超大型金属屋面板系统设计与施工

超大型金属屋面板系统设计与施工一、工程概况广州国际会议展览中心位于广州市东南部琶洲岛地区的国际博览区B块，总占地面积70万㎡，总建筑面积约50万㎡。工程分两期实施，首期总占地面积43.9万㎡，建筑面积36.78万㎡，总高度39m，南北长396m，东西长525m，建成之后将成为中国最大的国际会展、投资贸易基地，并将成为21世纪广州城市标志性建筑和旅游观光景区之一。首期工程的金属屋面板系统包括展览大厅、珠江散步道、卡车通道、东西卡车坡道、东入口及北展厅。其中展览大厅及珠江散步道屋面的做法为：主次檩条+三元乙丙聚氨酯夹心板+可滑移固定支座+360°咬合式SUS304不锈钢面板+铝夹具+SUS316冷拉毛面不锈钢装饰板；东入口的屋面做法为：檩条+360°咬合式SUS304不锈钢面板（局部夹胶玻璃采光带）+SUS316冷拉毛面不锈钢装饰板；卡车通道、东西卡车坡道、北展厅及珠江散步道的外挑部分屋面为：檩条+SUS316冷拉毛面不锈钢装饰板。在东入口屋面板下悬挂铝合金装饰百页。建筑效果图及平面布置图见图1。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion建筑效果及平面布置图二、屋面系统的设计与施工整个屋面板系统以展览大厅、珠江散步道作为设计的核心，标准节点详图见图2所示。（一）屋面围护系统的骨架——檩条本工程地处台风泛滥的华南地区，风荷载特别大。据广东省建筑科学研究院提供的《广州国际会展中心风洞动态测压试验报告》风荷载最大处可达5.45kn/㎡。如此大的风压加上下部主结构的跨度较大，最大为5m，这对于屋面檩条的PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion设计来说是一大考验。同时从建筑外观上考虑屋面围护系统的总厚度只允许最大为500mm。而屋面板的总厚度（底板、面板+装饰板的总厚度）最小为258mm，故檩条的最大允许高度为242mm。综合以上三方面，我们采取主次檩条配合使用方法。在节点处理上要求主次檩条的顶面平齐，节点示意如图3所示。这种主次檩条连接方法不仅有效地控制了檩条的总高度（实际为220mm）而且使主次檩条同时与屋面板连接，在屋面板与主次檩条间形成一个紧密的整体，有效地解决了次檩条的侧向稳定性问题，提高了屋面围护系统抗风荷能力。（二）集隔热、保温、隔音、方便施工为一体的屋面底板在有保温、隔热要求的展览大厅和珠江散步道，本工程采用三元乙丙聚氨酯夹芯板作为底板，由自动化生产线在工厂内连续式加工成形。夹芯板的构造为：压型钢板+聚氨酯+三元乙丙，与现场复合板相比，采用这种夹芯板有很多优点。首先，聚氨酯的保温隔热性能比玻璃棉好，前者的热阻率是后者的2倍，在同样满足保温隔热要求的条件下，前者保温层可以做得更薄。其次，现场复合板铺设过程中，在固定底板之后，需安装Z形檩条，一方面用来固定保温棉，另一方面用来作为面板的骨架。而采用三元乙丙聚氨酯夹芯板，则固定面板的自攻螺钉可以直接穿过夹芯板固定在檩条上，因为聚氨酯有足够的承压强度来抵抗变形。取消Z形檩条，既节省了钢材，又减轻了屋面的重量。第三，由于现场复合板的底板刚度差，在安装过程中，必须铺设木板等施工通道来减少底板的变形。而三元乙丙聚氨酯夹芯板具有足够的刚度来抵抗施工荷载。第四，夹芯板的面层采用三元乙丙防水卷材，使之与不锈钢面板组成了两道防水。第五，现场复合板施工工序多，而夹芯板施工工序少，安装非常方便。（三）天衣无缝屋面广州国际会展中心超大型屋面板系统有两大特点：跨度大，屋面双向弯曲。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion，加上悬挑总长度132.8m，在全部荷载作用下其最大挠度达220mm。由于跨度方向为圆弧形，圆弧半径为339m，在屋顶处屋面倾角非常小，雨水流动缓慢，如果要在屋脊处形成20mm的高差，则屋脊盖板的最小长度为7365mm。如此长的屋脊盖板不仅固定困难，而且对屋面的外观有较大的影响。珠江散步道屋面为一凹形曲面，跨度方向的弯曲半径为90.4m，长度方向为一中间区平缓变化，两侧急剧变化曲线。屋面外挑的端部曲线最大高差为7m，降水时雨水流向多有跨肋流动。东入口屋面长度方向为变化很大的曲线（外形酷似腾飞的中国龙），屋面板的最大横向倾角为21°，这对屋面板的防水性能无疑是提出了更高的要求。我们与韩国KIRIN公司联合研究开发出天衣屋面板系统，即板宽方向360°咬合式搭接、跨度方向132.8m无搭接的屋面板系统。板宽方向搭接节点见图4。面板的咬合采用专用设备在现场完成。