装配式金属屋面系统浅析

　　摘要：本文回顾了薄板金属材料在建筑屋顶的应用与发展历史，介绍了薄板金属屋面系统的类型及其特点。以装配式金属屋面系统为例，介绍了系统组成构件、材料的选用及应遵循的标准规范。
　　关键词：薄板金属；屋面系统；装配；历史；优点；组成构件
　　　　
　　前言
　　利用金属材料作为屋顶覆盖物，历史可以追溯至公元前970年，位于以色列耶路撒冷的所罗门神殿（TheKingSolomonTempleinJerusalem）屋顶，采用了镀金的青铜作为屋顶覆盖层。到了公元2世纪，欧洲一些国家及地区的手工匠已经开始利用简单的手工工具，熟练地把金属铜或铅安装于一些著名的宗教建筑屋顶之上。
　　金属薄板被大量应用于一般工业建筑或/和民用建筑，其历史则只有不到200年的时间。金属薄板的第一次工业化应用，要归功于一位英国船坞公司的工程师亨利帕尔莫（HenryPalmer），他所设计一种瓦楞状的薄铁板在1829年被应用于英国船坞公司的货仓屋顶及墙面上。这是压型金属板正式应用的最早记录。到了19世纪中期，热浸镀技术的开发与应用，压型薄板屋面的应用越来越普遍，适用的范围也更为广泛。随着科技发展与进步，新材料、新技术、新工艺在不断涌现，为传统金属屋面系统的技术改进以及应用技术的发展带来了前所未有的机遇。
　　2金属屋面系统的优点
　　（1）具有自重轻，耐久性强及经济性能高的特点。金属薄板的厚度范围在0.4mm-1.5mm之间，自重只有1.5kg/m2-5kg/m2，是一种轻型结构构件。另外，金属是一种均质、稳定的材料，相比合成橡胶、聚乙烯、PVC等材料，其受大气紫外线的影响是最小的。
　　（2）具有优异的结构性能。金属薄板最初被应用于一些装饰性的屋面覆盖层，其结构性能的优势体现在它们具有良好的抗冲击性能，为建筑提供一个坚固的外保护层，增强了建筑围护构件的使用寿命。随着压型设备的出现及冷加工技术的成熟，金属薄板经过冷加工形成了规则的截面形状，同时也大大提高了构件的强度及刚度性能。
　　（3）具备良好的防水性能。金属屋面板最早是被视作一种“蔽水性”系统应用于陡坡屋面上，它是依靠水的重力作用使屋面具有防水性能。随着金属屋面板技术的更新与改进，金属屋面板的防排水能力得到较大的提高，屋面坡度要求也逐渐减小，部分的金属屋面板也常常视作是一种“阻水性”系统被应用于一些平屋面系统上。
　　（4）外观适应性强，能满足不同种类建筑的外观需求。金属薄板经过压型设备的冷加工，可以形成不同截面尺寸，不同形状的连续或单元构件，可以满足不同类型、不同使用要求的建筑外观的需要。另外，结合先进的涂层及表面处理技术，可以令建筑外表面呈现出不同色彩、表面纹理的效果。
　　（5）安装便捷与快速，对于不同地区、环境及不同功能要求的建筑有较强的适应性。
　　（6）具备熔点高、不燃烧的性能，有优良的防火性能，是理想的屋面防火覆盖材料。
　　（7）是一种理想的绿色建筑材料。一方面，金属屋面从制作、安装、使用，直到寿命结束全过程，其对环境的影响都最小。另一方面，金属屋面是一种可回收材料，在建筑寿命期完结时，金属屋面材料还能被100%的回收利用。
　　3金属屋面板及分类
　　3.1按屋面板的结构性能分类
　　3.1.1“建筑性”屋面板
　　“建筑性”屋面板概念可以定义为：一种因金属屋面板自身截面承载能力差，需要安装于建筑的屋顶板结构上，主要是满足建筑外观（屋顶）装饰功能的金属屋顶覆盖层材料。这种屋面板的截面构造形式较为简单，对板的厚度要求不高，板件尺寸小，板件的截面多以平板为主；另外，这些金属屋面板自身并没有很强的截面承载能力，不能独自承受外部风、雨、雪及施工等荷载的长期作用，必须安装在有足够支撑强度和刚度的屋顶板上，为防止雨水的进入，还需在金属屋面板与屋顶板间加设一层防水层。
