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    直立鎖邊金屬屋面的設計常見問題和解決方法

    來源:2022年會論文集  作者:張洋 楊濤 馬文超  日期:2022-4-19
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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計中經常遇到的設計缺陷、不合理構造進行總結,針對性提出相應的設計依據及思路、優化的解決方案,力求在金屬屋面的設計中做到精益求精。
      關鍵詞:高立邊直立鎖邊金屬屋面 防水構造

      本篇文章內容由[中國幕墻網ALwindoor.com]編輯部整理發布:

      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計中經常遇到的設計缺陷、不合理構造進行總結,針對性提出相應的設計依據及思路、優化的解決方案,力求在金屬屋面的設計中做到精益求精。

      關鍵詞:高立邊直立鎖邊金屬屋面 防水構造

      1 前言:

      金屬屋面在國內應用時間較早,目前已經大量應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,再到不銹鋼焊接型金屬屋面,金屬屋面的種類逐漸豐富、構造逐漸復雜完善。但在實際工程應用中,眾多金屬屋面工程出現了質量問題。所以,如何根據建筑特點選擇合適的金屬屋面體系,確定合理的屋面構造及細節做法,是應該從設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,不分擔主體結構所受作用且與水平方向夾角小于75°的建筑圍護結構。其主要的面材材質有: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用最廣泛的金屬屋面體系。本文根據直立鎖邊的金屬屋面體系的應用經驗,總結本系統在設計中經常遇到的問題,希望能夠為規范直立鎖邊金屬屋面的設計提供參考,并提高直立鎖邊金屬屋面的工程質量。

      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的基本構造

      直立鎖邊金屬屋面系統通常被稱作高立邊金屬屋面系統,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。

      基本節點及構造如圖2.1和圖2.2:

    圖2.1 直立鎖邊金屬屋面的基本構造

    圖2.2 直立鎖邊金屬屋面的基本節點

      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、節點構造、安裝工藝、變形控制等因素影響,實際工程中最大板長應綜合考慮后確定。根據《采光頂和金屬屋面設計規程》JGJ255的規定,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,對雨水排放具有導向性。根據建筑屋面排水路徑,此系統可以更好的將屋面雨水進行有序的引導、匯集和排出。

      2.2.3構造防水:

      金屬屋面板不是通過封堵防水,而是構造防水。在排水方向上,金屬屋面板通過上下搭接,左右側板肋(詞條“板肋”由行業大百科提供)咬合,并在板肋咬合處設置凹槽形成等壓腔,形成完整的防水構造,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”由行業大百科提供)方式是通過板肋卡接在合金T碼上,實現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,業內存在著一定質疑,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范圍

      直立鎖邊金屬屋板可以設置不同板型和曲率(梯形板、扇形板)擬合復雜的建筑外形。但其適應的范圍有一定限制。扇形板要保證扇形板的兩端尺寸,不能過大或者過小。應該根據排水需要、工藝構造進行設計,通常情況在150mm~600mm之間。彎弧板應控制彎弧半徑,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致板接縫越多,屋面系統產生滲漏的風險也就越大。

      根據直立鎖邊金屬屋面板的特點,直立鎖邊金屬屋面系統不適合小尺度、大轉折、大曲率的屋面形態;比較適合于大體量、大空間、小彎曲的屋面形態。

      3 直立鎖邊屋面在設計中應注意的問題

      3.1根據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計時,沒有進行屋面板的受力分析,直接規定金屬屋面板的T碼間距(通常情況下規定T碼間距為1500mm~1800mm),這是不合理的。在屋面工程設計中,應該根據不同項目的受力情況,把金屬屋面板當作連續梁進行受力分析,每個T碼是連續梁的支點,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《鋁合金結構設計(詞條“結構設計”由行業大百科提供)規程》 、 《采光頂與金屬屋面技術規程》中相關規定。)

    圖3.1 屋面板受力簡化模型

      3.2 設置合理的排水坡度

      根據 《采光頂和金屬屋面設計規程》JGJ255的規定,金屬屋面的排水坡度應該不小于3%,《坡屋面技術規范》GB50693中9.1.2規定金屬屋面的排水坡度不宜小于5%;9.2.5規定:金屬屋面的排水坡度應根據屋面結構形式、屋面形狀、當地的氣候條件等因素確定。屋面排水坡度的規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,如果出現積水現象,屋面板會出現變形,影響屋面排水。金屬屋面板的排水速度和排水坡度相關。如果排水坡度不能保證,那整個屋面體系排水效率會降低,一旦出現積水現象,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 屋面積水現象

      3.3 合理設置屋面各功能層

      屋面的各種功能層應根據建筑要求設計,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置保溫層,保溫層的厚度根據設計要求確定,保溫棉在設置時可以兩層上下搭接,減少單層鋪設保溫棉的縫隙影響保溫效果。保溫棉的鋪設見圖3.3示意。

    圖3.3 保溫棉搭接

      《坡屋面技術規范》GB50693中9.2.10 規定:當室內濕度較大或采用纖維保溫材料時,壓型金屬板屋面設計應符合下列規定:保溫隔熱層下面應設置隔汽層;防水等級為一級時,保溫隔熱層上面應設置透汽防水墊層。

