國家會展中心(天津)工程超大面積高強(qiáng)鋁鎂錳節(jié)能金屬屋面設(shè)計(jì)與施工

劉 飛，王 博，周志健，王飛宇，解永飛，隋杰明

(中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

0 引言

大型機(jī)場、高鐵車站、會展中心等大空間公共建筑多采用直立鎖邊體系的鋁鎂錳金屬屋面或鍍鋁鋅鋼板屋面，施工便利性、耐久性好，可有效改善傳統(tǒng)屋面的弊端。金屬屋面體系由于自身構(gòu)造原因，在穿插施工中存在節(jié)能效果差、抗風(fēng)揭性能差、防滲漏隱患大等問題，影響使用功能及社會形象。

屋面結(jié)構(gòu)體系及其他專業(yè)穿插施工中，為規(guī)避不良情況的發(fā)生，整體考慮前期深化設(shè)計(jì)、中期策劃實(shí)施、后期試驗(yàn)驗(yàn)證及運(yùn)輸安裝等階段，加強(qiáng)管控，從組織保障、制度保障、資源保障、科技支撐方面進(jìn)行落實(shí)，保證屋面工程順利實(shí)施。

1 工程概況

國家會展中心(天津)工程位于天津市津南區(qū)，是我國北方首個(gè)國家級超大型會展中心，總建筑面積138萬m2，一期展館區(qū)建筑面積47.86萬m2，二期建筑面積59.86萬m2，主要由展廳、交通連廊、中央大廳、人行天橋等組成。

該工程屋面系統(tǒng)共59萬m2(見圖1)，整體結(jié)構(gòu)分為展廳、交通連廊及中央大廳部分，如圖2所示。按構(gòu)造分為屋面系統(tǒng)、鋁單板系統(tǒng)、天窗系統(tǒng)、采光玻璃系統(tǒng)、格柵系統(tǒng)、天溝系統(tǒng)等，其中展廳、交通連廊結(jié)構(gòu)為展翅翱翔的海鷗造型。中央大廳由32個(gè)樹狀鋼柱支撐的大跨鋼結(jié)構(gòu)組成。整體屋面系統(tǒng)采用直立鎖邊有檁體系，即整體屋面板系統(tǒng)通過檁條、檁托與鋼結(jié)構(gòu)連接傳力，檁托為焊接，檁條為栓焊，直立鎖邊鋁鎂錳板與固定支座為機(jī)械鎖緊連接。

圖1 屋面整體效果

圖2 屋面系統(tǒng)

屋面防水等級為Ⅰ級設(shè)防，本工程主要排水采用虹吸雨水系統(tǒng)進(jìn)行排水，為50年溢流考慮，總設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為50年，屋面共劃分為400多個(gè)匯水分區(qū)，總系統(tǒng)800套，加上溢流設(shè)施后總排水能力超過34 000L/s。深化過程中綜合考慮安全系數(shù)、排水和溢流能力，屋面設(shè)計(jì)為中空式小波峰底板的高強(qiáng)鋁鎂錳板節(jié)能型構(gòu)造，展廳、交通連廊及中央大廳屋面標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造

2 屋面系統(tǒng)重難點(diǎn)分析與控制

為保證屋面系統(tǒng)的節(jié)能、抗風(fēng)揭、防滲漏性能，注重現(xiàn)場管控措施及特殊部位的細(xì)部節(jié)點(diǎn)處理，不同工序操作及特殊節(jié)點(diǎn)部位(如天溝、天窗、變形縫)易產(chǎn)生滲漏問題，屋面結(jié)構(gòu)及排水能力設(shè)計(jì)是影響屋面整體防滲的重難點(diǎn)，考慮從屋面構(gòu)造、安裝方式、順序及各實(shí)施措施方面解決和處理問題。

2.1 抗風(fēng)揭性能保證

大面積金屬屋面在實(shí)施過程中及完成后，由于受強(qiáng)風(fēng)影響造成構(gòu)造損壞，從而引起防水、節(jié)能、安全問題故采取以下措施：①第1道保障 將原設(shè)計(jì)的無檁體系屋面優(yōu)化為有檁體系屋面，保證屋面本身荷載傳遞和抵抗外界荷載性能；②第2道保障 利用直立鎖邊+抗風(fēng)夾形式，增強(qiáng)金屬屋面系統(tǒng)的防滲漏、抗風(fēng)揭性能，及鎖邊體系公母肋與固定支座的咬合；③第3道保障 用來縮小固定支座間距，降低屋面板承受荷載的變形；④第4道保障 在金屬屋面板咬合安裝完成后，在屋面板頂部與固定支座相應(yīng)位置安裝抗風(fēng)夾。

2.2 防滲漏性能保證

構(gòu)造層之層間結(jié)合處是屋面易產(chǎn)生滲漏的部位，TPO防水形式系統(tǒng)、金屬面板防水過于單一。本工程采用金屬屋面板+TPO防水卷材的上下構(gòu)造，在上層金屬屋面板防水局部失效的極端情況下，下層卷材屋面仍具有獨(dú)立防水能力，保證屋面整體防水安全。同時(shí)屋面板為270°公母肋雙重設(shè)計(jì)，即270°公肋咬合固定支座，然后270°母肋咬合270°公肋，有效防止由于降雨量較大流入屋面板下方。屋面板由于板受溫度影響磨損嚴(yán)重，為滿足屋面板伸縮方向受力合理、伸縮量均衡，每塊屋面板選擇靠近屋脊處的2個(gè)支座作為固定點(diǎn)，屋面板公肋與支座咬合后，用拉鉚釘固定公肋與支座，控制坡屋面板因溫度收縮的下滑力，減輕溫度收縮對屋面板的磨損，避免屋面板被磨穿而漏水。

2.3 節(jié)能效果保證

國家級展館節(jié)能要求高，傳統(tǒng)金屬屋面為單層保溫或雙層緊貼型保溫系統(tǒng)，很難達(dá)到設(shè)計(jì)節(jié)能效果。本工程保溫層采用雙層中空式設(shè)計(jì)，屋面系統(tǒng)下層巖棉安裝在檁條間的凹槽內(nèi)(檁條高度大于巖棉厚度)，將鍍鋅鋼絲網(wǎng)固定在檁條頂部，可支撐上層巖棉，同時(shí)使上下層巖棉間形成空腔，增加屋面系統(tǒng)的隔聲、保溫性能。

3 超大面積金屬屋面設(shè)計(jì)與管控

3.1 屋面抗風(fēng)揭初始構(gòu)造復(fù)核檢驗(yàn)

3.1.1前期試驗(yàn)參數(shù)確定

通過風(fēng)洞模擬試驗(yàn)分析建筑物在風(fēng)力、風(fēng)速影響下的受力情況。本試驗(yàn)在中國建筑科學(xué)研究院風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，模型縮尺比為1∶350，試驗(yàn)段長寬高分別為22，4，3m，風(fēng)速在2～30m/s連續(xù)可調(diào)。風(fēng)洞測試模型如圖4所示。

圖4 風(fēng)洞測試模型

通過風(fēng)洞測壓試驗(yàn)，得到測點(diǎn)平均壓力系數(shù)和50年重現(xiàn)期極值風(fēng)壓統(tǒng)計(jì)值云圖、測點(diǎn)平均壓力系數(shù)隨風(fēng)向變化云圖。極值風(fēng)壓以50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為基礎(chǔ)，風(fēng)向角10°為間隔，共36個(gè)風(fēng)向角。風(fēng)洞測壓試驗(yàn)結(jié)果表明，建筑表面極值風(fēng)壓變化范圍是-4.4～1.3kN/m2。

由風(fēng)洞測壓試驗(yàn)報(bào)告得出屋面風(fēng)壓值的基本參數(shù)取值?？紤]天津國家會展中心屋面系統(tǒng)工程的重要性，結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)壓形式及風(fēng)壓值，進(jìn)行靜態(tài)(負(fù)壓)抗風(fēng)揭試驗(yàn)。根據(jù)《系統(tǒng)吊頂組合負(fù)風(fēng)壓分布圖》確定組合負(fù)風(fēng)壓值為-4.40kN/m2(標(biāo)準(zhǔn)值)，初始負(fù)風(fēng)壓分布如圖5所示。本工程最高點(diǎn)33.9m，最不利角部位置體形系數(shù)考慮-2.0，風(fēng)壓高度變化系數(shù)為1.582，陣風(fēng)系數(shù)考慮1.442，基本風(fēng)壓取0.6kN/m2，故最不利風(fēng)吸標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值Wk=-2.0×1.582×1.442×0.6=-2.737kN/m2，絕對值相比風(fēng)壓圖中最不利位置的風(fēng)壓小，因此取-4.4kN/m2， 整體試驗(yàn)值按-4.4kPa×1.4=-6.16kPa進(jìn)行計(jì)算。整個(gè)屋面按4個(gè)區(qū)域分別控制，各區(qū)域具體數(shù)值如表1所示。抗風(fēng)揭試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值分布如下：展廳室內(nèi)部分對應(yīng)屋面為3.516kPa，展廳挑檐部分對應(yīng)屋面為5.860kPa，中央大廳室內(nèi)部分對應(yīng)屋面為3.822kPa，中央大廳挑檐對應(yīng)屋面為6.370kPa。

表1 屋面各區(qū)域抗風(fēng)揭試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值

圖5 初始負(fù)風(fēng)壓分布(單位：kN/m2)

3.1.2材料比選確認(rèn)

應(yīng)進(jìn)行金屬屋面系統(tǒng)深化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)調(diào)整，并不斷完善屋面整體構(gòu)造及材料選型。

1)鎂、錳元素對合金性能的影響 為加強(qiáng)屋面系統(tǒng)強(qiáng)度，滿足材質(zhì)本身性能要求，應(yīng)對面板進(jìn)行對比分析。常用的合金面板基材主要為Al-Mn系和Al-Mg系。Al-Mn合金是非時(shí)效硬化合金，不可熱處理強(qiáng)化。鎂對鋁的抗拉強(qiáng)化作用較明顯，含量每增加1%，抗拉強(qiáng)度約升高34MPa。但鎂含量過高，會使合金在長時(shí)間室溫下產(chǎn)生時(shí)效軟化與熱脆現(xiàn)象。

2)Al-Mg合金、Al-Mn合金狀態(tài)分析 AA5754鎂含量比AA3004高1.8%～2.3%，AA5754屈服和抗拉強(qiáng)度均比AA3004高4.8%～5.6%。錳作為弱脫氧劑，適量的錳可有效提高強(qiáng)度且不降低塑性。經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可適當(dāng)降低鎂含量增加錳含量，選擇AA5754鋁鎂錳合金材料，可在強(qiáng)度不顯著降低的情況下增加材料延伸率，更適合海濱風(fēng)壓較大地區(qū)。

3.1.3試驗(yàn)方式確認(rèn)及實(shí)施

專業(yè)試驗(yàn)檢測依據(jù)為ANSI FM4474-2004(R2010)《美國國家標(biāo)準(zhǔn)-用靜態(tài)正壓和或負(fù)壓法評價(jià)屋面系統(tǒng)的模擬抗風(fēng)揭性能》，主要儀器為NSCTC-WH-010屋面綜合性能試驗(yàn)機(jī)和NSCTC-WH-010-02-(1-6)壓力變送器。其中氣壓上升速率為(0.07±0.05)kPa/s，即(1.5±1)psf/s，當(dāng)壓力達(dá)1.4kPa(30psf)時(shí)，保持該壓力60s，打開池壓閥門，排出空氣，直到?jīng)]有作用于屋面向上的壓力，重復(fù)加壓和施壓，每次逐級增加0.7kPa(15psf)直至屋面板系統(tǒng)被破壞。

考慮天津市50年一遇的重大惡劣天氣，及設(shè)計(jì)院與業(yè)內(nèi)專家意見，結(jié)合實(shí)施前進(jìn)行的7次試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整完成的初設(shè)構(gòu)造滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范關(guān)于抗風(fēng)揭的要求，如表2所示。

表2 抗風(fēng)揭試驗(yàn)信息

3.2 屋面構(gòu)造分層深化設(shè)計(jì)

利用BIM技術(shù)，結(jié)合深化設(shè)計(jì)要求及初步試驗(yàn)結(jié)果，完善屋面系統(tǒng)構(gòu)造分層做法，并依據(jù)分層進(jìn)行模擬、樣板施工指導(dǎo)，如圖6，7所示。考慮主體結(jié)構(gòu)形式及找坡走向等情況，結(jié)合設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)場勘察實(shí)施要求，同時(shí)考慮各工序出現(xiàn)誤差消化等構(gòu)造，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性及施工便利性。

圖6 屋面標(biāo)準(zhǔn)分層構(gòu)造

圖7 屋面標(biāo)準(zhǔn)樣板施工

由試驗(yàn)得出，增加抗風(fēng)夾后，抗風(fēng)揭效果非常顯著，故深化過程中，在構(gòu)造做法中均設(shè)置抗風(fēng)夾。

3.3 現(xiàn)場管控措施及特殊部位細(xì)部節(jié)點(diǎn)處理

1)工序交接連續(xù)性 按照施工連續(xù)性要求，采用BIM模擬、課堂教學(xué)、現(xiàn)場模擬等方式進(jìn)行交底工作，安裝工序如下：定位放線→安裝檁托→安裝檁條→安裝反吊龍骨及拉條→安裝屋面底板→鋪貼隔汽膜卷材→安裝下層保溫巖棉→安裝鋼絲網(wǎng)→安裝幾字件→安裝上層保溫巖棉→鋪貼TPO防水卷材→安裝固定支座→安裝屋面板及抗風(fēng)夾。

2)屋面板搭接方式 傳統(tǒng)金屬屋面多采用自攻釘固定、凹槽搭接等連接方式，閉水效果差。本工程屋面板兩邊緣加工成公母肋形式，公母肋夾角均>270°，即使雨水漫過板肋，也會從另一塊板流走，不會滲到屋面板內(nèi)，加強(qiáng)防滲漏和抗風(fēng)揭效果，如圖8所示。

圖8 屋面板安裝搭接

3)小波峰反吊底板施工 無檁體系金屬屋面中，底板需承受屋面系統(tǒng)的全部荷載，屋面底板必須達(dá)到大波峰、大波谷、硬材質(zhì)才可滿足抗彎、承載力及強(qiáng)度要求。優(yōu)化后的有檁體系金屬屋面底板采用吊掛安裝方式，底板僅作為下層巖棉支撐層，底板強(qiáng)度、抗彎性能要求低，可選用厚度小、波高小的鋼底板，節(jié)約造價(jià)，減小屋面系統(tǒng)構(gòu)造層高度。

無檁體系金屬屋面底板波峰大、波谷大，施工過程中易破壞隔汽膜、保溫層，成品保護(hù)效果差，無法保證施工質(zhì)量。優(yōu)化后的小波峰、小波谷底板中，隔汽膜與屋面底板粘貼操作簡便，粘貼質(zhì)量好，成品保護(hù)效果較好。

底板安裝采用滑動(dòng)吊籃加高空作業(yè)車相結(jié)合的方式，如圖9所示。在保證施工安全與質(zhì)量的同時(shí)，不需搭設(shè)滿堂腳手架，實(shí)施方便，節(jié)省措施費(fèi)，節(jié)約工期。

圖9 底板采用滑動(dòng)吊籃施工

4)固定支座及抗風(fēng)夾安裝處理 屋面固定支座施工是屋面板施工的關(guān)鍵工序，固定支座安裝質(zhì)量直接影響屋面板的抗風(fēng)能力和整體屋面外觀效果。應(yīng)防止固定支座與鋼結(jié)構(gòu)材料直接接觸，引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)在深化設(shè)計(jì)時(shí)，在固定支座底部配備丁基而候膠，消除自鋼釘穿透TPO造成的滲漏隱患，固定支座下增設(shè)丁基耐候膠，如圖10所示。

圖10 固定支座增設(shè)耐候膠

試驗(yàn)確定抗風(fēng)夾間距為600mm，可增大防滲漏和抗風(fēng)揭效果，防止鋁鎂錳屋面板被掀起，同時(shí)還可在金屬屋面上部安裝光伏太陽能等設(shè)備。由于鋁鎂錳屋面板通過直立鎖邊機(jī)連接，固定在鋁合金支座上，受溫度變化產(chǎn)生熱脹冷縮作用而松弛，當(dāng)遇到大風(fēng)時(shí)易被掀起，安裝抗風(fēng)夾可加強(qiáng)抗風(fēng)揭性能，還可延長金屬屋面使用壽命。

屋面屋脊、天溝等位置風(fēng)荷載較集中，極易被破壞，應(yīng)根據(jù)抗風(fēng)揭試驗(yàn)結(jié)果適當(dāng)加密檁距、抗風(fēng)夾間距。

5)天溝細(xì)部節(jié)點(diǎn)處理 原節(jié)點(diǎn)天溝下方及屋面下方TPO卷材均下反至天溝內(nèi)，卷材重復(fù)搭接，安裝效果差，防水不閉合。調(diào)整后，天溝TPO卷材與屋面TPO卷材焊接，首先形成TPO卷材完整防水閉合，再從屋面增設(shè)TPO卷材防水附加層延伸至天溝內(nèi)，在原有防水閉合基礎(chǔ)上將屋面內(nèi)部冷凝水匯至天溝內(nèi)部，通過雨水斗排出。

安裝雨水斗時(shí)，首先在天溝板上部根據(jù)雨水斗尺寸進(jìn)行標(biāo)記，再對天溝開洞，確保開洞一致性。雨水斗盤與不銹鋼天溝采用氬弧焊接，焊接線為雨水斗法蘭的外邊緣，不得有漏焊、焊穿、夾渣等缺陷。為防止天溝焊接、拖拽及下放損傷TPO卷材，天溝均以標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的形式在天溝外焊接組裝，并完成閉水試驗(yàn)，然后采用鋼支架+尼龍帶+手拉葫蘆的方式，整體吊裝下放至天溝內(nèi)。虹吸雨水管條天溝節(jié)點(diǎn)如圖11所示。

圖11 虹吸雨水管穿天溝節(jié)點(diǎn)

巖棉切割洞口與TPO卷材洞口尺寸相同，雨水管安裝完成后，填回縫隙處巖棉，且不破壞原保溫系統(tǒng)。整體下放天溝時(shí)，在TPO卷材與雨水斗盤間增設(shè)防水膠帶，使天溝底面與TPO卷材上表面緊密貼合，對閉水效果進(jìn)行二次增強(qiáng)。

優(yōu)化原有貫通天溝做法，每30m設(shè)置1條變形縫，減少溫度收縮變形對天溝的內(nèi)力影響，避免伸縮過程導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)拉裂及防水磨損，同時(shí)優(yōu)化變形縫處節(jié)點(diǎn)，優(yōu)化雨水搭接扣，降低滲漏水隱患。

6)天窗及屋脊細(xì)部節(jié)點(diǎn)處理 對天窗周邊加高波肋，并對周邊構(gòu)造進(jìn)行封閉排水處理保證天窗口高于周邊屋面，減少滲漏水的隱患。屋面天窗防滲漏的重點(diǎn)在于雨水引流，開啟天窗高度應(yīng)盡量超過固定天窗，避免雨水匯集、積聚。天窗泛起高度剖面如圖12所示。

圖12 天窗泛起高度

3.4 成品保護(hù)實(shí)施管控措施

1)建立健全材料追蹤機(jī)制 從加工廠進(jìn)場開始建立材料追蹤機(jī)制，即追蹤每種材料的來源和去向，實(shí)行專人負(fù)責(zé)制、現(xiàn)場對接制、驗(yàn)收程序制、全員管控制等，確保管控落實(shí)到位，利用BIM平臺對材料加工、出廠、運(yùn)輸、到場各項(xiàng)過程進(jìn)行追蹤?，F(xiàn)場通過信息化、智能化管控對實(shí)操動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)管。

2)屋面設(shè)置上人通道 從檁條施工完成至TPO卷材安裝階段，人行通道均采用腳手板進(jìn)行鋪設(shè)，避免屋面構(gòu)造被踩踏損傷。綜合考慮后期各項(xiàng)工序需要上人工作，會破壞面板成品，影響整體構(gòu)造，為此在屋面板施工時(shí)，應(yīng)及時(shí)安裝成品檢修通道，如圖13所示。

圖16 屋面檢修遍道設(shè)置

4 實(shí)施效果

國家會展中心(天津)工程一、二期通過深化構(gòu)造設(shè)計(jì)、現(xiàn)場管控、材料跟蹤、制度建設(shè)等措施，保證質(zhì)量的同時(shí)加快施工進(jìn)度，得到各方一致好評。通過該工程的應(yīng)用，形成完整的金屬屋面施工技術(shù)。