VC柔性輕鋼屋面系統(tǒng)在廣東科學(xué)中心的設(shè)計及實踐應(yīng)用

【摘要】PVC輕鋼柔性屋面系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用，在歐美地區(qū)已經(jīng)有超過五十年使用的成熟歷史；尤其是大型公項目、廠房、倉儲、物流等屋面的大量應(yīng)用；但在中國起步較晚，只有十幾年使用的成熟歷史。

【關(guān)鍵詞】PVC輕鋼柔性屋面系統(tǒng)；單層防水系統(tǒng)；屋面風(fēng)荷載動態(tài)實驗；滲漏；熱風(fēng)焊接

1、工程概況

廣東科學(xué)中心位于廣州市大學(xué)城（番禺區(qū)小谷圍島西端），占地面積45萬平方米，建筑面積14萬平方米。整體建筑造型獨特，氣勢恢宏，正面像一只靈動的“科學(xué)發(fā)現(xiàn)之眼”，側(cè)面像一支整裝待發(fā)的“艦隊”，俯瞰酷似一朵盛開的“木棉花”，是我國“綠色建筑”代表工程，廣州市的標(biāo)志性建筑。

廣東科學(xué)中心復(fù)雜多變的建筑特點及布置不規(guī)則的結(jié)構(gòu)平立面形式，將廣東科學(xué)中心平面分為7個區(qū)，并在結(jié)構(gòu)上采用了巨型鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、PVC單層輕鋼結(jié)構(gòu)屋面防水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)形式。

廣東科學(xué)中心的屋面C區(qū)、D區(qū)、E區(qū)、F區(qū)、G區(qū)工程的特點：

（1）采用了大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)，船頭部位懸挑長度超過以往鋼結(jié)構(gòu)工程實例，屋面變形大，面積大，總面積約26000平方米，增加了屋面滲漏風(fēng)險；

（2）屋面由五個葉子形狀的部分組成，外形獨特新穎，但同時增加了施工的難度；

（3）工程跨度大，屋面變形縫及其他細(xì)部節(jié)點（內(nèi)天溝、排汽井、風(fēng)井）較多，滲漏概率大；

（4）屋面高度高：30米。鑒于傳統(tǒng)輕鋼屋面系統(tǒng)（明扣、暗扣、絞邊）的防水效果很難達(dá)到理想效果。

經(jīng)過多方論證，從屋面防水效果、屋面保溫隔熱綠色環(huán)保節(jié)能的方面考慮，最終采用西卡滲耐PVC柔性輕鋼屋面系統(tǒng)。

2、PVC柔性輕鋼屋面系統(tǒng)的特點

本系統(tǒng)指以PVC柔性防水卷材、保溫隔熱板、隔汽層及附屬配件組成的一套防水保溫為一體的屋面單層防水系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于鋼結(jié)構(gòu)屋面、砼屋面等，具有其他屋頂無法比擬的優(yōu)越性：自重極輕、防水和保溫密閉性好、極易維修、色彩豐富美觀、可以做各類曲面造型屋頂。

其構(gòu)造簡單清晰，共分四層，由上而下：

1.5mm厚聚酯纖維內(nèi)增強(qiáng)PVC防水層

40mm厚XPS保溫隔熱層

0.3mm厚PE膜隔汽層

0.8mm厚YX35-125-750鍍鋅彩色壓型鋼板結(jié)構(gòu)層

各層次分別承擔(dān)整個屋面的各個功能；其中，壓型鋼板放置在檁條上，起到結(jié)構(gòu)承載的作用，隔汽層同時具有降低屋面內(nèi)外的壓力差和降低屋面發(fā)生冷凝現(xiàn)象的作用；保溫層直接鋪設(shè)在鋼板上，形成一道連續(xù)的平均保溫隔熱層，整體屋面保溫隔熱中間沒有斷隔，對屋面起到有效的降低屋面冷凝及冷橋效果；而防水層則是整個屋面系統(tǒng)免受雨水的影響，各層次通過螺釘、墊片進(jìn)行機(jī)械固定，形成一道嚴(yán)密的防水抗風(fēng)保護(hù)層。

施工便捷，細(xì)部處理簡單可靠，尤其對內(nèi)天溝、排水口、風(fēng)機(jī)口、女兒墻等部位的處理，可以有效保證施工質(zhì)量，從根本上避免了傳統(tǒng)屋面的風(fēng)險。

防水效果好，便于檢修、保養(yǎng)、維修成本低、可以任意變形。由于防水層的作用，使得整個屋面沒有了滲漏的隱患，對由于人為的原因造成的破壞，可以隨時進(jìn)行維修；屋面表面沒有固定用金屬構(gòu)件（全部被防水層覆蓋），因而避免了由于金屬構(gòu)件的腐蝕而造成的滲漏隱患。

消除噪音。由于采用柔性防水層作為屋面系統(tǒng)的最外層，大大緩沖了雨水本身的沖力，采用高容重巖棉，增強(qiáng)了隔音性能，平均隔音量Rw大于40（dB）分貝。吸音系數(shù)NRC達(dá)到1.03；同時由于防水層與保溫層緊密結(jié)合，消除了共鳴音的產(chǎn)生原因，從而即使室外大雨傾盆，室內(nèi)依然保持安靜。

3、柔性輕鋼屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)計

3.1風(fēng)荷載的設(shè)計

廣東科學(xué)中心屋面結(jié)構(gòu)形式獨特，現(xiàn)行規(guī)范無可供參考的體型系數(shù)，風(fēng)振計算也無直接引用的方法。通過風(fēng)洞模擬試驗，得出了該屋面各區(qū)域的風(fēng)壓分布和最高最低風(fēng)壓峰值等參數(shù)，為確定風(fēng)振系數(shù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了依據(jù)。

PVC柔性輕鋼屋面系統(tǒng)的設(shè)計主要是考慮風(fēng)荷載的破壞作用，由于防水層、保溫隔熱層和隔汽層是通過螺釘固定在鋼板上，其設(shè)計原理是螺釘固定在鋼板上的極限破壞力必須大于風(fēng)對螺釘?shù)钠茐牧Α?/p>

螺釘固定在鋼板上的極限破壞力大小起決于螺釘抗拉力及螺釘固定在鋼板上的咬合力，通過做拉拔破壞實驗可求出其值。實驗證明鋼板厚度越厚，其極限破壞力就越大，但同時會造成屋面靜荷載加大，增加建筑成本；通過模擬屋面風(fēng)荷載動態(tài)實驗計算分析，對鋼板厚度取值為0.8mm是性價比很高的選擇。

風(fēng)對螺釘?shù)钠茐牧Φ挠嬎憧紤]因素主要有：

a.屋面各個部分所受風(fēng)壓是不一樣的，屋面的最外角最大，其次是周邊，屋面的中間部分相對最弱。

b.風(fēng)壓對每個螺釘?shù)钠茐牧ζ饹Q于螺釘?shù)奈恢眉捌涔潭ǖ奈菝婷娣eS。

風(fēng)對螺釘?shù)钠茐牧=風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值ωK×S

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值ωK可按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009》計算。

通過屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭驗證試驗，求得每個螺釘?shù)脑O(shè)計荷載取值為0.8KN.

屋面的加密范圍為6米，加密區(qū)的螺釘株距為0.125米，行距為0.94米；

非加密區(qū)的螺釘株距為0.25米，行距為1.88米。

取最大破壞值驗算如下：

粗糙度：B。

基本風(fēng)壓ω0：由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）可查出ω0=0.50KN/M2

屋面柔性系統(tǒng)標(biāo)高：30米，風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz=1.39，振風(fēng)系數(shù)βgz=1.59，風(fēng)載體型系數(shù)μs= -2.2，活載系數(shù)γQ=1.4

熟悉屋面結(jié)構(gòu)圖，確定所需用的防水卷材、墊片、固定件長度、固定件設(shè)計負(fù)荷值。屋面區(qū)域采用PVC卷材、墊片、65mm長固定螺釘，取W=Wadm=0.6KN

抗風(fēng)設(shè)計為：固定件全部按加密區(qū)固定，行距：0.94米，株距：0.125米.

取最不利點作為驗算如下：

屋面最不利點風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

ω=γQβgzμsμzω0

=1.4×1.59×（-2.2）×1.39×0.5=-3.403KN/m2

熟悉屋面結(jié)構(gòu)圖，確定所需用的防水卷材、墊片、固定件長度、固定件設(shè)計負(fù)荷值。屋面區(qū)域采用PVC卷材、墊片、65mm長固定螺釘，取W=Wadm=0.6KN

由公式N=L×ω/W確定每米固定件數(shù)量，其中L為固定件排距。由公式S=1/N確定固定件間距；

抗風(fēng)設(shè)計為：固定件全部按加密區(qū)固定，行距：0.88米，株距：0.125米.

