金屬拱形波紋屋頂在改造工程中的應(yīng)用

宋　萌　鄭必杰　劉　彬

[摘要]金屬拱形波紋屋頂是一種新型的空間鋼結(jié)構(gòu)，在北京蒲黃榆危房改造中應(yīng)用了這種新型結(jié)構(gòu)。通過與傳統(tǒng)材料的對(duì)比，這種空間結(jié)構(gòu)具有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不可比擬的優(yōu)越性，在工程應(yīng)用中張顯了自己獨(dú)特的魅力。

[關(guān)鍵詞]改造方案 金屬拱形波紋屋頂 綜合效益

中圖分類號(hào)：TU8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0510094－02

一、工程概況

本工程位于北京市蒲黃榆鐵路住宅區(qū)內(nèi)，三面環(huán)繞住宅樓，一面臨小區(qū)馬路。建筑面積580平方米，跨度14米，長40米。原為單層磚木結(jié)構(gòu)，磚墻、木屋架、瓦屋面。由于建造年代久遠(yuǎn)，房屋的壽命已無從考證，也找不到相關(guān)的建筑資料。經(jīng)過長年累月的風(fēng)雨侵蝕，現(xiàn)存在多處病害，且表現(xiàn)的相當(dāng)突出，木屋架、望板輕度腐朽，瓦屋面破損漏雨，已嚴(yán)重影響了使用功能和結(jié)構(gòu)的安全性。經(jīng)過技術(shù)人員的認(rèn)真鑒定，決定對(duì)此房屋進(jìn)行改造利用，建成大空間的菜市場。

二、傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及存在問題

根據(jù)北京市規(guī)劃部門的要求，不可能進(jìn)行整棟房屋的拆除新建，只能進(jìn)行內(nèi)部及屋頂?shù)木S修改造。鑒于木屋架等已危危可及而外墻尚好，決定更新屋頂結(jié)構(gòu)，只對(duì)下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。因此，結(jié)合使用要求，提出了以下兩個(gè)方案：

第一方案：拆除室內(nèi)吊頂以上所有屋頂結(jié)構(gòu)（含木屋架）及室內(nèi)所有縱橫隔墻，保留外墻為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并將外墻加高至4.5米，現(xiàn)澆鋼筋混凝土壁柱，采用鋼筋混凝土梁及預(yù)應(yīng)力空心板屋蓋，另做保溫及卷材防水屋面。

第二方案：拆除部分同上，也保留外墻為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆鋼筋混凝土壁柱，采用鋼屋架、瓦屋面及輕鋼龍骨吊頂。

隨著方案的出臺(tái)，將所遇到的難題歸納為如下四點(diǎn)：

1．工程造價(jià)偏高；

2．施工復(fù)雜，周期較長；

3．與原有結(jié)構(gòu)難有良好銜接；

4．建筑造型普通，室內(nèi)凈空小。

由于房屋的跨度較大，無論是對(duì)鋼筋混凝土梁板還是鋼屋架，都會(huì)有較高的要求，而資金有限，屬于單位自籌，目的就是要用最低限度的投資，來最大限度的創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。可這兩個(gè)方案均需耗費(fèi)大量的人力物力，施工周期也較長。換個(gè)角度，從主觀方面來看，人為的影響因素也是不可忽略的，本房屋與周圍住宅樓僅有十來米的間距，施工場地狹小且不必說，長時(shí)間的施工噪音，必然會(huì)引起周圍居民的不滿而產(chǎn)生糾紛；從方案本身的結(jié)構(gòu)來看，新建部分與原有圍護(hù)結(jié)構(gòu)不能形成整體，對(duì)于單層空曠房屋的抗震十分不利，一些節(jié)點(diǎn)的處理也將十分復(fù)雜；從方案本身的建筑方面來看，建筑造型為平屋頂或坡屋頂，外觀不夠優(yōu)美，也不符合商業(yè)建筑須引人注目的要求，另外，因面積較大，室內(nèi)凈空較小，人在里面感到壓抑，影響使用效果。

問題如此之多，采用什么設(shè)計(jì)方案才能消除以上這些弊端呢？

三、金屬拱形波紋屋頂簡介

要尋求解決問題的方法，首先得把思路從傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的桎梏中解放出來，來認(rèn)識(shí)一種新型結(jié)構(gòu)金屬拱形波紋屋頂。

金屬拱形波紋屋頂屬薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)，它是由很薄的彩色鍍鋅鋼板（0.8～1.5mm）通過金屬屋頂成型機(jī)連續(xù)冷模輥壓成帶有橫向波紋的拱形槽板，然后用自動(dòng)封邊機(jī)將若干這樣的槽板鎖縫，組成吊裝單元，并吊至屋頂圈梁安裝就位而成的一種屋頂結(jié)構(gòu)形式。它優(yōu)美的外形，梁板合一的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，開闊的空間，低廉的造價(jià)，快速的施工速度，無疑使它成為首選設(shè)計(jì)方案。因?yàn)槭歉脑旃こ蹋€必須同時(shí)考慮房屋的抗震加固。經(jīng)過慎思密慮，一個(gè)全新的設(shè)計(jì)方案成熟了。

