欢迎您来到成都瑞兰斯建材有限公司

公司新闻行业动态

金属屋面的系统设计要注意哪些问题

来源:未知| 发布时间:2019-01-16| 浏览数:载入中...


建筑屋面系统依所使用的材料分为金属面和非金属面的两类。结合工程中发生的质量问题,从设计角度分析了产生问题的原因,应着重考虑其安全性、功能性、建筑形象以及绿色环保等方面的要求,供设计和施工方参考。

1 建筑围护系统

围护系统对建筑物而言是其核心组成部分,而建筑物的结构部分则是为了围护系统的建立而设置的,即结构部分是围护系统的骨架。

1.1 功能要求

建筑包含的要素除应兼备实用、坚固、美观的特点外,还应考虑绿色节能环保的要求。所以,建筑或围护系统应涵盖下述4个要素:建筑功能、建筑技术、建筑形象和绿色环保。

1.2 系统分类

根据使用位置分:屋面系统(含吊顶)、墙面系统(含隔墙、门、窗)、楼面系统、地面系统、屋墙一体化系统等。

1.3 系统设计考虑的因素

围护系统设计时要考虑的因素有:安全性(结构及其承载力、构造,防火、防水、防雷、热胀冷缩、细节设计、附属装置等);功能性(热工性能、声学性能、冷凝水控制——防结露等);建筑形象(外观装饰性、耐久性、自洁性、板材成型性等);绿色环保(经济性、回收利用、绿色节能、无污染等)。

以上4个要素设计时应予综合考虑,对于建筑而言首先考虑的是安全性的问题。下面将针对金属屋面围护系统,逐一分析4要素中重点注意事项,供同行在系统设计、施工、验收时参考。

2 安全性因素


2.1 结构因素

结构因素主要指金属屋面系统的受力特性,即受压承载力和抗风拔力。屋面板的受压承载力根据其截面很容易计算得出,但此承载力不是屋面系统的受压承载力。屋面系统的受压承载力,还应考虑屋面板固定支撑连接点的强度和系统稳定性等因素。屋面系统的抗风能力受屋面板、固定支撑连接点(支架、螺钉连接)、咬合连接等情况的影响,目前一般靠实验测定,测定的方式主要有以下几种:①动态的模拟风荷载往复运动试验;②风载静压的静态试验;③固定系统试验,即将屋面系统单个固定系统进行拉力检测。动态试验数据准确,但测试复杂、试验用数据采集困难且成本较高,目前应用较少;静态试验较为简单、成本相对低,应用较多;固定系统试验实验方式较简单、成本低,但处于刚起步阶段,实验数据尚需论证。各种实验数据在设计选用时,应作折减。

2.2 构造因素

主要指屋面板的连接形式、防水构造等。

2.2.1 按固定形式分的连接形式

有螺钉、暗扣式及支架咬合式3种。

最早出现的为普通锁螺钉固定屋面,屋面板采用螺钉直接穿透板材与结构连接固定。此做法受力明确、连接安全可靠、稳定性能好,且产生蒙皮效应,但螺钉穿透板材,由于屋面系统热胀冷缩、屋面动荷载等作用和螺钉连接处存在电化学腐蚀等原因,极易造成钢板扩孔、螺钉断裂、螺钉锈蚀等现象。此种固定形式适用于简单、临时性和要求不高的中小跨度屋面。

后期出现了螺钉不外露的暗扣板,通过设置扣件将螺钉隐藏在屋面板内部,板材通过扣件与结构连接,解决了螺钉穿透板材的负面影响。但此种固定方式,对基板的强度有一定要求,板材的抗风能力取决于屋面板的扣合力;另外,此类暗扣系统需要考虑屋面系统滑移的问题,以解决扣件与屋面板的磨损。

目前较多采用的是支架咬合的屋面系统。屋面板与支架咬合,支架通过螺钉与结构连接。此系统因支架与屋面板咬合在一起,在解决了以上问题的基础上降低了对屋面板基板的强度要求,从而确保了屋面板的经济性。

