金屬屋面設(shè)計(jì)需考慮的一些問題

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新，一些具有良好性能的金屬被開發(fā)成新型的屋面建筑材料，廣泛地應(yīng)用于機(jī)場、車站、體育場館、會展中心、博物館、文化中心等城市標(biāo)志性建筑，并逐漸向普通建筑擴(kuò)展。與傳統(tǒng)屋面相比，金屬屋面的設(shè)計(jì)和聯(lián)結(jié)構(gòu)造有著顯著的不同，設(shè)計(jì)時在許多方面需要認(rèn)真考慮。

一、金屬屋面的常用材料種類及特性

1 鈦鋅板——主要成分是金屬鋅，加上少量的鈦、銅、鋁混合冶煉而成的鈦鋅合金板。具有極佳的柔韌性，延展性、多樣性，極強(qiáng)的“自愈”功能，使用壽命可達(dá)100年之久。有原色、預(yù)鈍化板(藍(lán)灰色、青銅色)類型。

2 鋁合金板——常用鋁鎂錳合金板。強(qiáng)度高、重量輕、延展性和導(dǎo)電性好，具有抵抗多種酸性侵蝕的能力，連接方便(可鉚、焊)，材質(zhì)具有超過40年的使用壽命。種類分為非涂層產(chǎn)品(無規(guī)則錘紋和有規(guī)則壓花紋樣)和涂層產(chǎn)品(聚氯酯、聚酯、環(huán)氧樹酯、氟碳等涂裝鋁板和預(yù)輥涂鋁板)。

3 純鈦板——純鈦含量達(dá)99.97％。具有無可比擬的物理優(yōu)越性能：強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、密度小、耐酸堿，極高的強(qiáng)度重量比。有原鈦、發(fā)絲或錘紋處理、氧化膜發(fā)色類型。

4 銅板——采用無磷去氧還原銅。在所有金屬中銅的延性最好，其加工性能不受溫度的限制，低溫不變脆，具有良好的可焊性和防火不燃性，超凡的穩(wěn)定性和抗腐蝕性。有原銅(紫包)，預(yù)鈍化板(咖啡色，綠色)，鍍錫銅類型。

5 不銹鋼板——含鉻量不少于11％的鐵合金。具有良好的加工性能，超強(qiáng)的耐腐蝕性能。表面有金屬光澤質(zhì)感。

6 鍍鋁鋅鋼板——鍍鋁鋅鋼板的鋁鋅合金結(jié)構(gòu)是由55％鋁、43.4％鋅與1.6％硅在600℃高溫下固化而組成，其整個結(jié)構(gòu)由鋁鐵－硅－鋅，形成致密的四元結(jié)晶體，從而形成一層強(qiáng)有效防止腐蝕因子透穿的屏障。具有良好的耐腐蝕性、耐熱性、反射性和上漆性。

7 各類復(fù)合板——鈦鋅復(fù)合板、鈦銅復(fù)合板、銅鋁復(fù)合板等。在一層金屬板上覆以另外一種金屬板，以達(dá)到在不降低使用效果(防腐性能、機(jī)械強(qiáng)度等)的前提下節(jié)約資源、降低成本的效果。具有復(fù)合金屬的共同特性。

8 壓型鋼板——采用鍍鋅鋼板、冷軋鋼板、彩色鋼板等作原料經(jīng)輥壓、冷彎成形。具有輕質(zhì)高強(qiáng)、施工方便、抗震防火等優(yōu)點(diǎn)。

二、金屬屋面的主要優(yōu)點(diǎn)