四、確定新方案

金屬屋頂是通過圈梁中的預(yù)埋件同下部結(jié)構(gòu)連接。因?yàn)楸疚蓓數(shù)淖灾睾茌p（12～26kg/m2），因而，下部結(jié)構(gòu)的柱子主要承受它的水平推力，通常情況下，采用鋼筋混凝土圈梁和柱子比較經(jīng)濟(jì)。

根據(jù)這種屋頂結(jié)構(gòu)的受力、制作和安裝特點(diǎn)，確定了如下方案：拆除部分還同原方案，保留外墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，外墻上門窗不變，可以滿足采光要求。在外墻頂現(xiàn)澆一道鋼筋混凝土圈梁，墻外側(cè)現(xiàn)澆鋼筋混凝土附墻柱，柱頂與圈梁頂保持同標(biāo)高，柱與圈梁、外墻緊密聯(lián)結(jié)，圈梁頂預(yù)留埋件與屋蓋連接，屋蓋采用紅色銀河金屬拱形波紋屋頂。如下所示剖面圖。

這個(gè)方案很象現(xiàn)在砌體房屋的抗震加固，柱子、圈梁、墻體之間的連接確實(shí)完全符合抗震加固的構(gòu)造要求，同時(shí)承受著拱形屋頂傳來的力。這樣不僅增強(qiáng)了原來結(jié)構(gòu)的整體性與穩(wěn)定性，提高了抗震能力，還不必專為屋頂配置梁柱，起到了一箭雙雕的作用。

需特別說明的是屋頂?shù)谋嘏c防水問題，金屬拱形波紋屋頂結(jié)構(gòu)的保溫可采用拱殼內(nèi)側(cè)噴聚胺脂，1cm厚的聚胺脂可達(dá)到24cm厚磚墻的保溫效果，且現(xiàn)場發(fā)泡而成，保溫性能好，無冷橋。本設(shè)計(jì)采用了2cm厚的聚胺脂保溫。另外，這里所指的防水是指屋頂與下部圈梁的連接節(jié)點(diǎn)處。因屋頂鍍鋅彩板為鎖邊連接，且連接部位在屋面的高處，不會(huì)存水、滲水，故結(jié)構(gòu)本身的防水性能無可挑剔，但節(jié)點(diǎn)處的防水若處理不好，一方面造成沿墻壁向室內(nèi)滲水，另一方面積水腐蝕連接部位的角鋼及預(yù)埋件，影響結(jié)構(gòu)的耐久性。在本工程中，節(jié)點(diǎn)內(nèi)側(cè)噴聚胺脂同屋頂保溫層渾然成一體，節(jié)點(diǎn)外側(cè)以細(xì)石混凝土找坡，再用我段自產(chǎn)的海帕倫防水涂料刷兩遍防水，確保這個(gè)防水的薄弱環(huán)節(jié)萬無一失。（如下圖所示）

五、綜合效益分析

經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)，專業(yè)的施工，一道紅色的彩虹終于盤蜒于建筑群體之中，與周圍的綠樹灰磚相映襯，更顯出它的優(yōu)美姿態(tài)。在本工程中應(yīng)用銀河金屬屋頂帶來的綜合效益體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：

（一）用料省、造價(jià)低

金屬波紋屋蓋采用0.8～1.5mm厚鍍鋅鋼板，實(shí)現(xiàn)板架合一，無需檁條、屋架等其他承重構(gòu)件，具有自承重、自然防水的功能。盡管鍍鋅鋼板的價(jià)格較昂貴，但造價(jià)仍低于同等跨度的其他屋頂形式。以下是造價(jià)對(duì)比：

計(jì)取各種費(fèi)率后，屋頂造價(jià)為38萬元，單方造價(jià)為678元/m2。

銀河金屬屋頂加聚胺脂保溫在本工程中實(shí)際發(fā)生14.56萬元，單方造價(jià)260元/m2。

以上數(shù)字表明，采用金屬波紋屋蓋與采用傳統(tǒng)的鋼屋架、瓦屋面相比，每平米竟能節(jié)省400余元，這體現(xiàn)出了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

（二）生產(chǎn)效率高，建造周期短

屋頂成型機(jī)及自動(dòng)封邊機(jī)全部是自動(dòng)化的施工設(shè)備，專業(yè)的施工隊(duì)伍每臺(tái)班可制安800m2拱形板。本工程560m2的屋頂僅用了一天就全部制安完畢，最大限度減少了施工給人們生活帶來的不便。