2.2.2 按接口形式分的连接形式

有搭接、扣合及咬边锁缝式3种。

最早出现的是搭接防水的板材,这种板材连接简单、施工方便。此种板型波峰高度一般在38mm以内,结构防水高度有限,尤其在跨中位置由于没有任何连接措施,屋面板跨中会产生挠度变形,搭接处产生缝隙,在风力作用下易产生漏水或风噪的现象;而且屋面板仅采用搭接构造,板材承载能力受到一定影响,因此此种板型承载能力有限。在防腐蚀方面:因板材边部裸露在外侧,缺少防护,且在边部搭接处会长期存在雨水,极易形成电化学腐蚀现象,使得边部较先受到腐蚀从而影响其使用寿命。

后期出现了扣合式连接方式。此类板型施工时暗扣件需要预先安装,测量、控制、放线、施工是关键,同时应防止接口处毛细渗漏和电化学腐蚀现象。

目前应用较多的板型为咬边锁缝板型,这种板型板材子口、母口与支架咬合进行固定,通过咬合连接边部强度显著增强,板材的承载能力也得到可靠提升。因采用优于铁桶的咬合方式(760、角弛Ⅱ820板型除外),接口处气密性良好,防水效果优异,而且钢板边部卷在锁缝内部不外露,因此板材边部腐蚀现象得到解决。目前此类系统应用较多。

2.2.3 按滑移方式分的连接形式

有无滑移、有限制滑移以及无限制滑移3种。

最早的屋面没有滑移功能,例如760、角弛Ⅱ820板型屋面等,板材采用固定支架固定,以解决螺钉处漏水和螺钉外露腐蚀问题。但由于支架没有滑移功能,支架由于屋面系统热胀冷缩而产生约束反力,从而导致支架固定螺钉与檩条的连接强度下降、脱离连接,甚至断裂,所以应用此种板型时应慎重考虑滑移问题,尽量不要应用在大跨度屋面上。

后期出现的板型为有限制滑移的板型。此类板型支架分成两部分,一部分是与板材连接的勾片部分,与屋面板咬合固定;另一部分为与檩条连接的固定支座部分,支座通过螺钉固定到檩条上;连接勾片与支座系通过设置滑移槽进行连接,勾片在滑移槽内可沿板材纵向有限制地滑移,而在屋面法线方向可很好地受力。此类板型应用时需注意:一方面因为支架滑移量有限,因此在使用时应充分验证滑移量是否满足工程需要,或采取适当构造措施避免支架产生过大滑移量;另一方面要验证勾片与支座的连接强度是否满足工程抗风要求。

随着现在大跨度屋面的应用和屋面材料的发展,对金属屋面的滑移提出了更高的要求。例如铝合金的线膨胀系数是钢板的2倍,因此必须在保证屋面连接力的情况下设置可靠的滑移连接。铝合金屋面在保证一定承载力的前提下,可将锁缝做成滑移槽的形式,从而实现无滑移限制的连接,屋面板有多长滑移槽就有多长。

在设计滑移式屋面过程中还应注意:①因金属屋面实现了滑移功能,因此结构设计时不能考虑蒙皮效应;②为确保屋面系统的正常滑移,屋面板只能采用一个固定点。一般情况下可采用屋脊固定檐口滑移,也可檐口固定屋脊滑移;对于屋面、墙面一体式系统,固定点应选择在不易滑移处;对于有洞口的屋面,为确保洞口固定可靠性,可采用洞口固定、其他位置滑移;对于较长屋面或拱形屋面,可采取中间固定两端滑移来降低伸缩量的产生。屋面固定点选择时,应根据屋面纵向有效分力大小进行设计与计算,从而确保屋面连接的可靠性。

2.2.4 按锁缝角度分的连接形式

有180°、360°以及540°3种。

锁缝板型设计时,一般子母口会预先采用板材压型机组成型部分角度,板材安装至屋面后现场再用机组进行锁缝。由于预成型角度和形状有所不同,板材的安装过程、抗风能力也有所区别,有些板型具有自锁功能,施工过程中基本不需要考虑抗风,可在板材安装完成后再进行锁缝;但有些板型需要边按、边锁,以确保不被风掀翻,且施工技术要求较高,施工周期长及成本高。因此,如何选择工艺合理、施工便捷和具有自锁功能强(抗风能力强)的板型,以合理规避风险,是设计中必须考虑的问题。

最早出现的板型以760、角弛Ⅱ820为代表,此种板型锁缝没有充分锁紧,因此承载、抗风及防水能力有限,而且由于板材边部裸露在外侧,易受腐蚀而影响使用寿命。目前,此类板型已应用较少。

目前屋面板较多采用的还是360°锁缝。这种板型分成两类:一类是最终成型后母口360°、子口180°锁缝;另一种最终成型后,子、母口均为360°锁缝。前者因子口锁缝角度达不到360°,所以此种板型不属于360°锁缝范畴;后者子、母口锁缝角度均能达到360°,因此此种板型的承载、抗风和防水能力较好。

目前市场上还有一种540°多重多道锁缝板型。此种板型子口采用2个加强折边,锁缝后为360°锁缝;母口采用3个加强折边,锁缝后为540°锁缝,通过多重多道锁缝使板材与勾片连接更为紧密,从而使此种板型具有较大的抗风能力。此种板型施工过程中也基本不需要考虑抗风作用,而且由于子、母口截面抵抗距大,施工方便易于扣合,从而利于提高施工效率和保证锁缝的成型性。

2.3 防水因素

屋面系统的防水能力,取决于屋面系统的排水能力和屋面系统的自防水性能。排水能力,主要受屋面坡度大小和屋面板波峰高度的影响;屋面系统自防水性能,主要考虑的因素有屋面板的连接形式、配套系统收边的处理方式等。

2.3.1 屋面排水

屋面雨水排水系统应迅速、及时地将屋面雨水排出屋面。为保证雨水的迅速排放,屋面排水坡度一般情况下不宜低于5%;屋面板板型波峰高度的选用,应根据工程所在地降雨强度进行屋面板板型排水能力的验算,验算目前主要采用曼宁公式进行。

2.3.2 屋面板连接形式

屋面板连接形式将直接影响屋面的防水效果。不采用锁缝形式的板型和锁缝不具备水面漫过波峰防水的板型,主要依靠波峰高度进行结构性防水,因此防水能力有限;锁缝具备水面漫过波峰防水的板型,防水能力主要受气密性影响,而气密性又主要受折边数量、角度、是否内置密封胶的影响。我们在设计屋面时,应根据工程需要合理选择经济的板型。

2.3.3 收边配套系统

收边配套系统主要受配套系统完善程度和形式的影响,需要考虑的是:①在防水上,应以导水为主,堵为辅;②在屋脊、檐口、洞口等节点处,采用不同类型的堵头防水效果亦有所不同,一般情况下采用刚性堵头的防水效果优于采用弹性材料(堵头连接时,结合面需压胶);③在采光板连接处因屋面板、采光板均为薄板,在采光板搭接、采光板与屋面板搭接或屋面板端部位置,为保证连接强度,应采用刚性压条与加强背板、加强屋面板或采光板进行连接固定。为保证气密性,在压条与屋面板之间需添加密封胶进行密封;④收边系统、天沟等系统设计时,还应考虑配合屋面的滑移构造,以保证屋面系统的整体防水性能;⑤密封胶的密封防水设计时,应优先采用夹胶方式进行密封,尽量减少用密封胶进行添堵的方式防水,并且应用时尽量减小胶面与钢板接触面的角度,从而保证密封效果和使用年限;⑥为保证排水系统的排水能力,在天沟落水口位置宜设置积水井或采用虹吸落水口;⑦穿透屋面的螺钉宜在屋面非积水位置隐藏设置,或采取适当措施保证即使螺钉处产生渗漏也不会导致雨水渗漏到屋面内部,并且保证渗漏雨水顺利排出。

2.4 辅助装置因素

为保证金属屋面系统得到有效可靠的正常使用,根据建筑特点和使用环境的不同,需设置相应的附助构造措施,以保证屋面的安全性、功能性和形象要求等。常用的辅助装置有:挡雪、融雪、防风、防雷以及检修装置等。

