“天衣無縫”的技藝設(shè)計(jì)
——青島膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓連續(xù)焊接不銹鋼屋面應(yīng)用分析

董彪 羅建成 魏峻峰 李宏 DONG Biao，LUO Jiancheng，WEI Junfeng，LI Hong

1中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司

2北京啟廈建筑科技有限公司

連續(xù)焊接不銹鋼屋面系統(tǒng)是新一代金屬屋面體系，是真正意義上的防水屋面構(gòu)造體系。該系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：1）屋面所有接縫均采用焊接形式，實(shí)現(xiàn)屋面整體結(jié)構(gòu)式密封，解決了金屬屋面容易漏水的頑疾；2）采用焊接方式連接屋面板與連接件，不同于金屬屋面常采用的咬合連接方式，避免了屋面板與連接件鎖扣不牢的現(xiàn)象，極大地提高了屋面的抗風(fēng)揭能力，有效地保證了金屬屋面的結(jié)構(gòu)安全性；3）由于不銹鋼具有優(yōu)良的抗腐蝕性能，對(duì)沿海高鹽高濕環(huán)境有極強(qiáng)的適應(yīng)性，故系統(tǒng)使用年限遠(yuǎn)超鋁合金和鍍鋁鋅鋼板屋面，維護(hù)成本低，綜合性價(jià)比高。

青島地區(qū)風(fēng)壓高、腐蝕嚴(yán)重、雨水強(qiáng)。青島膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓的建設(shè)方及設(shè)計(jì)方經(jīng)慎重研判，結(jié)合實(shí)際考察，最終決定采用連續(xù)焊接不銹鋼屋面系統(tǒng)，以消除滲漏及風(fēng)揭的隱患。航站樓包括1個(gè)大廳及5個(gè)指廊，金屬屋面面積約為22萬m2，建成后將成為世界上最大的連續(xù)焊接不銹鋼屋面單體建筑（圖1）。

1 在建中的青島膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)

1 屋面系統(tǒng)的決策

20多年來，國(guó)內(nèi)大型場(chǎng)館類公共建筑應(yīng)用最多的金屬屋面系統(tǒng)為直立鎖邊鋁合金屋面系統(tǒng)。但在該金屬屋面的使用過程中，風(fēng)揭、漏水、腐蝕等有害現(xiàn)象頻發(fā)，經(jīng)濟(jì)損失巨大，社會(huì)影響惡劣，金屬屋面的可靠性一度受到質(zhì)疑。但金屬屋面重量輕、施工便捷、建筑適應(yīng)性強(qiáng)、外觀效果好、綜合性價(jià)比高，是大型場(chǎng)館建設(shè)不可或缺的屋面構(gòu)造形式。

在保持現(xiàn)有的鋁合金直立鎖邊系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的前提下，是查缺補(bǔ)漏、完善設(shè)計(jì)與工藝，還是徹底從金屬屋面系統(tǒng)的構(gòu)造、材料使用上進(jìn)行全新的變革？需要多方面的研究、探索與決策。

1.1 防滲漏的研究

滲漏的三要素為：有水、有水的通道（縫隙、孔、洞）、有水通過通道的動(dòng)力，徹底解決漏水就需要從這三要素考慮?！坝兴钡囊乇厝淮嬖冢荒軓摹八耐ǖ馈焙汀八ㄟ^通道的動(dòng)力”兩個(gè)方面想辦法。

直立鎖邊屋面系統(tǒng)的防水原理是減弱和消除水通過通道的動(dòng)力。不僅直立鎖邊系統(tǒng)如此，幾乎絕大多數(shù)壓型金屬屋面系統(tǒng)均是通過這個(gè)原理進(jìn)行防水（圖2，3）。但是設(shè)計(jì)、材料、施工、管理等的不完善，導(dǎo)致實(shí)際情況無法達(dá)到理論上的理想狀態(tài)，很多漏水工程案例也證明了此措施在一定程度上的不完善。如果有一種金屬屋面系統(tǒng)采用“無縫阻水式”設(shè)計(jì)，完全封閉水的通道，真正實(shí)現(xiàn)“天衣無縫”的效果，那將是最直接、最完美的防滲漏方式。

1.2 抗風(fēng)揭的研究

青島膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓呈五星形狀，體形復(fù)雜，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：圍護(hù)結(jié)構(gòu)最不利負(fù)風(fēng)壓值為-6.10kPa，出現(xiàn)在屋面部位，所以本工程屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭性能的設(shè)計(jì)尤為重要。