　　3.1.2.“结构性”面板
　　是指需要跨越檩条与檩条之间距离的屋面板，通常檩条的间距是由屋面板的材料、厚度、屋面板的截面承载力及屋面荷载所决定的。由于屋面板本身具有一定的截面承载力，可以不需要专门的屋顶板来支撑。实际上，“结构性”屋面板相当于建筑的屋顶板及屋面覆盖层。最早应用于商业建筑屋面上的“结构性”屋面板是我们所熟悉的具有梯形截面（瓦楞板）或弧形肋截面（波形板）的金属压型板。
　　3.2按屋面板的防排水性能分类
　　3.2.1.阻水性屋面板
　　一般的柔性卷材屋面系统、沥青或改性沥青聚合物屋面系统，作为建筑屋顶的防水屏障，理论上是可以允许一定时间、一定深度（一般为泛水高度以下）内的屋面积水而不引起屋顶渗漏，这样的屋面称作阻水性屋面系统。而作为防水屏障的金属屋面板，其阻水性的概念与上述这些柔性防水屋面系统有所不同。这是因为金属屋面板所遭受的热负荷运动远远大于柔性卷材屋面，其上部连接方式及泛水的构造与一般柔性屋面的设计有所不同，金属屋面板往往不能长时间忍受接缝位置以上的积水。因此，具有“阻水性”特性的金属屋面板多指的是那些具有高排水截面的外形、长尺寸的安装状态、具有特殊防水构造的直立边屋面板，但应满足以下的应用条件：
　　a)屋面坡度应不小于1.5°；
　　b)金属屋面板有较高的截面高度，具备足够的排水能力，能防止一定降雨强度下的雨水跨过屋面板的接缝位置；
　　c)通过在屋面板板肋连接处填入嵌缝料或密封材料来保持屋面系统的永久防水性，有时嵌缝料在屋面板生产过程中被预先放置；
　　d)具有有效的防水构造。
　　3.2.2蔽水性屋面板
　　作为蔽水性的金属屋面系统，主要但不完全是依靠重力作用使建筑屋顶具有防水性能的，坡度越陡，雨水从屋顶表面流走的速度越快。然而，水流的运动模式并不是单向性的，外界的风力作用在影响着雨水的运动方向。当风吹向屋面，雨水会沿着屋面的接缝位置进入，从而导致屋面的渗漏。因此，蔽水性屋面板的安装坡度要求会比“阻水性”屋面的坡度要大。按IBC(InternationalBuildingCode)2006的定义，金属屋面板的屋顶最小坡度应不小于10°。“蔽水性”屋面板还具有下述的几个特征：
　　a)金属屋面板截面高度低，自身的排水能力差，板间连接不具备防水能力。
　　b)金属屋面系统内部需要加设附加的防水层构造，用于屋面系统的二次防水。
　　c)蔽水性屋面板的连接及节点处理往往不具备气密性能。
　　3.3按屋面板的连接固定方式分类
　　3.3.1.隐藏固定式
　　隐藏式紧固夹具的优点就是，在保证了屋面板连接强度的前提下，进一步提高了建筑物屋顶的防水性能及紧固构件的耐用性。根据所采用的连接固定原理的差异，隐藏式固定式金属屋面板又可细分为很多的小类，其中具代表性的有：折封式；弹性卡扣式；卷边扣合式；熔焊连接式；板条扣合式；平锁扣式。
　　3.3.2.穿透固定式
　　穿透固定式金属屋面板具备优异的结构性能，生产及安装便捷，经济性能高的优点，在目前仍然被广泛的使用。但是作为屋面覆盖层，由于紧固件需直接穿透金属面板固定于屋面下部支撑结构，它的防水性能受屋面穿透、材料热位移效应、外界荷载等因素的影响很大。往往在系统应用中，穿透固定式金属屋面板多应用于一些屋面坡度大，防水要求低的建筑屋顶。
　　4装配式金属屋面系统的组成构件及材料