2.4.1 挡雪装置

挡雪装置一般应用于有积雪的地区,挡雪装置需解决以下问题:①屋面积雪滑落导致的屋面雪荷载过度集中,从而影响结构的安全;②积雪覆盖波峰或滑落至天沟时,导致金属屋面产生的毛细渗漏现象;③积雪滑落至天沟堵塞天沟和落水口,影响排水;④积雪从檐口滑落,导致的安全隐患。

挡雪装置一般设置在檐口位置,在屋面上需要根据雪荷载和坡度情况合理分布。挡雪装置的受力,依据雪荷载沿屋面排水方向的有效分力进行设计计算。

2.4.2 融雪装置

融雪装置是使积留在屋面檐口、天沟、落水管内的冰雪能顺利融化排出,从而保证排水系统的通畅。现在北方地区大部分冰雪都积留在天沟内,因天沟处受女儿墙和结冰影响,积雪融化速度远远低于屋面板上的冰雪,当屋面冰雪融化时天沟的冰雪还来不及融化,水在向天沟流动的过程中还来不及排出,就因温度下降而重新结冰,从而导致檐口处或天沟处结冰越来越深。如此几个往复后,积雪越来越厚,甚至积满天沟或落水管,从而导致檐口位置产生渗漏现象。通过在檐口、天沟、落水管内设置自动加热融雪装置,使冰雪能顺利转化为水排出屋面,就可避免屋面较长时间存在积雪荷载和解决荷载集中、渗漏、落水管冻裂问题。

2.4.3 防风装置

防风装置主要是针对部分建筑物屋面系统本身抗风能力不能满足工程需要,或为了抗风有保障而设置的,通过它来增强屋面系统的抗风能力。防风装置一般靠夹具配合刚性组合杆件进行加强。

2.4.4 防雷装置

金属屋面防雷装置系统是依据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》 5.2.7条有关规定设置的。对于金属屋面来讲,它既可作为接闪器使用,亦可通过与钢结构可靠连接,进行接地处理。

2.4.5 检修装置

在屋面使用过程中,为屋面保养、检修、其他项目施工等作业时提供安全性保障。它可解决在冬季或雨雪天气人员在屋面行走存在的重大安全隐患,并可避免屋面作业时所造成的屋面破坏。


3 功能性因素


功能性因素主要控制项是系统的保温隔热性能和防冷凝水现象(或称防结露现象)。

系统的保温隔热性能受热量传递的影响。影响热量传递主要有3个因素:辐射热传导、传导热传导、对流热传导。这三者在热量传递过程中相辅相成共同存在,其中辐射热传导占总热量传递的75%,传导热与对流热占25%。对于金属屋面而言,最先接触热量的是屋面外板。屋面外板或装饰层在太阳或其他热源作用下,通过热辐射、热传导和空气对流吸收热量,吸收的热量将传递至保温层,因此屋面面层的热量接收能力将直接影响屋面的保温性能,属于屋面的第一道防护屏障;通过第一道屏障后屋面板具有一定的热能从而成为二次热源,此热源再次依据前述3个途径穿透保温层向屋面内侧传递热量。由于保温层采用了高效的保温材料,因此在此过程中由于热阻值最大,传递热量较少;通过保温层传递的热能虽然已受到很大的损失,但是它还会继续向屋面内部传导,并通过内层屋面进而影响室内使用空间的温度。

因此,影响屋面系统保温隔热性能的主要因素为:系统热辐射反射能力、保温材料及保温构造措施等。

3.1 屋面系统热辐射反射能力

其大小主要取决于面材漆层的颜色和种类。

漆层颜色:在漆层种类相同的前提下,深色系的表面较浅色表面更易吸收辐射热,故在屋面面层选择上宜尽量选择浅色系的。在浅色系表面中以银色类、镀铝锌光板和镀锌板防辐射效果好,太阳辐射吸收系数为0.2~0.25左右,深色系的则为0.88~0.92左右。但是在选择浅色系时,应解决光污染问题。

面材种类:随着工程对保温要求的提高,在维持原有建筑颜色效果不变的前提下不能采用浅色系表面时,宜选用具有防辐射热功能的漆层板材。

3.2 保温材料

现在屋面系统应用的高效保温材料:有EPS、XPS、PU、PIR、岩棉、玻璃棉等多种,不同材料保温隔热性能亦有所不同。在选择保温材料时,应尽量选用防火等级高的材料。

