某文化中心金属屋面关键技术应用

汤浩军

0 引言

金属屋面技术进入中国数十余年来，技术不断完善，随着结构复杂、造型奇特的工程越来越多，对设计施工提出了更高的要求。屋面系统设计不仅仅要满足屋面基本性能的要求，同时还需要考虑造型是否美观、能否加工生产，是否便于工期控制，是否经济合理等各种因素。

1 本工程金属屋面工程特点

本工程金属屋面系统分为曲屋面和平屋面。曲屋面为复杂弧形屋面，最高点约为41.3m；平屋面为双层复合金属屋面，屋顶顶面标高为19.5m（如图1）。

图1 整体建筑效果图

1.1 金属曲屋面系统介绍

从外至内分为三个构造层次：

（1）面板层：由1mm 厚铝镁锰板（阳极氧化板）平锁扣方式固定于3mm 厚冲孔铝板之上，共同组成面板层固定于骨架层之上。

（2）骨架层：由半圆弧铝合金龙骨，矩形铝龙骨、铝合金牛腿、铝合金转接件、镀锌钢结构等组成固定于基础层之上，实现曲面金属板的三维可调性。

（3）防水保温基础层：由1.5mm 厚PVC 高分子防水卷材、60mm+50mm 保温棉隔音棉、2mm 厚不锈钢丝网+防火型防水隔气膜、压型钢板等组成固定于主体结构之上，实现曲面金属屋面的防水及保温功能。

屋面系统构造按照施工顺序从下往上依次如图2。

图2 金属曲屋面标准构造图

1.2 金属平屋面系统介绍

从外至内分为三个构造层次：

（1）面板层：由1mm 厚铝镁锰板（阳极氧化板）平锁扣方式固定于3mm 厚冲孔铝板之上，共同组成面板层固定于骨架层之上。

（2）骨架层：由半圆弧铝合金龙骨，矩形铝龙骨、铝合金牛腿、铝合金转接件、镀锌钢结构等组成固定于基础层之上。

（3）防水保温基础层：由1.5mm 厚PVC 高分子防水卷材、轻型楼面板及保温、隔热、防腐构造

屋面系统构造按照施工顺序从下往上依次如图3。

图3 金属平屋面标准构造图

1.3 屋面檐口系统介绍

从外至内分为两个构造层次：

（1）面板层：由1mm 厚铝镁锰板（阳极氧化板）平锁扣方式固定于3mm 厚冲孔铝板之上，共同组成面板层固定于骨架层之上。

（2）骨架层：由半圆弧铝合金龙骨，矩形铝龙骨、铝合金牛腿、铝合金转接件、镀锌钢结构等组成固定于基础层之上。

屋面系统构造按照施工顺序从下到上依次如图4。

图4 屋面檐口标准构造图

2 铝镁锰装饰板优化

原设计中1mm 铝镁锰装饰板的形式及连接特点是，铝镁锰装饰板采用插接形式连接，不锈钢扣件扣在铝镁锰装饰板后通过铆钉与冲孔铝板连接（如图5）。铝镁锰装饰板的插接形式决定了施工顺序，曲屋面装饰板安装时需要从低点开始往上依次安装（如图6）。这样就会使施工安装的时候只能逐个逐块地安装，安装效率十分低，同时安装好的板块需要更换时，必须采用破坏性拆除，而新的板块安装时只能采用非插接方式安装，这样会破坏屋面建筑外观效果，对现场施工和后期维修都会造成极大的不便。此类装饰板极不适合建筑表面积较大的工程中采用；同时根据《金属与石材幕墙工程技术规范》（JGJ133-2001）中规定“幕墙用单层铝板厚度不应小于2.5mm”，虽然原设计中1mm 铝镁锰装饰板下面有3mm 穿孔铝单板做背衬，但最直接外力的仍然是1mm 铝镁锰装饰板，经多方论证，最终采用铝蜂窝板作为外装饰板，构造节点如图7。

图5 原铝镁锰装饰板插接连接方式图

图6 原铝镁锰装饰板安装顺序

图7 优化后装饰板插接连接方式

3 结构承重系统应用

本工程中采用的结构受力系统为承重型压型钢底板与短支钢柱骨架共同传力系统，其一，保温层、PVC 防水层等功能层的恒荷载作用在承重型压型钢底板，通过钢底板传到主檩条；其二，铝蜂窝装饰板层为建筑物最外层，直接承受外部风荷载和活荷载，此部分荷载通过装饰板龙骨，传递给短支钢柱，再传到结构主檩条，如图9。

图8 优化后装饰板安装实景

图9 结构传力简图

本工程承重钢底板采用1.2mm 厚250 强度级别基板，波高113mm，波距256mm，由于屋面结构有较大的起伏，在设计檩条时，需要考虑檩条的倾角，这会使平面上投影长度不大的檩条，由于产生了较大的倾角，使其实际长度远远大于投影长度。本工程在内檐口处，檩条倾角达近40°，最大跨度达6.7m，经计算是在正风压及活荷载和自重的荷载组合下的挠度起控制作用，考虑大跨底板占整个金属屋面较少，因此采用局部加强的处理方式，以满足工程需要。具体为在较大跨度钢底板下部设置100mm×50mm 的矩形通长钢管，并与主檩条焊接连接，钢底板波峰通过自攻钉与加强钢管连接，如图10。

