機(jī)場航站樓金屬板屋面系統(tǒng)的應(yīng)用研究

田 韌

（中國民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)公司， 北京 100621）

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，各地的機(jī)場建設(shè)也得到了持續(xù)發(fā)展。機(jī)場航站樓作為一個城市對外的窗口，其造型設(shè)計往往各具特點(diǎn)，體現(xiàn)了獨(dú)特的地域和文化特征，從而成為地方標(biāo)志性的建筑。在航站樓的造型設(shè)計中，屋面的形態(tài)和造型是最為關(guān)鍵的因素。金屬板屋面系統(tǒng)由于其重量輕、可塑性好、整體結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，在各地的機(jī)場航站樓建設(shè)項(xiàng)目中，得到了廣泛的應(yīng)用。航站樓的屋面設(shè)計和施工相對復(fù)雜，難度很大，要求也很高，需要根據(jù)使用功能的要求，綜合考慮建筑造型、主結(jié)構(gòu)選型、工程造價等因素，合理選擇屋面系統(tǒng)的材料和結(jié)構(gòu)形式，以達(dá)成最佳的建造效果。

1 金屬板屋面系統(tǒng)在機(jī)場航站樓中的應(yīng)用現(xiàn)狀

金屬屋面所用到材料及形式多種多樣，包括鍍鋅鋼板、鍍鋁鋅鋼板、鋁板、不銹鋼板、鈦鋅板、銅板等；形式有搭接、插接、鎖邊、摺邊；板型有高肋、矮肋；構(gòu)造有單板、復(fù)合板等等。20世紀(jì)八九十年代金屬屋面在國內(nèi)開始應(yīng)用，其形式及構(gòu)造均較為簡單，一般采用低成本的單層彩鋼板、彩鋼保溫復(fù)合板等，常采用波峰緊固件連接或咬邊連接的搭接式構(gòu)造。作為鋼結(jié)構(gòu)的附屬產(chǎn)品，當(dāng)時使用的金屬屋面尚沒有形成獨(dú)立的系統(tǒng)，其主要用于工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)的屋面，公共建筑偶有涉及，實(shí)際的應(yīng)用案例不多。

20世紀(jì)末，歐洲發(fā)明的“鋁鎂錳直立鎖邊屋面系統(tǒng)”（見圖1所示）進(jìn)入中國市場，此系統(tǒng)絕大多數(shù)采用了鋁板這一相對耐腐蝕、易加工的材料。同時該系統(tǒng)還具備施工方便快捷，熱變形適應(yīng)性強(qiáng)、板材自身強(qiáng)度高，板材可超長加工并避免了長向搭接，對建筑多樣化造型有一定的適應(yīng)能力等等優(yōu)點(diǎn)，迅速得到了建筑業(yè)界及建筑業(yè)主的認(rèn)可。特別是借助北京奧運(yùn)會申辦成功，全國大量建設(shè)機(jī)場、體育館等公共建筑的契機(jī)，得到了廣泛的應(yīng)用（見圖2所示），例如北京首都機(jī)場T3航站樓、武漢機(jī)場T2航站樓等，成為了目前市場上主流產(chǎn)品。

圖1 直立鎖邊系統(tǒng)構(gòu)造示意

圖2 直立鎖邊系統(tǒng)應(yīng)用案例

隨著廣泛的應(yīng)用和技術(shù)的進(jìn)步，金屬屋面越來越系統(tǒng)化，形成了獨(dú)立于主結(jié)構(gòu)體系的專門系統(tǒng)。各種新材料、新產(chǎn)品、新技術(shù)不斷研究開發(fā)，并得到了推廣應(yīng)用，例如連續(xù)焊接式不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)等。

