某双曲面金属屋面系统安装

[摘要] 金属屋面系统的施工便捷、造型多样，造就了各种造型独特屋面围护的建筑，金属屋面系统结构安全和防水施工是保证建筑质量的关键所在，施工方案的优劣对工程结构安全、建筑防水、美观、工期等都有很大的影响，本文针对国内某双曲面复杂金属屋面系统安装、施工难点分析、节点处理等梳理介绍。

[关键词] 双曲面金属屋面系统施工难点分析节点处理

中图分类号：TU71文献标识码： A

Installation of A Hyperboloid Metal Roofing System

Yaogang Wang

(Jinggong Industrial Building System Co., Ltd.Shaoxing Zhejiang302030)

[Abstract] Metal roof system is easy to be constructed with varieties of appearance. Metal roof system has formed many buildings with unique shaped roof cladding. The key of construction quality is safety and waterproof. The construction method will produce great impact on the structural safety, waterproof, appearance and schedule. The paper has introduced the construction method, difficulties analysis and Connection treatment regarding a hyperboloid complex metal roofing system.

[Key Words] Hyperboloid Metal Roof System, Difficulties Analysis, Connection Treatment

1.工程概况

某双曲形屋面投影面积约5000平面米（效果见图1），其东西长约133.78米，南北宽约41.4米，屋面最高点标高约11.6米，最低处为5.9米。

图1 某屋面系统效果图

由多个双曲形状单体组成，根据其特点，将屋面分为A、B、C、D、E五个区（见图2）。屋盖防水层采用1.0mm厚直立锁边铝镁锰合金防水屋面板，采用扇形板（见图3）与直板混搭的方式，直板板宽400mm，肋高65mm，扇形板大头控制在480mm以内，小头控制在280mm以上以保证与直板混搭的伸缩、防水及美观性。屋面防水板上部采用15mm厚装饰蜂窝铝板，装饰板通过专用卡件与防水屋面板连接，无需穿透金属防水板。金属防水板与高强铝支座360度机械咬口连接，使屋面形成防渗、防漏的整体，又可形成伸缩、滑动的连接。部分区域采用玻璃采光顶，满足建筑造型、防水、抗风、保温、隔声、吸音、防雷、防腐等功能要求。屋面排水采用不锈钢天沟加重力排水系统。

图2 各区分布示意图

图3 扇形板

1.1 金属屋面构造系统介绍

该工程屋面为复合型金属屋面，其内层采用1.0mm厚防水铝镁锰合金屋面板，铝卷表面原色锤纹处理，并喷涂清漆一道，合金成分为AA3004。该板板宽400mm，肋高65mm，材质为铝材，同时采用国际先进的屋面系统板型，作为屋面系统的主导材料，屋面整体立边咬合、通长安装、整屋面无任何穿透，开孔节点采用焊接工艺，具有卓越的防水及防渗功能、是整个屋面系统的防水防渗的主体。本屋面板先进的板型设计,可自然弯曲或制作加工成双曲、穹拱曲及扇形屋面等复杂造形，满足建筑整体造形的要求。

另外防水屋面板外层设有15mm厚蜂窝铝板装饰层，该装饰层与屋面板连接采用可调节的铝合金肋顶夹，采用这样的转接系统，不但可以满足误差的调节需要，还可以更好的与下部屋面板肋衔接。

该构造从上往下依次为：

a：15mm蜂窝铝板装饰面板

b：装饰面板镀锌钢龙骨

c：装饰面板连接系统

d：1.0mm厚直立锁边铝合金屋面板

e：“特卫强”防水透气膜

f：铝合金固定座(带隔热垫)

g：100mm厚，容重120kg/m3的保温岩棉

h：1.2mm厚PVC隔汽膜

i：2mm厚折边镀锌钢板隔声层

j：50mm厚，容重32kg/m3玻璃棉吸音层

k：无纺布

l: 26mm肋高0.8mm厚镀锌压型穿孔钢底板

m: 主檩条为200×100×5矩形管

构造效果如图4所示：

图4 屋面构造示意图

1.2采光玻璃天窗

该工程屋面采光天窗有三角天窗和梭型天窗两种形式，天窗玻璃采用8mm（LOW-E）+12A+6mm+1.52pvb+6mm中空钢化夹胶玻璃,钢化玻璃的边缘进行倒角磨边和进行均质处理，其龙骨采用铝合金型材，天窗边缘采用3mm厚铝单板包边。