（三）質(zhì)量優(yōu)，性能好

鍍鋅鋼板輕質(zhì)高強(qiáng)，耐腐蝕，屋蓋采用機(jī)械封邊連接，氣密及防水性能可靠，現(xiàn)場噴保溫材料，施工簡單。另外，由于金屬波紋屋頂自重輕，因而對(duì)下部結(jié)構(gòu)要求不高，梁柱不用設(shè)計(jì)的十分肥大。通常情況下，圈梁位于柱頂，將屋蓋的側(cè)推力及壓力傳給柱子，因?yàn)楸竟こ虨楦脑旃こ?，須保留原外墻并采取加固措施，在?gòu)造上使梁柱牢固連接，同樣能夠協(xié)調(diào)作用，整體性能更好。

（四）施工機(jī)動(dòng)、靈活

全部材料及配件隨設(shè)備安放在汽車上，可直接運(yùn)往現(xiàn)場，制作與安裝方便靈活，且不用搭設(shè)腳手架。金屬屋頂是在現(xiàn)場將鍍鋅鋼板壓制成型，卻并不需要很開闊平整的場地，就可迅速完成金屬屋頂?shù)牧魉a(chǎn)線。本工程的施工現(xiàn)場，最寬處也只有十來米，對(duì)于其他結(jié)構(gòu)的施工，可能連材料的堆放場地都不夠用，而銀河金屬屋頂就是在如此狹小的場地中一天完成了所有的工程量。

（五）造型優(yōu)美，空間開闊

金屬屋頂有艷麗的色澤，優(yōu)美的曲線，良好的裝飾性能。屋頂?shù)氖缚绫葹?.2～0.3，室內(nèi)無檁無梁，空間開闊，可利用屋頂自身的凈空來滿足建筑使用要求。考慮到房屋竣工后的商業(yè)用途，就采用了緋紅的屋頂顏色，在周圍以灰色為主色調(diào)的建筑群中，顯得光彩奪目，散發(fā)著勃勃生機(jī)。房屋的跨度依舊是14米，那么屋頂矢高為3米，室內(nèi)凈高就達(dá)到了6米左右，形成了開闊明亮的空間，創(chuàng)造了一個(gè)良好的購物環(huán)境。

六、金屬拱形波紋屋頂?shù)耐茝V應(yīng)用

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展和鋼產(chǎn)量的迅速增加，輕型鋼結(jié)構(gòu)得到了前所未有的發(fā)展。與傳統(tǒng)的磚木、混凝土結(jié)構(gòu)相比，輕型鋼結(jié)構(gòu)以其輕型、高強(qiáng)、施工快速、造型優(yōu)美等特點(diǎn)受到建筑界的青睞。

金屬拱形波紋屋頂?shù)膽?yīng)用絕不僅限于改造工程，它已廣泛地被工業(yè)廠房、倉庫、車庫、商場、餐廳、禮堂等建筑領(lǐng)域所采納，如北京市大旺食品有限公司食品生產(chǎn)車間、北京圖書發(fā)行部、國家糧食儲(chǔ)備庫網(wǎng)球館等均采用了這種屋頂結(jié)構(gòu)，放眼全國范圍，金屬拱形波紋屋頂業(yè)已走入了許多大、中、小城市。

在實(shí)際工程中，根據(jù)工程規(guī)模大小和使用要求的不同，這些屋頂結(jié)構(gòu)有單跨、雙跨和多跨以及不等高跨多種形式。雖然，單一曲率的圓弧拱，限制了這種結(jié)構(gòu)的建筑造型，但這并不意味著建筑師們?cè)谶@種結(jié)構(gòu)上沒有文章可做，實(shí)際上通過不同矢跨比、不同色彩的搭配，以及屋頂采光帶和下部門窗的巧妙布置，一樣可以具有豐富多彩的建筑造型，更加拓寬了它的應(yīng)用范圍。

通過金屬拱形波紋屋頂在本工程中的應(yīng)用，能看到它在各領(lǐng)域的廣泛推廣和其中所蘊(yùn)藏的巨大的經(jīng)濟(jì)效益。由于此種結(jié)構(gòu)從國外引進(jìn)時(shí)間較短，目前我國還沒有這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及施工規(guī)程，但它所具有的應(yīng)用范圍廣、使用壽命長等卓越優(yōu)點(diǎn)，能迎合現(xiàn)代社會(huì)快速、高效的發(fā)展要求，將會(huì)越來越受到人們的喜愛。相信不久的將來，這種結(jié)構(gòu)會(huì)有完善的理論分析和；實(shí)驗(yàn)研究，在建筑市場上將具有強(qiáng)大的生命力和光明的應(yīng)用前景。

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作者簡介：

宋萌，女，漢族，北京海淀區(qū)人，中國礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院06級(jí)土木工程專業(yè)，工業(yè)與民用建筑方向；鄭必杰，漢族，福建福州市人，中國礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院06級(jí)土木工程專業(yè)，礦山建設(shè)與地下工程方向；劉彬，男，漢族，四川自貢市人，中國礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院06級(jí)土木工程專業(yè)，礦山建設(shè)與地下工程方向。