2 航站樓金屬板屋面系統(tǒng)在應(yīng)用中存在的問題及成因分析

基于飛行凈空安全、噪音影響、城市發(fā)展規(guī)劃等多方面的因素，機(jī)場的選址會與城市的主要區(qū)域保有一定的距離。機(jī)場的位置往往位于城市郊區(qū)，周邊環(huán)境空曠，根據(jù)不同地區(qū)的特殊情況，削山填海建設(shè)機(jī)場的案例也不鮮見。這就決定了機(jī)場航站樓相較于一般的城市公共建筑，在設(shè)計和建造中要更為充分地考慮周邊環(huán)境的影響。尤其是航站樓屋面的設(shè)計，要充分考慮大風(fēng)、暴雨、暴雪等不良天氣，以及腐蝕、晝夜溫差等環(huán)境因素對建筑本身產(chǎn)生的威脅。事實(shí)上，近年來航站樓通常使用的直立鎖邊金屬屋面在使用中出現(xiàn)的種種問題已經(jīng)頻頻出現(xiàn)，其問題與成因主要有以下幾點(diǎn)[1]。

2.1 復(fù)雜的屋面造型處理

為體現(xiàn)建筑的標(biāo)志性，目前國內(nèi)新建的航站樓造型都力求新穎獨(dú)特，建筑屋面往往采用三維設(shè)計輔助軟件建模生成的非線性形狀，造型復(fù)雜。這為金屬屋面的深化設(shè)計、生產(chǎn)制作、安裝施工，以及建成后的維護(hù)保養(yǎng)都造成了較大的難度。鋁鎂錳屋面雖然具備良好的材料可塑性，能夠較好地適應(yīng)復(fù)雜的建筑造型。但是，由于其直立鎖邊的板面銜接構(gòu)造的形式特點(diǎn)，在局部或小面積彎曲時，仍然具有一定的處理難度，需要嚴(yán)格把控施工安裝的過程，必要時還需要采取局部加強(qiáng)措施。

從另一方面來說，獨(dú)特新穎的建筑造型是建筑設(shè)計方案得以成功中標(biāo)并付諸實(shí)施必不可少的前提條件。因此，需要對航站樓的屋面設(shè)計作為一個重點(diǎn)的專項(xiàng)進(jìn)行嚴(yán)格審查。建筑設(shè)計師應(yīng)充分考慮屋面設(shè)計的可實(shí)施性和經(jīng)濟(jì)性，對屋面的構(gòu)造搭接和施工提出切實(shí)可行的方案，而不是僅僅畫出意向中的形狀，將具體如何實(shí)現(xiàn)完全推給屋面廠家去解決。

2.2 屋面的抗風(fēng)揭能力不足

近年來，機(jī)場航站樓屋面受大風(fēng)掀開的事故時有發(fā)生，有的航站樓甚至出現(xiàn)連續(xù)多次屋面被風(fēng)掀起的情況，從而造成不良的社會影響。這一方面是由于受全球氣候變化的影響，強(qiáng)臺風(fēng)、強(qiáng)季候風(fēng)等極端惡劣天氣頻頻出現(xiàn)，風(fēng)災(zāi)現(xiàn)場瞬時風(fēng)壓或局部風(fēng)壓超出屋面設(shè)計的抗風(fēng)等級，從而導(dǎo)致屋面破壞。另一方面，也存在屋面設(shè)計、材料選用、構(gòu)造工藝等各方面的影響因素，其主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

1）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系不完善。目前國內(nèi)關(guān)于金屬屋面系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計的理論研究還不成熟，在相關(guān)設(shè)計規(guī)范中尚沒有專門針對輕型屋面系統(tǒng)抗風(fēng)連接計算承載力等指標(biāo)方法。影響建筑風(fēng)荷載設(shè)計的因素很多，如氣候條件、抗風(fēng)等級、陣風(fēng)系數(shù)、地面粗糙度、建筑高度、體形系數(shù)、屋面坡度、周圍環(huán)境影響、設(shè)計安全系數(shù)取值等。我國現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范僅僅列出了風(fēng)荷載的取值，但缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論作為支撐。此外，雖然很少出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)破壞航站樓主體結(jié)構(gòu)的情況，但建筑局部表面裝飾物或是局部屋面被吹落掀開的案例卻時有發(fā)生。目前金屬屋面的結(jié)構(gòu)計算往往著重于其與主體結(jié)構(gòu)的銜接等方面，而對上層屋面板與固定座之間的咬合破壞缺少研究。直立鎖邊是通過屋面板之間、屋面板與固定支座之間的相互咬合來進(jìn)行連接，其抗彎和抗剪的承載力是通過摩擦力來傳遞，對其在風(fēng)吸力作用下的傳力機(jī)制，目前尚無成熟的理論可參考。

2）設(shè)計、生產(chǎn)、施工缺乏銜接。目前設(shè)計院比較注重于航站樓主體結(jié)構(gòu)設(shè)計，金屬屋面系統(tǒng)的構(gòu)造往往需要廠家進(jìn)行二次深化設(shè)計，設(shè)計院僅對屋面系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核。對于下一步承擔(dān)施工的總包單位來說，其一般也不具備金屬屋面系統(tǒng)進(jìn)行把控協(xié)調(diào)的專業(yè)技術(shù)實(shí)力，導(dǎo)致深化設(shè)計考慮不周，施工時的技術(shù)監(jiān)督欠缺，從而埋下屋面系統(tǒng)被風(fēng)力破壞的事故隱患。

3）直立鎖邊屋面系統(tǒng)構(gòu)造自身的抗風(fēng)能力缺陷。直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)的上層屋面板之間的連接是靠板與板、板和屋面固定支座相互咬合。其形成風(fēng)揭破壞的原理如圖3所示。

通過圖3可看出，直立鎖邊屋面板面在負(fù)風(fēng)壓作用下容易發(fā)生較大變形，進(jìn)而對鎖邊產(chǎn)生拉扯作用造成松脫，從而導(dǎo)致屋面板與固定座脫離。此外，屋面的風(fēng)揭破壞經(jīng)常是從局部的某個薄弱點(diǎn)開始，例如在建筑檐口天溝交接處，此處位于建筑角區(qū)，收到的風(fēng)荷載往往比其他區(qū)域要大得多。但是直立鎖邊的構(gòu)造特性決定了在此處屋面板只能通過咬合在固定支座上，然后與檁條通過螺栓連接。為起到擋水的作用，屋面板局部需要懸挑進(jìn)入天溝（見下頁圖4所示）。在強(qiáng)風(fēng)荷載作用時，此處的螺栓極易受拔脫落，屋面受損。而一旦某處屋面板邊緣掀起后，隨著大風(fēng)的灌入，會產(chǎn)生“吹氣球”的現(xiàn)象，導(dǎo)致周邊大面積的屋面被掀開。

圖3 直立鎖邊屋面風(fēng)揭原理圖

2.3 屋面防滲漏的難題

直立鎖邊屋面在屋面板之間通過咬合連接，雖然一般會在屋面板下方輻射防水卷材或防水透氣膜，但在防水原理上仍是以排水屋面為主，屋面下部仍然是非密閉空間，系統(tǒng)本身的自防水能力不足。薄弱部分較多，滲漏點(diǎn)難以控制。在實(shí)際的應(yīng)用中，直立鎖邊金屬屋面易產(chǎn)生滲漏的部位與滲漏產(chǎn)生原因主要有以下幾點(diǎn)。

1）天窗、墻面與屋面連接處：滲漏主要體現(xiàn)在天窗、墻面與屋面結(jié)合處由于凸凹、轉(zhuǎn)折所引起的應(yīng)力不同步，因結(jié)構(gòu)、溫差、震動等產(chǎn)生的變形首先會影響到連接處的節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致此部位的防水做法開裂失效。

圖4 檐口天溝抗風(fēng)揭薄弱環(huán)節(jié)

2）屋面開孔部位：開孔部位如屋面上人孔，機(jī)場名稱支架等。此部位滲漏原因一般在于開孔周邊節(jié)點(diǎn)小但在局部區(qū)域較為集中，防水處理的難度較大，容易出現(xiàn)積水情況，進(jìn)而導(dǎo)致滲漏。

3）檐口、天溝部位：由于要考慮溫度變形的原因，屋面檐口及排水天溝的搭接難以形成完全密閉的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致此部位滲漏現(xiàn)象頻繁。直立鎖邊屋面產(chǎn)生漏水的原因歸根到底是由于其構(gòu)造連接方式?jīng)Q定的。因此，要從加強(qiáng)金屬屋面系統(tǒng)的自防水能力著手，對現(xiàn)有直立鎖邊金屬屋面所采取的被動式防水方式進(jìn)行整體優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)從“排水屋面”到“防水屋面”的改進(jìn)。