具体节点效果如图5所示：

图5 采光玻璃天窗

1.3 不锈钢天沟

该工程屋面天沟面层采用3mm厚的SUS316不锈钢板制作，分为外天沟和内天沟，其内天沟采用100mm厚岩棉保温，外天沟不需要保温层。骨架采用50*50*5钢方通，与主体结构焊接连接；天沟封边采用1mm披水板，材质同屋面板。

该工程屋面天沟采用3.0mm厚不锈钢板折弯成型。天沟的制作在工厂内进行，采用双联数控电液压大型折弯机上进行成型，以3米左右一段的形式，统一包装，现场安装时进行安装焊接。

天沟处的构造处理涉及到屋面板与不锈钢天沟二种材质的连接处理，既要做到连接处的防水、防风、防漏，还要处理好天沟和屋面板的伸缩问题。通过屋面板在零下15度到65度的伸缩计算，预先设置好伸缩余量，在屋面板深入天沟的区域设置带滴水片的内堵头，阻挡风及少量雨水从泛水板与屋面板间的缝隙贯入；披水板与天沟采用勾边搭接，披水板固定在屋面支撑配件上，屋面板与内堵头一个整体，屋面支撑配件与披水板为一整体，天沟单独一体，这样的构造做法保证了屋面板、天沟的伸缩。

节点效果如图6所示：

图6 屋面天沟

2.重难点分析及解决措施

2.1 建筑外观面的平滑美观

该工程屋顶为一双曲面建筑造型，外观的大面及局部双曲面的平滑度、装饰板面分缝的线条流畅性，是本工程深化设计及施工管理的关键。

解决措施：

（1）建筑三维控制原点的确定：由于该工程形状为双曲面体，所以必须在主体结构、屋面装饰、立面幕墙等确定唯一的三维尺寸控制原点坐标（0，0，0）作为各专业尺寸控制的依据保证总体形状的实现。

（2）深化设计控制：以三维尺寸控制原点坐标（0，0，0）为基准，根据设计施工图要求的形状及标高控制尺寸要求进行外表皮的三维建模及板面的曲线分隔。确定表皮装饰面的三维控制点及面，作为屋面工程施工测量、材料下料、施工控制的坐标依据。

（3）与钢结构模型的校对复核：由于屋面工程的工作面为钢构专业，所以屋面表皮模型必须与钢结构模型吻合，防止由于钢结模型误差改变外装饰面造型尺寸。及时调整钢结构尺寸和外皮模型。

（4）施工测量控制：根据表皮三维控制点，建立从外向内标高控制的方法，通过全站仪在钢结构上确定控制点进行檩条、屋面板、装饰板的施工。避免以钢结构为尺寸基准平行向上施工屋面的方法，防止钢构安装误差对表面形装的影响。

（5）产品工艺的控制：采用单曲（见图7）、双曲（见图8）铝蜂窝板的应用，实现整体及局部双曲造型的实现。

图7 单曲面

图8 双曲面

（6）多道尺寸调节控制：钢檩条与主钢结构的支托调节（调差范围100mm以上）、装饰板与屋面板的连接夹具（调差范围50mm-100mm）,装饰板连接角码（调差范围50mm以内）。