咬合时两块面板和支座座顶以360°同步卷边，卷边中的母板内侧涂有热融性的密封胶，卷边时，密封胶将充满整个360°卷边内，使得两块屋面板之间形成气密性的密封，整个屋面形成一张密不透气的硕大金属皮。根据我们了解，132.8m长屋面板无搭接在国内是首次使用，在国外也没有查到相关的资料。如此长的金属薄板在压型、搬运、安装等过程中都必须充分考虑其变形。（四）可滑移固定支座超大型金属屋面板系统的热胀冷缩问题是一个突出的技术难点。屋面板的热胀冷缩主要是二维的，即横向和纵向。波肋型压型钢板一方面大大提高屋面板的刚度，另一方面波肋的存在允许屋面板在横向有一定的伸缩。如果板宽为500mm,板材材质为SUS304不锈钢板（热膨胀系数为17.3×10mm/mm°C），冬夏季温差为60°C，则横向收缩量为△L=17.3×10×500×60=0.52mm,这么小的伸缩量PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion完全可以由波肋来吸收。纵向伸缩量按132.8m长度计算，其伸缩量ΔL=17.3×10×132800×60=139mm，这么大的变形量如果得不到释放将导致屋面板的严重变形。因此，在设计时必须考虑屋面板在纵向能自由伸缩。如果把屋面板中间固定让板两端自由伸缩，则板的最大伸缩量可以减少一半。如何才能让屋面的两端自由伸缩呢？在设计中使用了可滑移固定支座，如图5所示。即把固定支座分为座顶和座体两部分。座体开有一长圆孔，座顶卡在长圆孔内，沿长圆孔可以左右滑动。长圆孔的长度可根据伸缩量的大小由屋面板的中间向两端逐渐加大。同时还需考虑在静荷载作用下，座顶和座体之间的相对滑动必须克服相互间的摩擦力。（五）建筑效果的新概念——不锈钢装饰板单一的屋面面板很难在外观上达到令人满意的效果，因为屋面面板要受到强度、刚度、防水、排水等要求的限制。如果让装饰板与面板分离，则可完全根据建筑师的要求来制作屋面外形曲线。这个属于国内第一次采用的屋面装饰板系统面临的考验是显而易见的：在无螺钉穿透的相当光滑的屋面板系统上如何将装饰板系统有效固定而又不损坏屋面板系统？装饰板所受的各项荷载如何有效地传递到钢结构？装饰板的外形如何满足建筑师的审美要求？经过综合分析优化后的装饰板系统具有的结构是：a、1mm厚SUS316不锈钢冷拉毛面单板，经折边和加筋形成520mm×2400mm的板面。b、按照建筑的要求，屋面装饰板以不同件数组合为装饰板组，按照特定的“韵律”排列在屋面上。c、特定数目的装饰板靠不锈钢方管支撑以及用不锈钢螺钉与不锈钢方管连接，连接后的装饰板组又以特制铝夹具和屋面立缝（有固定支座部分）连接。节点详图如下（图6）：PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion这种连接节点构造，使板型、板间距、板组的排列、板面光洁度等重要指标完全可以达到建筑师的审美要求；板的安装实现模数化、单元化，板组的装配在车间内集中进行，加工和装配的精度得到有效保证，从而使屋面上的安装时间大大缩短，整个施工周期有了保障。装饰板的固定方式使得高差和水平位置调节非常方便，从而使装饰板的板面满足双曲面的要求。本工程的卡车通道、东西卡车坡道、北展厅及珠江散步道的外挑部分使用了不锈钢装饰板的另外一种方式，即装饰板直接固定在檩条上。这种屋面纯粹是装饰性的，上下通透，不防雨。曲线造型由下部骨架实现。三、结语(一)屋面系统的防腐蚀性能非常好。底板采用镀铝锌彩钢板，外露檩条采用热镀锌檩条。面板、方管采用SUS304不锈钢材料，装饰板采用SUS316不锈钢材料。(二)屋面系统的防水性能非常好。由于采用了两道防水以及面板132.8m通长无搭接和宽度方向360°咬合式连接，使屋面系统达到了气密性效果。(三)装饰效果好。SUS316冷拉毛面不锈钢装饰板的使用，使屋面达到建筑师要求的完美效果。(四)热胀冷缩性能好。对于超大型金属屋面系统，热胀冷缩现象必须有效解决，采用可滑移固定支座是较好的方法之一。(五)由于采用了两层不锈钢材料，因此总体造价较高。如用彩色钢板代替，则造价可大大降低。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion参考文献(1)钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001）北京2002。(2)建筑结构荷载规范（GB50009-2001）北京2002。(3)《广州国际会展中心风洞动态测压试验报告》（广东省建筑科学研究院）。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion