某文化中心金屬屋面關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

湯浩軍

0 引言

金屬屋面技術(shù)進(jìn)入中國(guó)數(shù)十余年來(lái)，技術(shù)不斷完善，隨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造型奇特的工程越來(lái)越多，對(duì)設(shè)計(jì)施工提出了更高的要求。屋面系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅僅要滿足屋面基本性能的要求，同時(shí)還需要考慮造型是否美觀、能否加工生產(chǎn)，是否便于工期控制，是否經(jīng)濟(jì)合理等各種因素。

1 本工程金屬屋面工程特點(diǎn)

本工程金屬屋面系統(tǒng)分為曲屋面和平屋面。曲屋面為復(fù)雜弧形屋面，最高點(diǎn)約為41.3m；平屋面為雙層復(fù)合金屬屋面，屋頂頂面標(biāo)高為19.5m（如圖1）。

圖1 整體建筑效果圖

1.1 金屬曲屋面系統(tǒng)介紹

從外至內(nèi)分為三個(gè)構(gòu)造層次：

（1）面板層：由1mm 厚鋁鎂錳板（陽(yáng)極氧化板）平鎖扣方式固定于3mm 厚沖孔鋁板之上，共同組成面板層固定于骨架層之上。

（2）骨架層：由半圓弧鋁合金龍骨，矩形鋁龍骨、鋁合金牛腿、鋁合金轉(zhuǎn)接件、鍍鋅鋼結(jié)構(gòu)等組成固定于基礎(chǔ)層之上，實(shí)現(xiàn)曲面金屬板的三維可調(diào)性。

（3）防水保溫基礎(chǔ)層：由1.5mm 厚PVC 高分子防水卷材、60mm+50mm 保溫棉隔音棉、2mm 厚不銹鋼絲網(wǎng)+防火型防水隔氣膜、壓型鋼板等組成固定于主體結(jié)構(gòu)之上，實(shí)現(xiàn)曲面金屬屋面的防水及保溫功能。

屋面系統(tǒng)構(gòu)造按照施工順序從下往上依次如圖2。

圖2 金屬曲屋面標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造圖

1.2 金屬平屋面系統(tǒng)介紹

從外至內(nèi)分為三個(gè)構(gòu)造層次：

（1）面板層：由1mm 厚鋁鎂錳板（陽(yáng)極氧化板）平鎖扣方式固定于3mm 厚沖孔鋁板之上，共同組成面板層固定于骨架層之上。

（2）骨架層：由半圓弧鋁合金龍骨，矩形鋁龍骨、鋁合金牛腿、鋁合金轉(zhuǎn)接件、鍍鋅鋼結(jié)構(gòu)等組成固定于基礎(chǔ)層之上。

（3）防水保溫基礎(chǔ)層：由1.5mm 厚PVC 高分子防水卷材、輕型樓面板及保溫、隔熱、防腐構(gòu)造

屋面系統(tǒng)構(gòu)造按照施工順序從下往上依次如圖3。

圖3 金屬平屋面標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造圖

1.3 屋面檐口系統(tǒng)介紹

從外至內(nèi)分為兩個(gè)構(gòu)造層次：

（1）面板層：由1mm 厚鋁鎂錳板（陽(yáng)極氧化板）平鎖扣方式固定于3mm 厚沖孔鋁板之上，共同組成面板層固定于骨架層之上。

（2）骨架層：由半圓弧鋁合金龍骨，矩形鋁龍骨、鋁合金牛腿、鋁合金轉(zhuǎn)接件、鍍鋅鋼結(jié)構(gòu)等組成固定于基礎(chǔ)層之上。

屋面系統(tǒng)構(gòu)造按照施工順序從下到上依次如圖4。

圖4 屋面檐口標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造圖

2 鋁鎂錳裝飾板優(yōu)化

原設(shè)計(jì)中1mm 鋁鎂錳裝飾板的形式及連接特點(diǎn)是，鋁鎂錳裝飾板采用插接形式連接，不銹鋼扣件扣在鋁鎂錳裝飾板后通過(guò)鉚釘與沖孔鋁板連接（如圖5）。鋁鎂錳裝飾板的插接形式?jīng)Q定了施工順序，曲屋面裝飾板安裝時(shí)需要從低點(diǎn)開(kāi)始往上依次安裝（如圖6）。這樣就會(huì)使施工安裝的時(shí)候只能逐個(gè)逐塊地安裝，安裝效率十分低，同時(shí)安裝好的板塊需要更換時(shí)，必須采用破壞性拆除，而新的板塊安裝時(shí)只能采用非插接方式安裝，這樣會(huì)破壞屋面建筑外觀效果，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工和后期維修都會(huì)造成極大的不便。此類(lèi)裝飾板極不適合建筑表面積較大的工程中采用；同時(shí)根據(jù)《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ133-2001）中規(guī)定“幕墻用單層鋁板厚度不應(yīng)小于2.5mm”，雖然原設(shè)計(jì)中1mm 鋁鎂錳裝飾板下面有3mm 穿孔鋁單板做背襯，但最直接外力的仍然是1mm 鋁鎂錳裝飾板，經(jīng)多方論證，最終采用鋁蜂窩板作為外裝飾板，構(gòu)造節(jié)點(diǎn)如圖7。

圖5 原鋁鎂錳裝飾板插接連接方式圖

圖6 原鋁鎂錳裝飾板安裝順序

圖7 優(yōu)化后裝飾板插接連接方式

3 結(jié)構(gòu)承重系統(tǒng)應(yīng)用

本工程中采用的結(jié)構(gòu)受力系統(tǒng)為承重型壓型鋼底板與短支鋼柱骨架共同傳力系統(tǒng)，其一，保溫層、PVC 防水層等功能層的恒荷載作用在承重型壓型鋼底板，通過(guò)鋼底板傳到主檁條；其二，鋁蜂窩裝飾板層為建筑物最外層，直接承受外部風(fēng)荷載和活荷載，此部分荷載通過(guò)裝飾板龍骨，傳遞給短支鋼柱，再傳到結(jié)構(gòu)主檁條，如圖9。

圖8 優(yōu)化后裝飾板安裝實(shí)景

圖9 結(jié)構(gòu)傳力簡(jiǎn)圖

本工程承重鋼底板采用1.2mm 厚250 強(qiáng)度級(jí)別基板，波高113mm，波距256mm，由于屋面結(jié)構(gòu)有較大的起伏，在設(shè)計(jì)檁條時(shí)，需要考慮檁條的傾角，這會(huì)使平面上投影長(zhǎng)度不大的檁條，由于產(chǎn)生了較大的傾角，使其實(shí)際長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于投影長(zhǎng)度。本工程在內(nèi)檐口處，檁條傾角達(dá)近40°，最大跨度達(dá)6.7m，經(jīng)計(jì)算是在正風(fēng)壓及活荷載和自重的荷載組合下的撓度起控制作用，考慮大跨底板占整個(gè)金屬屋面較少，因此采用局部加強(qiáng)的處理方式，以滿足工程需要。具體為在較大跨度鋼底板下部設(shè)置100mm×50mm 的矩形通長(zhǎng)鋼管，并與主檁條焊接連接，鋼底板波峰通過(guò)自攻釘與加強(qiáng)鋼管連接，如圖10。

圖10 局部承重鋼底板加強(qiáng)

圖11 金屬屋面結(jié)構(gòu)層

4 金屬屋面防水系統(tǒng)應(yīng)用

本工程屋面防水等級(jí)為1 級(jí)，根據(jù)《屋面工程技術(shù)規(guī)范》（GB50345-2012）中規(guī)定，1 級(jí)防水等級(jí)屋面要求為兩道防水設(shè)防要求，特殊情況在1 級(jí)屋面防水做法中，防水層僅作單層卷材時(shí)，應(yīng)符合有關(guān)單層防水卷材屋面技術(shù)的規(guī)定。結(jié)合《單層防水卷材屋面工程技術(shù)規(guī)程》（JG/T 316-2013）中規(guī)定，因此如建筑物防水等級(jí)為1 級(jí)，采用兩道合成高分子卷材的情況下，每道卷材的厚度最小厚度為1.2mm；采用一道合成高分子卷材的情況下，卷材的厚度最小厚度為1.5mm。本工程采用1.5mm 的PVC 高分子防水卷材。為保證防水卷材作業(yè)面表面平整（如圖12），下部的保溫層采用兩層容重180kg/m的巖棉塊。由于本工程屋面有較多出屋面鋼立柱，屋面防水卷材在鋼立柱龍骨支座穿透處需另外按照孔的規(guī)格尺寸將穿管部分一起用防水卷材包裹，然后上翻至PVC 頂端保護(hù)型材，焊接后打防水膠處理，以保證此部位的防水，如圖13。

圖12 金屬屋面保溫層

圖13 金屬屋面防水層

5 曲屋面檐口鋁蜂窩板的加工和吊裝措施

本工程檐口最高處標(biāo)高約為41m，三維異型部分主要是：檐口弧形鋁蜂窩板、屋面彎弧支撐龍骨。這里每個(gè)部分都是空間三維定位，所以前期最關(guān)鍵的工作就是對(duì)表皮模型進(jìn)行優(yōu)化，在滿足建筑造型的前提下，最大限度降低制造和安裝難度，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與施工的有效融合。