傳統(tǒng)無螺釘外露的金屬屋面系統(tǒng)常常通過“卡”“扣”“卷”等“拼接式”將屋面板與支座進(jìn)行連接。此類構(gòu)造由于系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，其破壞的形式往往為“拼接式”連接方式失效（圖4，5）。雖然屋面板或支座本身的強(qiáng)度較高，但在其強(qiáng)度還未充分發(fā)揮作用的時(shí)候，連接部位已經(jīng)失效破壞，導(dǎo)致強(qiáng)度利用率很低。

如果有一種系統(tǒng)能將其連接可靠度提高至與構(gòu)件強(qiáng)度基本一致，那么其抗風(fēng)性能也將會(huì)有很大提升。

2 直立鎖邊屋面系統(tǒng)連接

3 卷邊屋面系統(tǒng)連接

4 直立鎖邊屋面板的變形

5 直立鎖邊屋面板的失效

1.3 防腐蝕的探索

青島屬于沿海地區(qū)，外圍護(hù)材料的防腐蝕也是重點(diǎn)考慮的因素。金屬屋面常用的面材包括鍍鋅板、鍍鋁鋅鋼板、鋁合金板、鈦鋅板、銅板、鈦板等。鍍鋅板作為早期的圍護(hù)材料，抗腐蝕性能較差，在公共建筑外圍護(hù)中已經(jīng)應(yīng)用較少了；優(yōu)質(zhì)鍍鋁鋅鋼板的抗腐蝕性能優(yōu)于鍍鋅板，但在沿海地區(qū)重要建筑上長(zhǎng)期使用效果還令人心存疑惑；鋁合金板的防腐性能較佳，直立鎖邊系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，但其在屋面的使用方式單一，一直飽受風(fēng)揭和滲漏的詬病；鈦鋅板、銅板、鈦板雖然在屋面上都有應(yīng)用，但由于其價(jià)格高昂、系統(tǒng)單一，在大型公共建筑上使用還未被普遍接受。

找到一個(gè)集良好的耐久性、強(qiáng)度、加工性能、經(jīng)濟(jì)性能等于一體的屋面材料就成了一個(gè)課題，而不銹鋼材料恰恰具備以上優(yōu)點(diǎn)。

1.4 系統(tǒng)確定

針對(duì)影響金屬屋面使用的三個(gè)問題——滲漏、風(fēng)揭和腐蝕，我們發(fā)現(xiàn)有一個(gè)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，并在歐洲和日本有著良好應(yīng)用的屋面系統(tǒng)——連續(xù)焊接不銹鋼屋面系統(tǒng)。

該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：1）通過連續(xù)焊接的方式實(shí)現(xiàn)屋面板之間的無縫連接，消除水的通道，從本質(zhì)上解決了滲漏的問題；2）通過焊接的方式將屋面板與支座焊接為一體，簡(jiǎn)化支座形式，使支座易于密集排布，連接強(qiáng)度大幅度提高，解決了抗風(fēng)揭的問題；3）不銹鋼具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，服役壽命長(zhǎng)，后期維護(hù)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)建筑可持續(xù)性發(fā)展。綜合以上優(yōu)點(diǎn)，通過長(zhǎng)時(shí)間的研究和考察，最后確定在項(xiàng)目屋面上采用連續(xù)焊接不銹鋼屋面系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)分析

項(xiàng)目的連續(xù)焊接不銹鋼屋面系統(tǒng)構(gòu)造層次如圖6所示，其中不銹鋼屋面板、隔聲泡棉、自粘防水卷材、鍍鋁鋅平鋼板、鍍鋁鋅壓型鋼板的構(gòu)造為項(xiàng)目連續(xù)焊接不銹鋼屋面系統(tǒng)的特有構(gòu)造層次，其余功能層與其他金屬屋面系統(tǒng)類似。

2.1 屋面板材料選型

項(xiàng)目的屋面系統(tǒng)面材為不銹鋼，牌號(hào)為019Cr23Mo2Ti（445J2），屬于超純鐵素體不銹鋼，厚度為0.5mm，加工過程中將板面橫向微壓紋處理。

2.1.1 材料特性

445J2鐵素體不銹鋼不同于常用的奧氏體不銹鋼316L，沒有了鎳元素，增加了鉻元素和鉬元素，添加了鈮鈦等穩(wěn)定化學(xué)元素。這些化學(xué)成分的變化，帶來了如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）防腐蝕性能提高。不銹鋼點(diǎn)蝕指數(shù)鐵素體445J2優(yōu)于奧氏體316L。不銹鋼在焊接后，焊縫位置的點(diǎn)蝕指數(shù)一般會(huì)有下降。試驗(yàn)表明，鐵素體不銹鋼445J2的焊縫的點(diǎn)蝕指數(shù)和點(diǎn)蝕電位都有微小下降，但依然遠(yuǎn)優(yōu)于奧氏體不銹鋼316L的母材。耐鹽霧腐蝕性能鐵素體不銹鋼445J2也優(yōu)于奧氏體不銹鋼316L，更適合沿海地區(qū)使用。

（2）強(qiáng)度指標(biāo)高，線膨脹系數(shù)低，接近鋼材。鐵素體不銹鋼445J2的屈服強(qiáng)度優(yōu)于奧氏體不銹鋼，略高于碳素結(jié)構(gòu)鋼，熱膨脹系數(shù)也遠(yuǎn)小于奧氏體不銹鋼，與鋼材接近。

（3）價(jià)格相對(duì)低廉。

2.1.2 材料厚度

金屬屋面的面材一般都是選用薄板來實(shí)現(xiàn)，連續(xù)焊接不銹鋼系統(tǒng)的面材也是薄板。屋面板過厚會(huì)造成材料用量增加，建造成本上升。屋面板太薄，不能作為屋面防雷接閃器，勢(shì)必會(huì)增加很多防雷措施，會(huì)對(duì)屋面整體性產(chǎn)生破壞。項(xiàng)目屋面板最終選用的薄板厚度為0.5mm，是綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、焊接可靠性、屋面防雷需求等多項(xiàng)因素后的選擇。

2.1.3 材料表面處理

不銹鋼表面加工類型較多（表1），通過多次試驗(yàn)及對(duì)比，項(xiàng)目選用的不銹鋼板表面加工類型為2F（毛面），表面均勻亞光，并在板材成型時(shí)，壓制橫向淺壓紋。橫向淺壓紋不僅可以增加屋面板的橫向剛度，還可以利用橫向淺壓紋構(gòu)成長(zhǎng)度方向的微彈簧，提高屋面板對(duì)熱脹冷縮的適應(yīng)性。橫向淺壓紋還可以進(jìn)一步減小不銹鋼的光反射作用，防止對(duì)航站樓周邊及天空造成影響。在設(shè)計(jì)施工過程中，橫向淺壓紋還起到了防滑的作用，使屋面的施工及使用變得更加安全便捷。

2.2 屋面板構(gòu)造選型

在系統(tǒng)的研究、選擇和應(yīng)用上，需積極汲取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，認(rèn)真研究，因時(shí)因地、科學(xué)合理地選擇符合工程實(shí)際的系統(tǒng)構(gòu)造體系。項(xiàng)目屋面板最終選擇了對(duì)稱的U形槽板，寬400mm，板面橫向淺壓紋，板肋處設(shè)置蓋帽（圖7，8），具有如下特點(diǎn)：1）板型簡(jiǎn)單，U形對(duì)稱利于壓型加工，利于消除焊接應(yīng)力造成的板面變形，提高了屋面板對(duì)熱脹冷縮的適應(yīng)性；2）橫向淺壓紋增加了屋面板的剛度，屋面施工及使用過程中變形小，同時(shí)增加屋面板的防滑能力，利于屋面行人安全；3）焊縫質(zhì)量隨時(shí)可見，易于檢查，焊接缺陷容易處理；4）定位點(diǎn)焊位于連續(xù)焊縫鎖水線上方，不影響防水性能；5）板型搭接縫處設(shè)有條形蓋帽，施工方便，對(duì)焊縫起到一定的保護(hù)作用。

表1 不銹鋼板的表面加工類型

6 連續(xù)焊接不銹鋼屋面系統(tǒng)構(gòu)造層次

7 不銹鋼板成型

8 蓋帽安裝

9 支座與屋面板連接

10 支座與基層連接

11 支座形式

12 屋脊

13 天窗及洞口

14 檐口

表2 青島膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓金屬屋面抗風(fēng)揭測(cè)試結(jié)果

