淺談廠房屋頂采光的優(yōu)化技術(shù)

上海電力建筑工程公司 上海 200437

1 工程概況

上海崇明燃?xì)怆姀S地處崇明島中部南側(cè)的長江岸側(cè)，工程建設(shè)2 臺(tái)424.2 MW燃?xì)?蒸汽單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組。每臺(tái)機(jī)組主廠房縱向長53.3 m，橫向總寬度為51 m，高度21.5 m。主廠房外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用來實(shí)檁條彩板系統(tǒng)，其中汽機(jī)房屋面為雙層帶保溫棉壓型彩板，底層彩板為厚0.40 mm的來實(shí)TD—MAXIMA板，上層彩板為厚0.53 mm的來實(shí)KL700暗扣板，內(nèi)外層彩板之間填充厚50 mm玻璃纖維保溫棉；屋面走道板為厚0.53 mm的來實(shí)KL700暗扣板（反扣鋪設(shè)）。汽機(jī)房屋面上設(shè)置了7 條雙層厚1.5 mm的700 mm×28 615 mm FRP（玻璃纖維強(qiáng)化樹脂）采光板帶。具體布置如圖1所示。

圖1 主廠房屋頂采光帶布置示意

主廠房從功能布置上分為電氣開關(guān)及熱控電子設(shè)備區(qū)域、輔助設(shè)備區(qū)域、主機(jī)設(shè)備區(qū)域及檢修場(chǎng)地區(qū)域，每個(gè)區(qū)域布置有大量的設(shè)備。據(jù)上海地區(qū)同類型工程建設(shè)情況，通過門窗進(jìn)入室內(nèi)的天然光線不能滿足施工安裝階段室內(nèi)采光的要求，還需配備許多臨時(shí)照明，同時(shí)采用側(cè)窗采光也對(duì)主廠房斷水施工進(jìn)度質(zhì)量帶來難度，而采用屋頂采光的方式則能合理地解決這些難題。

2 屋頂采光的特點(diǎn)[1,2]

根據(jù)《火力發(fā)電廠建筑設(shè)計(jì)規(guī)程》（DL/T 5094—2012）關(guān)于“采光”部分的條文說明“采光方式以側(cè)窗為主，必要時(shí)可采用側(cè)窗采光和頂部采光相結(jié)合的方式。側(cè)窗設(shè)計(jì)除考慮建筑節(jié)能和便于清潔外，臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)還應(yīng)兼顧其安全性”“主廠房固定端、擴(kuò)建端墻上宜設(shè)置一定面積的采光窗，以滿足端部檢修場(chǎng)地的采光要求”。按此要求，通常火電廠在擴(kuò)建端及A排上設(shè)置一定數(shù)量的采光排窗來滿足廠房內(nèi)的采光要求。而采用排窗后必然增加主廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工工序，對(duì)確保主廠房斷水進(jìn)度增加難度；同時(shí)采用排窗也產(chǎn)生了窗洞口密封處理的難度，可能造成排窗漏水隱患，對(duì)移交生產(chǎn)前的保管維護(hù)提出了較高的要求；再有，主廠房斷水后的室內(nèi)施工無法利用天然采光，往往要依賴許多臨時(shí)施工照明，增加了施工成本。

而采用主廠房屋頂采光板帶，既去除了側(cè)面排窗的施工工序，杜絕了窗洞口漏水的質(zhì)量通病，又減少了施工成本投入，更是提高了主廠房天然采光率，達(dá)到盡量減少室內(nèi)照明光源的目的，也使能耗符合節(jié)能減排新的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)還為主廠房立面處理提供了有利條件，使主廠房立面簡潔大方、色彩明快，充分反映現(xiàn)代化工業(yè)建筑的風(fēng)格，成為全廠建筑的主體。

3 屋頂采光的設(shè)計(jì)與安裝[3,4]

3.1 采光板材料

作為主廠房屋面，一方面除了要承受自身的荷載外，另一方面還要承受風(fēng)荷載、檢修荷載等偶然性活荷載。本工程每臺(tái)機(jī)組屋面上設(shè)置有12 臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，7 臺(tái)排氫風(fēng)機(jī)等，今后這些設(shè)備都將在屋面上進(jìn)行就地檢修，這對(duì)屋面系統(tǒng)的強(qiáng)度提出了一定的要求。