1 優(yōu)越的防水性能：金屬內(nèi)部構(gòu)成的致密性使其具有天然良好的防水性能。

2 具有出眾的力學(xué)性能：金屬材料具有強(qiáng)度高、重量輕、承載力大的特點(diǎn)。

3 良好的防火性能：耐火等級高，不易燃燒。

4 經(jīng)久耐用：適用于多種環(huán)境，抗腐蝕性強(qiáng)，即使在嚴(yán)重污染的地區(qū)仍有很長的使用壽命。

5 維護(hù)性好：一般不需要維護(hù)，不需要著色。

6 美學(xué)效果：展現(xiàn)豐富多彩的建筑風(fēng)格，滿足設(shè)計(jì)師具有挑戰(zhàn)性的建筑外觀要求。

7 自潔性：屋面可完全依靠雨水自然清洗。

8 有利于環(huán)境保護(hù)：可再循環(huán)利用，具有很高的回收利用價值。

三 金屬屋面系統(tǒng)的分類

矮立邊咬合系統(tǒng)：使用咬合技術(shù)，將預(yù)制金屬板塊或板條通過板塊的折邊邊肋的咬合聯(lián)接起來，而掩藏在鎖邊內(nèi)部的金屬扣件則把面板和基層牢固地聯(lián)系在一起。咬合方式有立邊咬合、轉(zhuǎn)角咬合和扣蓋咬合。標(biāo)準(zhǔn)立邊高度25mm，適用于屋面坡度≥3°。

高立邊咬合系統(tǒng)：板塊與板塊通過直立鎖邊的咬合形成密合的連接，再采用其特有的鋁合金固定支座，將屋面板塊與支承結(jié)構(gòu)連接起來。板塊有標(biāo)準(zhǔn)板、梯形板、弧形板等。可根據(jù)工程需要現(xiàn)場生產(chǎn)無需縱向搭接的不間斷長板。整體結(jié)構(gòu)性防水、排水功能良好，無須化學(xué)嵌縫膠，免除污染與老化問題。立邊咬合系統(tǒng)廣泛運(yùn)用于坡屋面及弧形屋面(拱曲、凹曲、雙曲等)。三維彎弧特異造型為建筑師提供具有挑戰(zhàn)性的靈活設(shè)計(jì)空間。直起肋邊高達(dá)65mm，屋面坡度最小可達(dá)1.5°，在海澤陛臺風(fēng)、暴雨地區(qū)尤其適用。

平鎖扣系統(tǒng)：將板材加工成瓦片，瓦片的四邊折起(向前折的兩個上邊、向后折的兩個下邊)，形成板塊與板塊扣接，板塊通過金屬扣件固定在下層支承結(jié)構(gòu)上。有方形、矩形、菱形等瓦片形狀。平鎖扣系統(tǒng)具有古典建筑風(fēng)格，層次感強(qiáng)，視覺效果突出。適用于≥30°以上的坡屋面。

其它：明扣系統(tǒng)、暗扣系統(tǒng)、古典式扣蓋系統(tǒng)、整體平屋面系統(tǒng)、壓型板系統(tǒng)等等。

四、金屬屋面設(shè)計(jì)需考慮的一些問題

金屬屋面設(shè)計(jì)包括屋面板、支承結(jié)構(gòu)及其聯(lián)接構(gòu)造三部分。屋面作用荷載有永久荷載(屋面板、保溫隔熱層等自重)， 可變荷載(包括屋面均布活荷載、雪荷載、積灰荷載、風(fēng)荷載等)、偶然荷載(地震作用和其他意外事故產(chǎn)生的荷載)。對此需要根據(jù)屋面荷載情況及其不利組合按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性和撓度變形要求。設(shè)計(jì)計(jì)算可按現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和《輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(上海市)等進(jìn)行，在此不作詳述。下面闡述屋面設(shè)計(jì)時需要考慮的一些其它問題。

1 屋面防雷

防雷是建筑安全的一項(xiàng)基本要求，金屬板屋面容易遭受雷擊，所以在防雷方面則比普通屋面的建筑物有更高的要求。防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般包括六大要素：建筑物外部、內(nèi)部防雷裝置的接閃功能；引下線的分流效果；建筑物內(nèi)各部位的均衡電位；內(nèi)部各種設(shè)備的屏蔽保護(hù)作用；接地效果；內(nèi)部各種線路的合理分布。一般采用避雷針、避雷網(wǎng)、避雷帶三種措施。金屬屋面系統(tǒng)的避雷設(shè)計(jì)可利用金屬屋面板是良好的導(dǎo)體這一條件，形成金屬屋面板→支座→墊片→鋼檁條→屋面鋼結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通電路，與整個建筑的避雷網(wǎng)形成電氣聯(lián)通，從而達(dá)到防雷的目的。