      保溫隔熱層下面設置防潮隔汽層是為了起到一定隔絕的作用,減少室內的溫熱空氣進入保溫層;防止室內溫熱空氣在保溫隔熱層內遇冷形成冷凝水(詞條“冷凝水”由行業大百科提供),導致保溫隔熱性能降低。保溫隔熱層上面設置透汽防水墊層,是為了設置一道柔性防水的基礎上,仍然可以保證保溫隔熱層和室外空氣進行交換。其構造示意見圖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計

      直立鎖邊的金屬屋面排板從本質上說是對雨水匯流途徑的設計,因此,排板應根據建筑屋面的外形、雨水在屋面上的自然流向、屋面排水途徑等因素進行設計。屋面板排布設計應該遵循以下幾個原則:

      3.4.1金屬屋面板排板應盡量根據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。

      在設計上,應該避免金屬屋面板出現雨水跨越屋面板肋的情況,因為如果出現了雨水跨越屋面板的情況,說明設計的排水路徑已經失效。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金屬屋面板排板應根據屋面外形設計,盡量避免過多的短屋面板;并且應考慮屋面板和天溝、屋脊的角度,避免屋面板和天溝、屋脊角度過小,造成構造上的困難。圖3.6是項目上屋面板和天溝角度過小,導致滴水構造設置困難。

    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,從構造上已經充分考慮了防水的性能構造,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節,能否處理好這些位置,是整個屋面板體系防水的關鍵。設計人員應該充分理解屋面板的標準做法,在標準做法的基礎上針對各自的實際工程做出合理設計。

      3.5.1屋脊的構造應該能通過蓋帽子的方式實現防水,在屋面板的槽內封堵,上端覆蓋通長的檐口板。屋脊應該是屋面的最高處,雨水應以這個位置作為分水嶺。設計中要充分考慮屋面的坡度,對于復雜屋面形狀應該充分分析屋面的成型機理,根據屋面的排水方向,確定屋脊位置。屋脊基本節點見圖3.7示意。

    圖3.7 屋脊構造示意

      3.5.2 山墻的構造需要將墻體側向的水流導入屋面板,連接固定的螺釘應該設置在防水構造以外。屋面板的山墻構造可參照圖3.8示意。

    圖3.8 屋面山墻節點示意

      如果山墻節點設計的過于簡化,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系,會導致施工中很難交接,給滲漏留下隱患。圖3.9就是兩種常見的簡化構造。

    圖3.9 屋面山墻簡化構造節點

      3.5.3 屋面板和天溝收口構造應該注意兩點:

      3.5.3.1 屋面板在天溝的搭接量應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規程》的要求,屋面板伸入天溝的長度不應小于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致漏水。

      3.5.3.2 屋面板的端頭應該設置滴水構造,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致滲漏。屋面板滴水的構造見圖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造防水的原則,設計要根據屋面類型、坡度設置搭接量,明確搭接構造。設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《采光頂與金屬屋面技術規程》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接的,需要控制批水板的坡度,避免出現積水現象。設計中可以控制批水板的坡度大于5%;緲嬙炜蓞⒄請D3.12、圖3.13示意。

    圖3.12 屋面板搭接構造節點示意

    圖3.13 屋面板搭接構造效果示意

      4 金屬屋面板設置夾具的注意事項

      直立鎖邊金屬屋面的無穿透轉接構造在很多項目上都有應用,但如何正確理解和使用這種轉接夾具是很多設計人員需要加強的。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件,之后這種構造在金屬屋面上被大量使用。其基本構造可參考圖4.1示意。這種不穿透屋面的構造對屋面的防水性能有很大好處,其設計應遵循以下原則:

    圖4.1 不穿透夾具的構造

      4.1夾具的受力應滿足設計要求:

      設計應充分考慮金屬屋面板的夾具在不同方向的承載力,結合實際工程所處環境確定每個夾具的受力,確保受力安全、可靠。

      不同構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。不穿透的夾具應該能可靠傳遞屋面外裝飾的荷載,應該根據受力情況、裝飾板尺寸、夾具分布等因素進行設計確定夾具的規格和分布。

    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該設置在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碼位置很難有對應關系,因此,當夾具位置和T碼重合時,應設置雙夾具跨過T碼。

      4.3審慎使用屋面金屬板的全鋁焊

      有些設計人進行屋面設計時,對于屋面板銜接位置習慣采用鋁焊完成搭接、轉折等形式。認為這種構造強度大、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象

      5總結

      金屬屋面的設計,應該充分利用不同屋面體系的特點和適應性,以匹配不同的建筑屋面形態和要求,不存在一種屋面體系能夠適應所有屋面。當選擇直立鎖邊金屬屋面體系時,應重視金屬屋面構造設計。細節決定成敗,如果在細節處理不好,造成破損、滲漏,那會導致整個屋面體系的質量缺陷。希望幕墻設計人員能夠設計好、利用好直立鎖邊金屬屋面,為建設方提供安全可靠、性能優異的工程項目。

      參考文獻:

      [1] 《建筑幕墻GB21086-2007

      [2] 《屋面工程技術規范》 GB50345-2012

      [3] 《鋁合金結構設計規范》 GB50429-2007

      [4] 《采光頂與金屬屋面技術規程》 JGJ255-2012

      [5] 《坡屋面技術規范》 GB50693-2011

      [6] 《幾種常見金屬屋面系統應用的對比與淺析》 楊濤

    作者單位:珠海市晶藝玻璃工程有限公司

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