本工程主廠房屋頂采光板帶采用ALSYNITE G20型FRP采光板，采光板由厚20 μm表面保護(hù)上膜、特殊優(yōu)化樹脂中層及強(qiáng)化玻璃纖維下層組成，其保護(hù)上膜作為全天候表面，是由杜邦公司開發(fā)的Melinex A15改進(jìn)型U.V表面保護(hù)涂層，具有長期耐風(fēng)雨侵蝕的特性，具有20 年質(zhì)量保證年限。根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明：FRP采光板抗彎強(qiáng)度為177 MPa，抗剪強(qiáng)度為90 MPa，耐壓強(qiáng)度為135 MPa，沖擊韌性約為140 kJ/m2，撞擊強(qiáng)度是普通玻璃的250～300 倍，是同等厚度亞克力板的30 倍，鋼化玻璃的2～20 倍，用3 kg錘從2 m高處墜下?lián)舸蛞矡o裂痕。其抗拉強(qiáng)度為94 MPa，采光板抗拉強(qiáng)度的大小決定采光板抗風(fēng)壓的大小，本工程主廠房屋面檁條間距在855～1 215 mm之間，以厚1.5 mm的G20FRP采光板計(jì)算，其抗風(fēng)壓強(qiáng)度可以達(dá)到1 kPa。

3.2 采光板帶節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

由于主廠房圍護(hù)及屋頂均采用彩鋼板結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行彩鋼板的深化設(shè)計(jì)，將FRP采光板引入主廠房屋面系統(tǒng)，面臨采光板帶與屋面彩板的搭接以及與屋面鋼結(jié)構(gòu)的連接問題。

在屋面彩板深化設(shè)計(jì)時(shí)，通過對(duì)比選用的FRP板與屋面彩鋼板板型基本一致，這樣采光板帶可采用與彩鋼板相同的安裝方法，采光板與彩鋼板搭接一個(gè)波峰采用自攻螺釘固定，安裝便捷，施工人員易于掌握（圖2）。

圖2 壓型采鋼板及采光板的搭接節(jié)點(diǎn)示意

3.3 采光板帶的安裝

本工程的采光板采用螺釘安裝法，采光板兩側(cè)的波峰搭接在兩邊彩鋼板的波峰上，采光板順坡自下而上搭接安裝，搭接位于檁條處，屋面搭接長度一般不小于300 mm。采光板的固定螺釘比同類型彩鋼板的固定螺釘長10 mm，并帶有專用的EPDM墊圈。彩鋼板的長邊及短邊方向在搭接前應(yīng)設(shè)置止水膠條（圖3）。

室外安裝時(shí)，螺釘固定前應(yīng)另用電鉆預(yù)鉆孔，孔徑大于固定螺釘，以容許采光板溫度脹縮的預(yù)留量。當(dāng)板長小于8 m時(shí)，板孔直徑比螺釘直徑大3 mm；當(dāng)板長大于8 m時(shí)，板孔直徑比螺釘直徑大5 mm。

圖3 采光板固定示意

4 其他因素分析

目前國內(nèi)火電廠主廠房作為重要建筑物通常不采用屋頂采光帶的方式，主要是從采光板材料的變形、老化滲漏及實(shí)用性因素考慮，在本工程中對(duì)這些影響因素進(jìn)行了進(jìn)一步分析。

4.1 采光板龜裂、滲水

在常規(guī)采光板的應(yīng)用中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在螺釘固定處的采光板發(fā)生龜裂情況從而造成滲水，主要原因是采光板受溫度變形影響造成螺釘固定處剪裂。進(jìn)一步分析FPR采光板在拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度均遠(yuǎn)低于鋼材，而線膨脹系數(shù)是鋼材的2 倍，從而導(dǎo)致FPR采光板的固定方面有著特殊要求。另外采光板固定均為透式固定，存在著固定螺釘處的防水處理問題，還要保證固定點(diǎn)處的螺釘與采光板有足夠的空間，以保證采光板在溫度變化下自由膨脹。