2.3 不銹鋼支座

不銹鋼支座為L(zhǎng)形件，其豎直邊置于兩塊不銹鋼屋面板肋縫隙之間，通過連續(xù)焊接工藝將不銹鋼支座與其兩側(cè)的不銹鋼屋面板焊在一起，其水平邊與下部構(gòu)件通過不銹鋼螺釘連接（圖9～11）。

不銹鋼支座的作用非常關(guān)鍵，其設(shè)計(jì)直接影響到連續(xù)焊縫的可靠性及與下部構(gòu)件連接的可靠性。通過多次試驗(yàn)，最終設(shè)計(jì)采用厚度為0.2mm不銹鋼板作為支座材料。為了使其較好地通過螺釘與下部構(gòu)造連接，在L形不銹鋼支座的水平位置設(shè)置了一個(gè)0.8mm厚的不銹鋼墊板以增加其強(qiáng)度。此構(gòu)造形式經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，豎直邊焊接性能和水平邊螺釘連接性能均表現(xiàn)優(yōu)異。

企業(yè)外部審計(jì)主要包括社會(huì)審計(jì)機(jī)構(gòu)以及國(guó)家政府相關(guān)部門的審計(jì)。存在的問題主要表現(xiàn)為，社會(huì)審計(jì)主體多元化導(dǎo)致企業(yè)審計(jì)工作壓力過大，企業(yè)既要接受國(guó)家審計(jì)局的審計(jì)，同時(shí)根據(jù)國(guó)家現(xiàn)有法律法規(guī)規(guī)定，也不能拒絕社會(huì)審計(jì)機(jī)構(gòu)的審計(jì)。多主體的審計(jì)監(jiān)管模式本意是為了有效引導(dǎo)企業(yè)的審計(jì)工作，提高企業(yè)審計(jì)風(fēng)險(xiǎn)抵御能力。但是由于審計(jì)主體的溝通機(jī)制不健全，多層次交叉的審計(jì)壓力不能夠形成有效的合力，反而給企業(yè)發(fā)展帶來一定負(fù)擔(dān)。

不銹鋼支座的長(zhǎng)度及布置也是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。綜合考慮了屋面抗風(fēng)揭能力和經(jīng)濟(jì)性，將屋面工程按風(fēng)壓大小，采用不同支座設(shè)置的方案。低風(fēng)壓區(qū)不銹鋼支座間距為500mm，高風(fēng)壓區(qū)不銹鋼支座間距為300mm，并在端部、檐口等位置適當(dāng)對(duì)支座進(jìn)行加長(zhǎng)。

2.4 蓋帽的設(shè)置與特殊位置的處理

屋面板肋焊接縫處設(shè)置條形蓋帽，蓋帽通過點(diǎn)焊或壓印的方式與U形屋面板立邊進(jìn)行連接。蓋帽將板肋邊及焊縫蓋住，起到保護(hù)焊縫作用，也使得整體外觀更加美觀，避免鋒利的板肋邊對(duì)屋面上的施工和檢修人員造成傷害。

屋面一些特殊部位如T字接縫、天窗洞口、通風(fēng)管道、天溝交接、屋脊交接等，需要將多層不銹鋼板進(jìn)行焊接。連續(xù)焊接不銹鋼屋面的關(guān)鍵就是“焊接”，所有接縫位置均采用焊接的手段，保證屋面板不存在縫隙及死角，從而達(dá)到充分水密的目的（圖12～14）。

2.5 防水墊層

考慮到項(xiàng)目的特殊性，為進(jìn)一步保證防水的可靠性，在不銹鋼板下方又設(shè)置了一層防水墊層。不同于其他金屬屋面工程常用的防水墊層，不銹鋼支座的螺釘會(huì)大量穿透防水墊層，無法逐個(gè)采取密封措施，這就需要防水墊層具有很好的釘桿水密性。所以自粘性防水卷材成為了防水墊層的最佳選擇。

由于相關(guān)自粘性防水卷材的國(guó)家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的各項(xiàng)參數(shù)沒有考慮其應(yīng)用于金屬屋面這種特殊情況的需求，所以為確定滿足需要卷材的技術(shù)參數(shù)，進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的性能測(cè)試及試驗(yàn)，并邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)著名的防水材料專家參與了討論與論證，最終確定了自粘性防水卷材的合理數(shù)據(jù)。