2 保溫隔熱

保溫通常是指圍護(hù)結(jié)構(gòu)在冬季阻止由室內(nèi)向室外夏季由室外向室內(nèi)傳熱，隔熱通常是指圍護(hù)結(jié)構(gòu)在夏季隔離太陽輻射熱和室外高溫的影響，從而使室內(nèi)保持適當(dāng)溫度的能力。由于金屬的導(dǎo)熱性強(qiáng)，室內(nèi)溫度易受外部環(huán)境溫度變化的影響，因此，金屬板屋面通常需在屋面板與支承結(jié)構(gòu)之間鋪設(shè)保溫隔熱層以滿足屋面系統(tǒng)對保溫隔熱的要求。保溫隔熱層厚度需通過熱工計(jì)算確定。

3 隔音降噪

為了避免機(jī)場、市中心附近等區(qū)域噪音及雨滴沖擊屋面對室內(nèi)的影響，通常需要將聲音阻隔在室外，為了避免機(jī)房等噪音向室外傳遞也需要將聲音阻隔在室內(nèi)。因此對金屬屋面需要進(jìn)行隔音降噪設(shè)計(jì)。一般結(jié)合保溫隔熱采用高密度保溫層、多密度保溫層、高密度防潮板等來達(dá)到所需要的隔音效果。

4 吸音降噪

由于金屬可以反射幾乎全部聲能，聲波不斷地被反射而產(chǎn)生回聲和混響，給人以單調(diào)、不豐滿的感覺，影響聽覺效果，因此在會堂、影劇院、體育場館等采用金屬屋面的建筑中應(yīng)進(jìn)行吸音降噪設(shè)計(jì)。通常在壓形鋼板上鋪設(shè)吸音棉并在壓形鋼板上開孔，利用微孔吸音的原理吸收聲波，從而滿足屋面系統(tǒng)的吸音降噪功能。

5 防潮和防冷凝結(jié)露

由于鋼板的熱傳導(dǎo)系數(shù)很高，當(dāng)室內(nèi)外溫差較大而室內(nèi)水蒸氣飽和度較高時，室內(nèi)的熱空氣上升到鋼板屋面遇冷產(chǎn)生凝結(jié)，形成滴水現(xiàn)象。如果保溫材料受潮，其導(dǎo)熱性能將明顯增加，而保溫性能則大為降低。因此在金屬屋面中一般需要設(shè)防潮膜以限制建筑物內(nèi)部的水氣進(jìn)入屋頂，避免保溫材料受潮和冷凝現(xiàn)象的出現(xiàn)。防潮膜應(yīng)置于建筑物的暖面，并保持表面搭接的連續(xù)性，所有搭接、開洞處和四周必須全面密封，并使屋面系統(tǒng)能夠呼吸，以除去屋頂內(nèi)部的濕氣。

6 負(fù)風(fēng)壓作用

在空氣流體作用下，建筑物背風(fēng)面或者某些復(fù)雜體型建筑的屋面上會產(chǎn)生負(fù)壓強(qiáng)因而受到吸力的作用。在屋面設(shè)計(jì)時負(fù)風(fēng)壓容易被忽視，而有時往往卻起控制作用。因此在設(shè)計(jì)時要注意負(fù)風(fēng)壓作用下屋面板、檁條及其聯(lián)接的驗(yàn)算，避免強(qiáng)度、穩(wěn)定性等不足，或者固定不牢固而可能發(fā)生聯(lián)接脫落。

7 屋面板固定點(diǎn)

為了控制熱伸縮方向和避免板材向下滑移，應(yīng)注意屋面板固定點(diǎn)的設(shè)置。固定點(diǎn)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)需要設(shè)置，通常安裝在屋脊位置，這樣允許在屋檐處發(fā)生熱伸縮。

8 擋雪桿

避免屋面積雪滑落沖擊天溝、檐口等部件以及對路面行人、物品的威脅，通常需在屋面上設(shè)置擋雪桿。

9 屋面板咬合搭接方向

屋面板咬合搭接方向要順應(yīng)建筑物所在區(qū)域的長年主導(dǎo)風(fēng)向。

建筑物所處環(huán)境不同則其所遇到的問題也不同，以上問題應(yīng)根據(jù)所設(shè)計(jì)建筑物的具體情況分析考慮。