　　装配式金属屋面系统是金属屋面系统的其中一种形式，系统的主要组成构件包括底板、内支撑体系、隔热保温材料、吸声材料、防水防潮材料、金属面板、附件等，这些材料或构件均需要在工地现场按严格的安装方法及施工程序装配完成，并且装配完成后的系统作为一个整体构件，应能满足相应的建筑物理性能要求。
　　4.1压型板
　　金属压型板可以由涂层镀锌钢板、不锈钢板、铝或铝合金板及其它的金属板材制成。压型板的生产尺寸，与生产厂家的生产工艺，生产设备，压型板的形状，产品的运输、储存、安装等因素有关。大开间的屋面或墙面，使用长尺寸的压型板能有效地减少板长方向的搭接口的数量，降低屋面或墙面渗漏的风险。但同时也应充分考虑长尺寸的压型板（金属或其它热传导性好的材料）温度膨胀引起的变形问题。压型板是由两种或两种以上材料组成的，应该考虑它们的整体强度、刚度性能，材料耐久性能是否一致，及相邻材料的兼容性问题。
　　4.2有机涂料
　　金属薄板被制成压型钢板前，一般会在薄板表面（单面或双面）预涂上一层有机涂料，涂层可以提高压型钢板的防腐蚀性能，同时也能为压型板本身提供更多的色彩选择。有机涂料多用于镀锌钢板或镀铝锌钢板上，不锈钢或铝合金等耐腐蚀强的金属板材，可以不考虑另外增加有机涂料以改善其防腐蚀性能，但考虑外观颜色的要求除外。在同一厚度下有机涂料的耐久性能与其涂层的颜色有关，淡色系能更有效反射光辐射，在夏季涂层会有较低的表面温度，而冬季则较高，因此，淡色系的涂层耐久性会更好，涂层的退化也更慢。涂料的一般性能要求包括：色牢度；干膜厚度;抗划伤性;耐磨性能;粘附性;抗冲击性;抗折弯性;耐腐蚀性;耐高温性;耐候性;耐盐雾性能;防火性能。
　　4.3内支撑系统
　　内支撑系统是装配式双层屋面系统中的一个重要组成部分，是创造屋面系统内部有效凈空间，更好的实现系统保温隔热、吸声性能的有效保证。内支撑系统可以是单个构件构成，亦可以由多个构件相互组合共同实现。内支撑系统是屋面荷载传递路径上的重要一环，是系统内部的一个重要结构单元，其组成构件自身除要具备一定的结构强度与结构稳定性外，还必须保证与之相联系的屋面板、下部支撑结构（檩条、结构底板）之间有效、安全的连接。常见的内支撑系统构造有：板条式，支撑架式。
　　4.3.1板条式内支撑系统
　　传统的板条式内支撑系统多由镀锌钢板冷弯成型，截面形式有“Z”型，“U”型，“口”型。除压型镀锌钢材外，木材，钢木复合材料也较为常用。板条式支撑构件由于具有截面形式简单，加工容易，安装方便的特点，被广泛使用。但板条式内支撑系统同样存在明显的缺点：首先，构件是连续布置的，系统内部不可避免出现较多的热桥，断热桥的措施必须充分考虑；另外，板条式构件的截面从其结构稳定性、经济性的考虑，截面高度一般不会太高，这导致屋面系统保温隔热性能受到限制。
　　4.3.2支撑架式
　　其组成由上部钢制横梁与支撑梁架及断热桥构件组成。横梁一般采用冷成型钢结构构件，通过与固定于下部结构（檩条或结构底板）的专用支撑架连接，使系统内部形成空腔。该结构形式简单，安装便利，结构性能优良，另外，由于下部支撑点相对的减少，结合相应的断热桥构件，可以有效的降低屋面系统内部的热桥效应。
　　4.4紧固件
　　4.4.1.常用类型
　　金属屋面系统所使用的紧固件类型多样，按其连接的结构重要性可分为主连接件，次连接件；按其连接强度可分为刚性连接，非刚性连接。英标BS5427-1:1997定义了部分建筑屋面常用的紧固件，它们是：
　　1）弯钩螺栓及螺帽；
　　2）自钻螺钉；
　　3）自攻自钻螺钉；
　　4）螺栓及螺帽；
　　5）压型金属薄板专用夹具；
　　6）各类铝制或钢制拉铆钉。