图10 局部承重钢底板加强

图11 金属屋面结构层

4 金属屋面防水系统应用

本工程屋面防水等级为1 级，根据《屋面工程技术规范》（GB50345-2012）中规定，1 级防水等级屋面要求为两道防水设防要求，特殊情况在1 级屋面防水做法中，防水层仅作单层卷材时，应符合有关单层防水卷材屋面技术的规定。结合《单层防水卷材屋面工程技术规程》（JG/T 316-2013）中规定，因此如建筑物防水等级为1 级，采用两道合成高分子卷材的情况下，每道卷材的厚度最小厚度为1.2mm；采用一道合成高分子卷材的情况下，卷材的厚度最小厚度为1.5mm。本工程采用1.5mm 的PVC 高分子防水卷材。为保证防水卷材作业面表面平整（如图12），下部的保温层采用两层容重180kg/m的岩棉块。由于本工程屋面有较多出屋面钢立柱，屋面防水卷材在钢立柱龙骨支座穿透处需另外按照孔的规格尺寸将穿管部分一起用防水卷材包裹，然后上翻至PVC 顶端保护型材，焊接后打防水胶处理，以保证此部位的防水，如图13。

图12 金属屋面保温层

图13 金属屋面防水层

5 曲屋面檐口铝蜂窝板的加工和吊装措施

本工程檐口最高处标高约为41m，三维异型部分主要是：檐口弧形铝蜂窝板、屋面弯弧支撑龙骨。这里每个部分都是空间三维定位，所以前期最关键的工作就是对表皮模型进行优化，在满足建筑造型的前提下，最大限度降低制造和安装难度，从而实现设计与施工的有效融合。

檐口铝蜂窝板主要是龙骨的定位和面板下料，由于檐口造型为非线性弧面，这将导致每块铝蜂窝板都产生不同的弯弧半径，加大了铝蜂窝板的加工难度，成本也较高。通过参数化对每块铝板进行模拟分析，得出每块铝蜂窝板的对焦线高差都在5mm 以内，完全可以采用平板代替，满足整体弧面的效果，大大缩短了铝蜂窝板的加工周期，节省了工程成本。而对于屋面弯弧支撑龙骨的定位，采用单曲弯弧，在模型中生产定位点的三维空间坐标。檐口骨架、装饰板龙骨通过地面单元化拼装，通过塔吊进行单元化提升，减少高空作业量（如图14）。现场根据定位点的坐标数据，对每一个定位点进行实时测量监控，并采用可调节式的设计节点，在构造上通过檩条檩托进行高度调差，以保证整个屋面的造型，如图15。

图14 檐口单元装饰骨架吊装效果示意图

图15 檐口装饰板安装效果示意图

6 BIM 技术在工程中的应用

本工程屋面为异型曲面，目前在解决复杂曲面造型的设计中，多采用Rhino 进行表皮放样设计，而其中又以Grasshopper插件，简称GH，编写建模逻辑算法，使计算机根据拟定的算法自动生成模型结果，从而把机械性的重复操作被计算机的循环运算取代，设计师还可以在其中植入更加丰富的逻辑运算，无论在建模速度还是在精确度上，较传统的工作模式都有大幅度的提升，如图16。

图16 装饰板参数化分格建模

本工程为双曲造型外部装饰板采用的大量的双曲板块，双曲装饰板加工制作难度大、工期时间长、费用高，大量的双曲板块不利于工程项目实施。在保证建筑外观的同时，对装饰板进行曲率分析，结合工厂装饰板的加工工艺，优化加工方案，减少双曲板的数量。有效的节约的加工成本，减少加工时间，保障项目工期。

如图17 所示，通过Grasshopper 对每块装饰板的加工方式进行分析，当对角线的外观交点高差①>10mm 时，该装饰板采用双曲加工。

图17 GH 双曲板分析

高差①≤10mm 时，以XY 为参考平面，长边和短边的中点至参考平面的距离：当距离②或者距离③其中一个>10mm 时，该装饰板采用单曲加工；当距离②和距离③都>10mm 时，该装饰板采用双曲加工；当距离②和距离③同时<10mm 时，该装饰板采用平板加工。

7 结语

目前国内与本工程类似的复杂双曲造型项目很多，这些项目在设计施工中会遇到类似的问题。因此在设计初期必须结合设计规范以及生产工艺合理选择材料类型，以免在后期施工时再去修改设计图纸，造成成本以及工期的变化，使项目节奏放缓甚至停滞。

而在异型屋面设计中，由于高低起伏较大，因此在考虑结构构件的跨度时，应该建立三维实体模型，最好采用结构三维空间分析软件对受力构件进行分析，防止使用二维分析软件忽视构件的实际情况，对结构安全产生影响。

因此，积极运用BIM 技术对异型建筑的结构和造型进行分析，是今后类似工程的必由之路。