首先安裝時(shí)必須規(guī)范安裝程序，遵循預(yù)先打孔的方式，使采光板螺釘固定處留有膨脹余量，保證采光板熱脹冷縮時(shí)不被固定螺釘頂裂；其次采用專用的EPDM墊圈，該墊圈具有優(yōu)異的防水性能，并使之安全有效地固定采光板，同時(shí)應(yīng)注意打設(shè)螺釘時(shí)不可過緊以免引發(fā)應(yīng)力集中。

4.2 采光板的老化

作為屋面的采光板，因其要全天候暴露在不同的天氣環(huán)境中，要適應(yīng)每天、每季及非正常天氣等氣候環(huán)境條件的變化，復(fù)合材料采光板必須具有較好的抗老化能力，否則影響其使用壽命，并帶來安全、維護(hù)費(fèi)用等問題。

本工程所采用的FRP采光板所使用的樹脂成分為間苯二甲酸聚脂，其在原材料出廠前具有0.15%～0.18%的UV含量，在生產(chǎn)采光板的過程中，在樹脂中又添加了0.2%的UV含量，使其樹脂原料中的UV含量達(dá)到0.35%～0.38%，乳白色G20優(yōu)質(zhì)型采光板的抗紫外線率為100%，可大大加強(qiáng)樹脂的抗老化及抗風(fēng)化性能。

4.3 采光板的腐蝕

工業(yè)發(fā)展的副作用之一是給環(huán)境帶來了不同程度的污染，本工程處于生態(tài)島上，受工業(yè)污染的程度盡管相對(duì)工業(yè)集中區(qū)域小，但工程南側(cè)石洞口電廠的煙氣排放污染物成為對(duì)本工程主要的污染源之一，采光板要全天候接受煙氣等污染物的侵蝕。

FRP為熱固性材料，天然較金屬材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性，加上表面覆蓋一層抗化學(xué)性的薄膜與高品質(zhì)的樹脂，薄膜與高品質(zhì)的樹脂成中性（pH=7）、抗靜電，可以防止空氣、酸雨中的酸堿成分腐蝕采光板使之脆化，通過試驗(yàn)，10%的鹽酸或者10%的氨水對(duì)其僅有輕微的影響，40%的鹽酸才能對(duì)其侵蝕。

4.4 采光持久性

本工程選用的FRP采光板，其20 μ m左右的上膜可保證采光板中的樹脂成分不受陽光的照射而發(fā)黃，保證了15 年的持久采光率，并且通過了澳大利亞NATA室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，其30年使用年限內(nèi)透光率損失僅為5%。

4.5 采光充足性

G20型乳白色FRP采光板透光率約為60%，約為普通玻璃透光率的75%。在主廠房屋面上設(shè)置7 條700 mm×28 650 mm采光帶，使主廠房（單臺(tái)機(jī)組）采光面積達(dá)140 m2，約為同類型電廠采光面積的3 倍，采光率約為同類型電廠的2.2 倍。

5 結(jié)語

主廠房采用的屋頂采光方式對(duì)施工進(jìn)度及施工質(zhì)量控制有利，崇明工程在2 個(gè)月的時(shí)間內(nèi)完成結(jié)構(gòu)施工，實(shí)現(xiàn)主廠房斷水的目標(biāo)，彩板圍護(hù)的施工進(jìn)度是重點(diǎn)，而采用屋頂采光方式后，為施工提供便利，縮短了施工工序，為彩板圍護(hù)施工節(jié)約了寶貴時(shí)間。

從施工成本上分析，采用屋頂采光大大減小了施工臨時(shí)照明的投入，也避免了采用側(cè)窗采光的維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)。

從節(jié)能方面分析，主廠房內(nèi)晝間基本無需燈光照明。目前每臺(tái)機(jī)組主廠房照明總功率為9 375 W，每小時(shí)用電量為9.375 kW·h，2 臺(tái)機(jī)組每天（白天若按8 h開啟一半照明計(jì)）節(jié)約電能9.375×2×8/2=75 kW·h。

從業(yè)主投資角度分析，業(yè)主節(jié)約了側(cè)窗采光的投入及日常側(cè)窗維護(hù)的費(fèi)用，并節(jié)約了日后的照明電費(fèi)。