3.3 保温构造措施

主要在以下几个方面提出要求:保温材料间的连接方式、隔汽层的连接方式、保温层空间厚度等。

3.3.1 保温材料间的连接方式

受加工制造、运输等因素影响,保温材料一般做成带形或板形,在施工时保温材料相互之间不可避免的存在交接。交接接缝的处理方式,将直接影响系统的保温性能。如果缝隙过大、过多,就会在缝隙处造成屋面较大的热量损失,所以必须采取措施,以减少热桥现象的影响。对此,目前做法主要有3种:一是采用直接对接的方式铺设,此方式热桥最多、最大;二是采用搭接的方式铺设,一般棉毡长度方向较易形成搭接,而宽度方向极少做搭接,此方式对屋面保温的贡献不大,除非宽度方向也做搭接;三是将保温材料做成两层,错缝铺设,此方式在实际工程中应用最多,对于弱化热桥现象有较大的作用。在屋面应用中应当注意:保温材料的铺设一般能够很好地起到保温隔热作用,但若保温层下方悬空,因而在保温材料接缝处很难不留缝隙,尤其是棉毡类保温材料,在玻璃丝棉两边缘交接处会形成较大空隙,空气较易产生对流从而导致保温效果降低。因此,对于保温隔热要求较高的建筑,建议采用复合类板材。

3.3.2 隔汽层连接方式

保温棉贴面主要有两个作用,一是防止室内水蒸气进入保温棉,二是增加保温层的气密性,提高保温效果。因贴面宽度有限,在应用时需注意宽度方向和长度方向的搭接密封。若直接将贴面翻起采用订书钉固定,保温棉被隔开,接缝处将存在热桥现象,且气密性不好,易聚集灰尘,严重影响装饰性。适合的做法为:单独铺设隔汽层,隔汽层直接采用粘接密封固定,搭接量不宜少于150mm;在隔汽层上方连续铺设保温层(保温棉接缝避开隔汽层接缝至少150mm,且不低于保温层厚度的1.5倍)。

3.3.3 保温层空间厚度

保温层空间厚度是保证保温效果的充分必要条件。一方面若保温层厚度较保温层空间厚度小,这就会形成一部分空气层,保温棉在内部很难做到搭接密封或保证错缝搭接质量,其两侧空气在内部很容易形成对流,从而对保温隔热不利,并且由于屋面外层与保温层间具有一定空间,在潮湿空气进入内部时较易形成结露现象;另一方面若保温层厚度较保温层空间厚度大,这就使保温层受到空间约束而被压缩,保温效果亦将显著降低。合理的设计应根据保温层厚度,合理地设计保温层空间厚度,通过设计衬檩的方式来解决厚度匹配问题,并在檩条上方保温棉被压缩位置设置高性能的隔热垫,隔热垫位置热阻要求与周边相同,以解决热桥现象。

3.3.4 实例计算

已知:某项目设计采用100mm厚16kg/m2玻璃丝棉,玻璃丝棉纤维直径为6μm,保温层空间厚度为50mm,计算压缩前后保温棉的传热系数。

解:依据玻璃丝棉密度与导热系数曲线查得16kg/m2玻璃丝棉的导热系数为0.0422;压缩后玻璃丝棉容重为32kg/m2,导热系数为0.388。

100mm厚16kg/m2玻璃丝棉的传热系数及热阻:传热系数0.0422÷0.1=0.422W/(m2·K),热阻1÷0.422=2.37(m2·K)/W;50mm厚32kg/m2玻璃丝棉的传热系数及热阻:传热系数0.0388÷0.05=0.776W/(m2·K),热阻1÷0.776=1.29(m2·K)/W。两者比较:传热系数(0.776-0.442)÷0.442×100%=84%,热阻(2.37-1.29)÷2.37×100%=46%。

