垂直运输工作，施工工期较长；当采用钢架组合板式种植屋面时，大量的钢架构件可在现场预制并安装，缩小施工周期，提高施工效率，如图9所示。

图9

6.2 工期分析

采用传统的种植土施作种植屋面，需进行大量的土方垂直运输工作，土方运输机械费用很高；当采用钢架组合板式种植屋面时，大量的钢架构件可在现场预制并吊装，机械费显著降低，综合单位成本更低，如图10所示。

图1 轻自重钢架组合板式种植花园屋面示意图

图10

7 结束语

屋面工程作为重要的分部分项工程，对整个单位工程的工期、质量、安全、成本均有较大的影响，因此有必要投入较多的人力物力进行行之有效的施工管理。尤其是大型公共建筑的基础屋面施工必须充分考虑结构受力情况、屋面绿植设计、荷载情况及使用要求等。本文通过对负载能力较低的结构屋面进行研究，通过引入整体式钢架施工技术、压型钢板组合板技术、标高BIM建模控制技术、钢架节点防水卷材保护技术，使得在负载能力较低的结构屋面上进行大体量复杂造型种植屋面施工成为可能，节约了施工成本，缩减了施工工期，希望对类似工程提供一定的指导意义。