2.4 其他出現(xiàn)的問題

由于直立鎖邊屋面系統(tǒng)在構(gòu)造原理上無法實(shí)現(xiàn)完全密閉，一旦局部有水滲入，或者優(yōu)于晝夜溫差和空氣濕度的原因，在內(nèi)部可能會出現(xiàn)結(jié)露、結(jié)霜的現(xiàn)象（見圖5所示），長時間會導(dǎo)致面板及連接件銹蝕。此外，由于屋面板之間以及屋面板與連接件之間是依靠互相咬合產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行固定，雖然有利于適應(yīng)伸縮變形，但在板面的連接處，也容易在長時間使用后產(chǎn)生破損現(xiàn)象（見圖6所示）。

3 應(yīng)用中的改進(jìn)措施

3.1 在現(xiàn)有構(gòu)造上進(jìn)行加強(qiáng)改進(jìn)

1）在屋面周邊及薄弱區(qū)域設(shè)置檁條加密區(qū)，并在檁條間設(shè)置撐拉桿，保證檁條間相對穩(wěn)定，減少因大風(fēng)引起的檁條變形，保證屋面在風(fēng)壓作用下的結(jié)構(gòu)安全。

2）對屋面板的固定支座進(jìn)行改進(jìn)，如采用滑動支座、移動式卡件等，提高屋面板的伸縮性能和適應(yīng)變形的能力，能有效地減少因屋面板與固定件之間反復(fù)摩擦造成的損害。

3）在檐口等薄弱區(qū)域設(shè)置抗風(fēng)夾具，加強(qiáng)屋面的抗風(fēng)能力（見圖7所示）。

4）增強(qiáng)天溝、天窗等凸凹部分的防水構(gòu)造，適當(dāng)增加屋面排水天溝的數(shù)量，在天溝內(nèi)虹吸系統(tǒng)的部位增設(shè)集水井，以保證屋面的有效排水[2]。

圖5 屋面內(nèi)部結(jié)露、結(jié)霜

圖6 屋面破損

圖7 屋面抗風(fēng)夾具

3.2 加強(qiáng)施工工藝和試驗(yàn)檢測的控制

金屬屋面施工必須制定專項(xiàng)方案，遵循從整體到局部的控制原則。按照“測量定位→檁條安裝→天窗、天溝等骨架安裝→襯檁安裝→固定支座安裝→防水、保溫、隔氣等中間層鋪設(shè)→天窗、天溝、屋面板等安裝”的工藝流程進(jìn)行。關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在施工完畢后，應(yīng)保證施工和現(xiàn)場管理人員分別進(jìn)行自檢和抽檢，避免遺留隱患。大型金屬屋面板盡量采取現(xiàn)場軋板直接安裝的方式，減少屋面板的縱向搭接。金屬屋面板的長度，應(yīng)根據(jù)屋面的排水坡度、板型連接構(gòu)造、環(huán)境溫差及吊裝運(yùn)輸條件等因素綜合確定。盡量采用不穿透屋面的工藝進(jìn)行作業(yè)，穿屋面的防水節(jié)點(diǎn)要采用專用防水或異形防水。

在施工安裝前，必須要加強(qiáng)對屋面材料及施工工藝的試驗(yàn)檢測工作，例如：屋面抗風(fēng)承載力實(shí)驗(yàn)（包括靜態(tài)、動態(tài)、低風(fēng)壓區(qū)和高風(fēng)壓區(qū)）、屋面氣密/水密性能檢測實(shí)驗(yàn)、緊固構(gòu)建拉拔實(shí)驗(yàn)、保溫材料熱工性能檢測、屋面板材機(jī)械性能檢測、屋面板材防腐性能檢測、屋面防水材料性能檢測等。在安裝完成后也要進(jìn)行防水、抗風(fēng)等性能測試。