檐口鋁蜂窩板主要是龍骨的定位和面板下料，由于檐口造型為非線性弧面，這將導(dǎo)致每塊鋁蜂窩板都產(chǎn)生不同的彎弧半徑，加大了鋁蜂窩板的加工難度，成本也較高。通過(guò)參數(shù)化對(duì)每塊鋁板進(jìn)行模擬分析，得出每塊鋁蜂窩板的對(duì)焦線高差都在5mm 以內(nèi)，完全可以采用平板代替，滿足整體弧面的效果，大大縮短了鋁蜂窩板的加工周期，節(jié)省了工程成本。而對(duì)于屋面彎弧支撐龍骨的定位，采用單曲彎弧，在模型中生產(chǎn)定位點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。檐口骨架、裝飾板龍骨通過(guò)地面單元化拼裝，通過(guò)塔吊進(jìn)行單元化提升，減少高空作業(yè)量（如圖14）?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)定位點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)每一個(gè)定位點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量監(jiān)控，并采用可調(diào)節(jié)式的設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)，在構(gòu)造上通過(guò)檁條檁托進(jìn)行高度調(diào)差，以保證整個(gè)屋面的造型，如圖15。

圖14 檐口單元裝飾骨架吊裝效果示意圖

圖15 檐口裝飾板安裝效果示意圖

6 BIM 技術(shù)在工程中的應(yīng)用

本工程屋面為異型曲面，目前在解決復(fù)雜曲面造型的設(shè)計(jì)中，多采用Rhino 進(jìn)行表皮放樣設(shè)計(jì)，而其中又以Grasshopper插件，簡(jiǎn)稱(chēng)GH，編寫(xiě)建模邏輯算法，使計(jì)算機(jī)根據(jù)擬定的算法自動(dòng)生成模型結(jié)果，從而把機(jī)械性的重復(fù)操作被計(jì)算機(jī)的循環(huán)運(yùn)算取代，設(shè)計(jì)師還可以在其中植入更加豐富的邏輯運(yùn)算，無(wú)論在建模速度還是在精確度上，較傳統(tǒng)的工作模式都有大幅度的提升，如圖16。

圖16 裝飾板參數(shù)化分格建模

本工程為雙曲造型外部裝飾板采用的大量的雙曲板塊，雙曲裝飾板加工制作難度大、工期時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高，大量的雙曲板塊不利于工程項(xiàng)目實(shí)施。在保證建筑外觀的同時(shí)，對(duì)裝飾板進(jìn)行曲率分析，結(jié)合工廠裝飾板的加工工藝，優(yōu)化加工方案，減少雙曲板的數(shù)量。有效的節(jié)約的加工成本，減少加工時(shí)間，保障項(xiàng)目工期。

如圖17 所示，通過(guò)Grasshopper 對(duì)每塊裝飾板的加工方式進(jìn)行分析，當(dāng)對(duì)角線的外觀交點(diǎn)高差①>10mm 時(shí)，該裝飾板采用雙曲加工。

圖17 GH 雙曲板分析

高差①≤10mm 時(shí)，以XY 為參考平面，長(zhǎng)邊和短邊的中點(diǎn)至參考平面的距離：當(dāng)距離②或者距離③其中一個(gè)>10mm 時(shí)，該裝飾板采用單曲加工；當(dāng)距離②和距離③都>10mm 時(shí)，該裝飾板采用雙曲加工；當(dāng)距離②和距離③同時(shí)<10mm 時(shí)，該裝飾板采用平板加工。

7 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)與本工程類(lèi)似的復(fù)雜雙曲造型項(xiàng)目很多，這些項(xiàng)目在設(shè)計(jì)施工中會(huì)遇到類(lèi)似的問(wèn)題。因此在設(shè)計(jì)初期必須結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范以及生產(chǎn)工藝合理選擇材料類(lèi)型，以免在后期施工時(shí)再去修改設(shè)計(jì)圖紙，造成成本以及工期的變化，使項(xiàng)目節(jié)奏放緩甚至停滯。

而在異型屋面設(shè)計(jì)中，由于高低起伏較大，因此在考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件的跨度時(shí)，應(yīng)該建立三維實(shí)體模型，最好采用結(jié)構(gòu)三維空間分析軟件對(duì)受力構(gòu)件進(jìn)行分析，防止使用二維分析軟件忽視構(gòu)件的實(shí)際情況，對(duì)結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響。

因此，積極運(yùn)用BIM 技術(shù)對(duì)異型建筑的結(jié)構(gòu)和造型進(jìn)行分析，是今后類(lèi)似工程的必由之路。