结论:通过计算当把100mm厚16kg/m2保温棉厚度压缩一半时,其传热量增加84%,热阻减少了46%,因此压缩后保温棉隔热性能降低了46%。

4 建筑形象因素



建筑形象方面的因素主要是指屋面的外观装饰性、板材成型性、耐久性、自清洁性等。

4.1 外观装饰性

主要考察的是建筑造型、板型、颜色的搭配使用。在造型或板型搭配使用过程中势必要进行交接处理,交接处理首要任务是解决防水问题,其次才是美观问题。颜色搭配方面除了采用正常的颜色搭配外,也可采用同种颜色不同方位的排列,通过视觉效应实现两种颜色的效果。

4.2 板材成型性

这方面应根据板材物理特性进行合理设计。例如,现在采用的铝镁锰合金板材其物理性能较普通彩钢板有较大的差异。在应用中,尤其要考虑强度、伸长率、膨胀系数、热导率这几个参数。

在强度上,因铝镁锰板强度不高,因此较易成型;但是在应用中还应注意强度计算是否满足设计要求,重点是要验证板材承载能力、抗风能力和连接系统的受力。在伸长率方面,铝合金板添加合金元素后对伸长率的影响较小,某些板材成型时基材容易产生裂纹甚至断裂等问题,从而导致受力发生变化产生安全隐患,因此应用前必须进行可靠性验证。在线膨胀系数方面,铝合金板的是彩钢板的两倍,因此在使用过程中更应注意它的热胀冷缩问题(含板材和收边等配套系统的热胀冷缩)。如果板的热胀冷缩得不到释放,必然产生内应力,导致板面或收边产生变形,影响建筑外观甚至产生安全隐患。在热导率方面,铝合金板由于具有优良的导热性能,大约是钢材的4倍,因此可以使冬季屋面积雪较快地融化,从而降低屋面荷载和防水要求。

4.3 材料耐久性

板材耐久性因不同的材料、镀层、涂层以及建筑的使用年限就有所不同。在镀层选择上,可参见GB/T 12754—2006《彩色涂层钢板及钢带》进行。

5 环保因素



绿色环保所要考虑的因素是经济性、回收利用、绿色节能、无污染等。在屋面系统的整个生命周期,前期投资建设时就应该考虑后期使用过程中的使用费、维护保养费、对环境的价值、回收利用等因素。

5.1 使用费

使用费主要受功能性热工性能的影响。首先了解建筑外层太阳辐射热吸收热量的大小,选择太阳辐射吸收系数小的面层;其次是由建筑保温隔热效果所决定的。保温隔热效果好室内制冷或制热量相对要求较低,利于节能。在保温隔热性能上相对单一的材料较易达到要求,但对建筑而言主要体现在细节处理方面,若细节处理不当,在屋脊、檐口、山墙、转角、板底、门窗洞口甚至地面等处都会出现较多热桥,降低整体屋面系统的热工性能。目前,一般工业建筑对保温隔热的要求相对较低;而对于保温隔热要求严格的工业建筑、公共设施及民用建筑,在设计和施工时尤其要注意上述细节。

5.2 维护保养费

主要是指使用过程中的建筑维修、日常保养等方面的费用。建筑维修主要是建设完成后,因部分位置不能够达到原设计寿命周期或部分位置因设计、施工等不合理而导致的返修费用。

5.3 环境价值

在环境价值方面,要考虑对屋面系统进行资源开发利用,例如安装太阳能、雨水回收设施等;另外,还要尽量选用强度高、质量轻的材料,从而实现资源最大化利用的目的。在材料选择上,还应该选用对人体无害、对环境无污染的材料。

5.4 材料的回收利用

在这方面,应尽量选用回收利用率较高的产品。例如:彩色涂层钢板由于厚度较薄,一旦受到腐蚀,回收利用率较低且回收成本较高;而耐腐蚀性能较好的铝镁锰合金材料、钛锌板、铜板、不锈钢板,由于在使用过程中板材较少受腐蚀,因此具有较高的资源回收利用率。




YE+vI58e9slnkFtuq1mDPGMiKB7hzcS/ukcnikRXzvTx4c8uDLMG5g65HL2EhpA1IRLLeaqZqDQhH2N6wucOmU1w63k7v4+E82C5rvJ34fBXzQOWP37daQ==