當(dāng)然，由于連續(xù)焊接不銹鋼屋面系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了水密的完全封閉，在水流過金屬板縫或積水漫過金屬板肋時(shí)，也不會(huì)發(fā)生水向金屬板內(nèi)側(cè)滲漏情況，這是連續(xù)焊接不銹鋼屋面的特點(diǎn)及最大優(yōu)勢(shì)。所以連續(xù)焊接不銹鋼屋面構(gòu)造體系中防水墊層僅是一個(gè)保險(xiǎn)措施，并非必要。

3 抗風(fēng)揭試驗(yàn)

項(xiàng)目屋面工程建設(shè)過程中進(jìn)行了各種試驗(yàn)，包括實(shí)體小樣制作、現(xiàn)場(chǎng)大樣板段的施工與監(jiān)測(cè)、蓄水試驗(yàn)、淋水試驗(yàn)、緊固構(gòu)件拉拔試驗(yàn)、不銹鋼材料的檢測(cè)等，也包括前文提到的各種試驗(yàn)。其中非常重要的是屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)揭試驗(yàn)。通過對(duì)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)報(bào)告的分析，綜合考慮了抗風(fēng)揭能力和屋面的經(jīng)濟(jì)性，在設(shè)計(jì)時(shí)將屋面工程分為高風(fēng)壓區(qū)和低風(fēng)壓區(qū)，并分別進(jìn)行了試驗(yàn)樣板的抗風(fēng)揭能力測(cè)試，每段風(fēng)壓區(qū)都進(jìn)行了以下試驗(yàn)：

（1）1個(gè)試驗(yàn)件進(jìn)行靜態(tài)抗風(fēng)試驗(yàn)，至破壞，確定該試驗(yàn)件抗風(fēng)極限值。

（2）1個(gè)試驗(yàn)件按設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)值進(jìn)行動(dòng)態(tài)抗風(fēng)測(cè)試，測(cè)試周期完成后若試驗(yàn)件無破壞，用該試驗(yàn)件進(jìn)行靜態(tài)抗風(fēng)試驗(yàn)，至破壞，確定該試驗(yàn)件經(jīng)動(dòng)態(tài)加載后的抗風(fēng)極限值。

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。通過對(duì)試驗(yàn)破壞的樣板進(jìn)行拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)屋面系統(tǒng)破壞的方式為連接襯檁的螺釘拉斷或拉脫，而連續(xù)焊接不銹鋼屋面的特有構(gòu)造層次完全沒有破壞。在高風(fēng)壓區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了在檁條、緊固件設(shè)計(jì)及選型合理的情況下，焊接不銹鋼系統(tǒng)有著超強(qiáng)的抗風(fēng)能力。

4 結(jié)語

連續(xù)焊接不銹鋼屋面應(yīng)同時(shí)被納入兩個(gè)范疇，即Metal roof（金屬屋面）和Water proofing（防水屋面），這種分類主要是根據(jù)屋面材料的材質(zhì)和阻、排水原理劃分的。防水屋面范疇內(nèi)還包括PVC、TPO等柔性防水系統(tǒng)。相較于PVC和TPO，不銹鋼屋面具有更好的強(qiáng)度、耐久性和建筑表現(xiàn)力，可以滿足大型復(fù)雜公共建筑的屋面設(shè)計(jì)要求。

連續(xù)焊接不銹鋼屋面的“無縫阻水式設(shè)計(jì)”能夠適應(yīng)復(fù)雜的建筑造型，改變傳統(tǒng)金屬屋面在復(fù)雜節(jié)點(diǎn)處的“拼接式”構(gòu)造，為建筑披上可靠、耐久的“金屬外衣”。在某種程度上講，連續(xù)焊接不銹鋼屋面回歸了金屬屋面的本源——巧妙的設(shè)計(jì)、精巧的鈑金、高素質(zhì)的專業(yè)技能。連續(xù)焊接不銹鋼屋面想要健康、長(zhǎng)久地發(fā)展需要整個(gè)行業(yè)注重人才的培養(yǎng)和規(guī)范化的管理，避免出現(xiàn)直立鎖邊屋面發(fā)展過程中無序、粗糙、急功近利等混亂的狀況。

該系統(tǒng)已在青島膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站屋面工程中成功應(yīng)用，即將驚艷亮相，相信這一“天衣無縫”的技藝會(huì)為建筑師的創(chuàng)作提供更多的可能性和系統(tǒng)的解決方案。