3.3 采用新型的屋面材料和構(gòu)造

直立鎖邊金屬屋面在國內(nèi)已經(jīng)應(yīng)用多年，并且?guī)缀跻呀?jīng)成為了機(jī)場航站樓屋面的唯一選擇。但通過上文對傳統(tǒng)直立鎖邊屋面系統(tǒng)特點(diǎn)的分析，不難看出，由于其本身構(gòu)造系統(tǒng)的固有特點(diǎn)，該系統(tǒng)在防風(fēng)揭、滲漏方面還存在一些問題和隱患。要徹底解決上述問題，需要從系統(tǒng)性的角度出發(fā)，整體提高金屬屋面的性能。目前，國內(nèi)已經(jīng)開始引進(jìn)以連續(xù)焊接不銹鋼為代表的新型金屬屋面系統(tǒng)，并逐漸在建筑工程中實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。

從材料上來說，不銹鋼具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，使用壽命長；鈑金、焊接等可加工性能良好；強(qiáng)度、剛度、熱膨脹系數(shù)等性能指標(biāo)也優(yōu)于鋼板、鋁板等其他金屬材料（見表1所示）。不銹鋼具有非常優(yōu)良的導(dǎo)電性和可焊接性，整個屋面的面板可以實(shí)現(xiàn)完全地焊接密封，形成整體結(jié)構(gòu)防水。

從構(gòu)造上來說，連續(xù)焊接不銹鋼屋面系統(tǒng)的原理是將不銹鋼屋面板焊接與蓋帽、連接件相互焊接，連接件固定于屋面望板，再將望板固定于檁條系統(tǒng)（見圖8所示）。此種構(gòu)造能夠使上層屋面與下層望板形成整體，將傳統(tǒng)直立鎖邊系統(tǒng)采用的“點(diǎn)支撐”方式轉(zhuǎn)換為“面支撐”，可有效地約束板底的變形，極大地增強(qiáng)了屋面的抗風(fēng)揭能力[3-4]。

表1 幾種常用屋面金屬材料的物理性能指標(biāo)比較

在所有屋面轉(zhuǎn)折、天溝、檐口、開孔等薄弱部位，將各個部位以連續(xù)焊接的方式連接，所有焊縫保持能夠保持連續(xù)，形成密閉的體系，從而保證屋面的氣密性和水密性，有效地避免滲漏、結(jié)露、結(jié)霜等危害（見圖9所示）。

目前，焊接不銹鋼屋面系統(tǒng)在日本應(yīng)用較多，如關(guān)西機(jī)場航站樓、羽田機(jī)場航站樓、沖繩機(jī)場航站樓等，國內(nèi)僅在青島新機(jī)場航站樓中剛剛完成施工。現(xiàn)階段國內(nèi)關(guān)于焊接不銹鋼屋面系統(tǒng)的相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)尚不完善，相關(guān)生產(chǎn)安裝設(shè)備、人員，以及有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計、施工管理企業(yè)仍較為缺乏，還需要在實(shí)際應(yīng)用和推廣過程中不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，逐步完善。

圖8 連續(xù)焊接不銹鋼屋面系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造

圖9 屋面天溝、開孔部位的細(xì)部處理

4 結(jié)語

隨著國內(nèi)新建機(jī)場航站樓的逐漸投入使用，金屬屋面的安全問題已經(jīng)引起了社會各界的高度重視，從系統(tǒng)性的角度提升金屬屋面的性能是預(yù)防并解決問題的關(guān)鍵。應(yīng)在對現(xiàn)有直立鎖邊屋面進(jìn)行改良和加強(qiáng)的同時，要廣泛總結(jié)和吸收國內(nèi)外的成功經(jīng)驗(yàn)，研究推廣新型材料、構(gòu)造的應(yīng)用，避免出現(xiàn)“一種系統(tǒng)打天下”的“偷懶”行為。同時，應(yīng)組織行業(yè)內(nèi)各參與方開展研究，及早制定金屬屋面系統(tǒng)工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，并建立實(shí)行金屬屋面專業(yè)設(shè)計與施工資質(zhì)等級標(biāo)準(zhǔn)。金屬屋面從設(shè)計到施工全過程也是一個整體的系統(tǒng)工程，要求設(shè)計、生產(chǎn)、施工等實(shí)施單位能夠具備把握深化設(shè)計、生產(chǎn)制造、施工安裝全過程的綜合性能力，要重視加強(qiáng)金屬屋面行業(yè)的管理，鼓勵成立具備金屬屋面設(shè)計與施工一體化資質(zhì)的企業(yè)。