抗風(fēng)能力驗算為：

0.8KN/0.88m/0.125m=7.273KN/m2>3.675KN/m2

所以，該屋面區(qū)域的螺釘加密分布滿足抗風(fēng)要求。

3.2鋼板波型的選用

由于鋼板上面鋪設(shè)保溫隔熱層，所以波峰寬度越大，開口凈距越小，其保溫隔熱層的整體受力效果越好；由于螺釘固定鋼板波峰上，螺釘?shù)拈g距是峰-峰間距的倍數(shù)，波峰距離越小，螺釘?shù)拈g距就越密，每個螺釘固定的屋面面積S就越小。

鋼板最小厚度滿足0.8mm，其中波峰高度min.40，波峰寬度min.50；峰-峰間距20～25cm；開口寬度≯15cm。

最終選用0.8mm厚YX35-125-750型壓型鋼板

3.3防水層的選用

由于PVC防水層直接暴露在外面，常年累月受到日曬、風(fēng)吹、雨淋、腐蝕等自然因素的破壞，故對其質(zhì)量有著很高的技術(shù)要求。

a.采用耐老化性能好，壽命長的防水卷材。其使用壽命應(yīng)大于建筑屋的使用壽命，通過國家檢測中心檢測熱老化處理實驗和3500小時以上人工侯化實驗。

b.采用聚酯纖維內(nèi)增強(qiáng)型PVC具有拉伸強(qiáng)度高（≥250N/cm），斷裂伸長率（≥15%），熱處理尺寸變化率（≤0.5%）的特點，以保證PVC卷材的優(yōu)越的受力性能。

c.防水層的面層顏色宜采用淺色，如白色、銀灰色等，這種淺色表面反射了很大一部分太陽能，保證對熱量的吸收最低。但微生物在有水分、灰塵和其它污染物存在和合適溫度的情況下生長在卷材的表面，會造成反射率的下降，所以卷材要求具有抗紫外線、耐酸堿和具有自潔功能。

d.熱風(fēng)焊接技術(shù)是PVC防水卷材用于屋面系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，使無接縫屋面結(jié)構(gòu)變成現(xiàn)實，接縫具有永久性，保證使用壽命要求，同時具有鋼板結(jié)構(gòu)無法比擬的防滲漏特性。

3.4保溫隔熱層的選用

選擇保溫層材料的基本要求/功能是：一是要有低的滿足設(shè)計要求的導(dǎo)熱系數(shù)，二是材料本身須耐霉化。

屋面系統(tǒng)采用機(jī)械固定法施工時，保溫層需滿足如下要求：

a.抗壓強(qiáng)度：壓縮比根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN 826/12430，保溫層變形達(dá)到10%時，抗壓強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到60Kpa；或點荷載在保溫層變形5mm時達(dá)到500N。

b.良好的尺寸穩(wěn)定性：由于長期溫差應(yīng)力作用，材料產(chǎn)生收縮或膨脹變形，甚至老化，引起屋面防水或保溫結(jié)構(gòu)的破壞。

擠塑聚苯板（XPS）作為（下轉(zhuǎn)71頁）（上接69頁）保溫層，其要求是：最小容重25～30kg/m3；厚度40～80mm。其特點是尺寸穩(wěn)定性好，不易變形，表面平整度高，抗壓強(qiáng)度大于150KN/M2；導(dǎo)熱系數(shù)低，可達(dá)0.028W/mK；與PVC不相容，應(yīng)加隔離層；不耐有機(jī)物；重量輕，易安裝；耐潮，不吸水，適應(yīng)于陰雨天氣；防火指標(biāo)可達(dá)B1級。

3.5隔汽層的設(shè)計

隔汽層的作用主要有兩點：

a.當(dāng)屋面有保溫層時，降低屋面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生冷凝的風(fēng)險。

b.在保證不透氣的情況下，可以抵御建筑物內(nèi)部空氣壓力，降低總風(fēng)載。

本設(shè)計選用PE膜作為隔汽層，PE膜的適宜厚度為0.3mm，其特點是性能致密，具有良好的隔汽性能；質(zhì)量輕，施工簡便。

結(jié)語：

實踐證明，該工程經(jīng)過九年的日曬雨淋，其間屋面系統(tǒng)還多次遭遇了50年一遇強(qiáng)度暴風(fēng)雨的考驗，經(jīng)過材料老化性能測試， PVC防水卷材的各項性能仍然保持在98%以上.PVC特有的優(yōu)越可焊性及耐老化性能使PVC防水卷材破壞處經(jīng)過重新熱風(fēng)焊接修補(bǔ)，仍能達(dá)到令人滿意的防水效果。