2.2屋面系统的防水性能

（1）由于本工程屋面区域分块较多导致屋面收边多（屋面与天沟、屋面与天窗、高低屋面泛水）。

（2）由于屋面平面为不规则形所以产生多处屋面板斜切，板头刚度下降，极易在刮风时漏水。

（3）由于天沟底部不在同一标高，形成斜天沟内形成水流速,高标天沟处积水深度不足，虹吸水斗无法形成虹吸排水，并且在下标高天沟处水量过于集中导致天沟溢水

解决措施：

（1）屋面采用扇形直立锁边板整体排布的方案所有屋面板肋采用咬合工艺， 防止屋面切割拼接由于焊接或打胶产生漏水。

（2）屋面与天窗、屋面泛水均采用搭接、咬合等排水方式，在高差屋面处合理安排安装顺序防止二次踩踏造成的漏水。

（3）屋面板板头斜切处采用刚度加强件对屋面板头加固及密封固定，防止强风时的板头漏水。

（4）屋面斜天沟采用分段设置集水井和挡水片的方式，形成虹吸排水。

（5）屋面装饰板与下部屋面板的连接采用板肋咬合夹件的方式连接，保证屋面板不被穿透。

2.3屋面系统的受力性能（见图9）

该工程屋面为复合屋面，屋面板上有装饰层，在防水板上有局部集中力，布点不准确，夹具连接方式不当，会产生屋面板的破坏。

天沟区域由于考虑到防水性能屋面板伸出天沟边从而形成悬挑自由端，故此处的受力性能最为薄弱。同时本工程天沟为圆弧状其与金属板存在一定的角度，导致金属板在边缘需要斜切处理，从而增大了悬挑端的板长，抗风性能更为不利。

屋面系统属于间接传力，传力的环节较多。如何保证传力性能的可靠、安全是该工程的重点。

解决措施：

（1）蜂窝铝板夹具使用梅花形布点，夹具尺寸及形状与屋面板相匹配。

（2）为保证屋面板的抗风受力采用将板端的檩条加密，减少屋面板的跨度提高承载能力。且此处檩条间距控制在中间区域檩距的0.5-0.8倍之间。同时也解决了天沟区域屋面板的堆雪荷载对板端的受力影响。

（3）对边缘的固定支座加大，一般为中间区固定支座纵向长度的2倍，增加其咬合力，同时铺设板材后立即进行咬合，多次咬合确保咬合达到紧固尺寸。提高板端抗风能力。

（4）在板端自由边设置咬合口尺寸紧固件（滴水片），防止热胀冷缩在下咬合口变大，导致在风荷载下的咬合力丧失引起屋面板破坏。同时设置抗风构造措施。

（5）通过檩条的精确计算、固定支座加大2倍、屋面咬合尺寸及咬合质量、夹具加大2倍等受力传力点的控制，保证屋面传力性能稳定、安全。

图9 屋面系统传力顺序图

3.屋面安装主要施工方法

3.1 屋面施工分区及施工顺序图（见图10）

图10 屋面施工分区及施工顺序图

图中表示施工方向示意；屋面整体分成五个施工区，其总体施工顺序为：A区B区C区D区E区。

3.2 屋面系统安装流程（见图11）

图11 屋面系统安装流程图

3.3 屋面板安装方案

该工程金属屋面板的制作，均是在现场完成的。屋面板加工机械，大多公司均是以集装箱形式，进行驳运，与屋面板原材料卷材一起运到现场进行加工制作的。

该工程最长屋面板约22米，我们拟采用地面出板吊机提升方案。

计划在施工现场空地上开辟屋面板加工场地，用于屋面板现场加工，屋面板加工场地必须进行硬化，对加工场地承载力不足的地面，采取加固。

屋面板的垂直运输采用25吨汽车吊进行吊装，吊装时屋面板放入专用吊篮中。吊升时在屋面外檐口的提升位置处，以钢管、脚手片及走道木板等，搭设一个屋面板高空临时堆放平台，可供施工人员在高空行走、站立及屋面板材料的堆放，场地边线，以脚手管及安全绳布设一圈安全生命线，作好安全防护措施。

3.4 装饰蜂窝铝板安装

该工程屋顶为曲面造型，而装饰蜂窝铝板作为屋顶建筑外观最终体现，其材料的加工及安装要求十分重要。

在工程设计及实施时，我们对整个工程采取外皮整体建模（软件建模），下料尺寸完全按照所建的模型尺寸，施工安装时也同样按照三维模型定位坐标测量安装。工程软件的应用对完全解决双曲屋面的排版技术，使工程达到预期装饰效果。

单板板块施工，其板块的缝要对直。从纵向截面望去，要保证其直线度，不可弯曲不平、缝隙大小不一。上下板块、平面与立面板块，其板缝要自然过渡。

在安装过程中，所有控制外观的尺寸点，均利用全站仪进行三维坐标尺寸定位；施工得严格按照设计布置，无论是板块的排布还是各点三维尺寸的确立，均应按图索引，有序施工。设计要做好三维外表面建模工作，各点三维尺寸点均应在图纸上进行明确标注。

蜂窝板支撑纵向及横向龙骨通过屋面专用卡件与金属屋面板肋咬合连接（见图12），将蜂窝板面荷载通过卡件传递到直立锁边屋面系统上，在由直立锁边屋面系统传递给主钢结构。

图12 蜂窝板骨架与金属板连接方式

3.5檩条安装方法

该工程屋面檩条采用200*100*5矩形管，通过10mm厚节点板和6mm厚加劲板用焊接的方式与下部主结构连接固定。(见图13)

图13 檩条连接示意图

安装工艺流程

檩条安装位置、标高的测量檩托定位放线连接件的安装檩条的安装钢檩条顶弧作业测量复核标高、安装坡度的调整固定。

檩条焊接施工措施：

（1）对下部结构的保护

檩条焊接时，计划在焊接点下部加设支撑，利用主结构向下挂设简易平台，以完成作业面的布置。

焊接点周边作简易的挡风措施，并在焊接下部，底部，利用密目网及细木板，布设一个相对密实的平台，防止高空施工时的小件等跌落下方及焊点火花四溅，引起火灾及损坏已完主结构表面的漆面层。

（2）对焊缝的处理

施焊后，要注意进行焊缝修补工作，清查所有焊接节点，使之达到对应焊缝的相应要求。

（3）对主结构的补漆

焊接完成后，对焊接点及周围位置的主结构表面的油漆或多或少都有影响。因此，依据主结构油漆处理方式，重新进行补漆处理。

3.6 底板安装方法

该工程屋面底板采用镀锌压型穿孔钢底板，上铺吸音棉（衬无纺布）。

屋面底板位于檩条下方，采用自攻钉与屋面檩条相连接。自攻钉打在钢底板波峰处，每处波峰打一颗。底板与底板之间的连接为对接。

屋面施工时其镀锌压型穿孔钢底板位于屋面钢檩条下部，室内没有可供施工人员站立的施工作业面。

针对本工程我司计划采用搭设移动脚手架施工平台的方式，进行底板的安装。

3.7 天窗安装

屋面天窗骨架在屋面檩条施工时安装，施工时作业区内布设安全网，直至天窗的施工完成。

屋面天窗玻璃在屋面板安装完成后进行安装，屋面天窗的安装主要在天窗玻璃的垂直运输及搬运，天窗玻璃的垂直运输采用现场25T汽车吊直接吊运至屋顶，天窗玻璃较重，运输至屋顶比较危险，吊装时将玻璃用垫块隔开，每次吊装为2-3块玻璃，玻璃为横放。

3.8 天沟系统安装

天沟的垂直运输安装采用汽车吊及人工吊装。两段天沟之间的焊接方式为氩弧焊接，天沟段的连接采用对接焊。天沟安装完毕以后，应进行相应的闭水试验。

结语：1）金属屋面系统的应用，满足了建筑师对建筑屋面造型的各种要求；同时，也对施工提出了更高的要求，如何处理好复杂屋面系统的结构安全、防水、美观，在选择合理施工方法的同时，还要从屋面系统的各个细节着手，特别处理屋面结构受力、屋面天窗、檐沟等细节工作。希望通过工程的介绍，为其他类似双曲面金属屋面工程提供施工借鉴。

参考文献：

建筑钢结构施工手册中国计划出版社2002年

钢结构工程施工质量验收规范GB50205-2001

钢结构工程施工规范GB50755-2012