　　隐藏扣合式屋面板件的专用夹具或支架均属于特殊的连接构件，屋面板件与连接构件多采用折边、卡扣、卷边扣合等机械连接方式，这些连接方式，在确定其连接强度或其他物理特性时，往往无法通过常规的数值计算得到，为此，一些特定的实验室检定方法被逐渐采用，而这些通过试验所得到的数值对这类新型屋面板的设计与应用就显得十分有意义。
　　4.4.2.性能要求
　　在设计与选用装配式金属屋面系统紧固件产品时，一些基本的性能指针应被考虑，包括：紧固件材料及保护层材料的耐候性能；紧固件及其配件的水密性能；满足外观的需要；紧固件的结构性能。
　　在设计与选用这类紧固件时，除要考虑其构件自身结构性能、耐候性能及水密性能外，评估螺钉板屋面系统在最不利风荷载及风雨共同作用下的综合物理性能，对紧固件的选择同样重要。这些综合物理性能包括：紧固件的承载力性能；风雨效应共同作用下的水密性能；动态风荷载作用下的抗疲劳性能；
　　4.4.3.材质
　　紧固件的材质种类繁多，金属屋面常用的紧固件材质有碳合金钢，铝合金、不锈钢、高强合金钢等，由普通的碳钢与不锈钢经过特殊工艺复合制作的自攻自钻螺钉，目前也被广泛应用。从材料的角度考虑，影响其设计与选用的因素包括：
　　1)材料的物理特性，如材料的强度、硬度、脆性等；
　　2)材料的化学性能，如耐腐蚀性，电化腐蚀性能等；
　　3)经济性能。
　　4.5保温隔热材料
　　保温隔热材料是绝热材料的一种，一般将导热系数小于0.174W/(m.K)的材料称为绝热材料。绝热材料是指不易传热的、对热流具有显着阻抗性的材料或材料复合体。绝热材料性能的高低，是由绝热材料导热系数（λ-value）的大小决定的，导热系数愈小，其绝热性能愈好。除导热系数外，还可以用热阻值（R-value）表示，热阻值愈大，其保温隔热效果愈好。为装配式屋面系统选择保温隔热材料，一般应遵循下述原则进行比较与选择。
　　1)为确保建筑工程的节能效果，尽量选用高效优质的保温隔热材料。
　　2)保温隔热材料的密度要满足建筑工程的要求。
　　3)保温隔热材料应具有良好的化学稳定性。
　　4)保温隔热材料应首选不燃或难燃的保温隔热材料。
　　5)保温隔热材料应选用吸水率小的材料。
　　6)保温隔热材料应具备施工方便、存放简便的特点。
　　4.6防冷凝材料
　　4.6.1.防潮隔气材料
　　常用的防潮隔气材料的有塑料、沥青油毡、高分子聚合物橡胶膜材、聚合物塑料膜材等，还有一些复合在玻璃棉底部的材料如铝箔、纤维纸，也是一种防潮隔气材料。应用于装配式金属屋面系统内部的防潮隔气材料，应考虑的物理性能包括：水汽渗透性；顶破强度；抗张拉强度（纵向、横向）；耐渗水性；温度性能（高、低温）；防火性能。
　　4.6.2.防水透气膜
　　具有防水透气性的膜材安装于金属屋面板的底部、保温绝热材料的上部，能有效阻止产生于金属屋面板底部的冷凝水对保温绝热材料的影响，同时，保温绝热材料中潮湿的水分又能顺畅地经过防水透气膜排除外部。这种膜材又被称为“呼吸膜”。
　　4.7底板
　　底板是装配式金属屋面系统的一个有效组成部分。不同形式的底板都应具备一定的结构强度与刚度，以保证它能承受除自身的重力外的系统内部其它组成构件的重力荷载。常用的底板材料有，压型金属薄板、纤维水泥板、石膏板材，甚至是一些强度高的保温绝热板材也可以作为屋面系统的底板。在全支撑屋面系统中，压型钢顶板亦被认为是一种屋面底板。一般屋面系统底板应满足的性能要求包括：结构性能；防火性能；材料的耐候性能；声学性能。
　　4.8屋面采光
　　屋面采光材料应具有一定的透光性能、良好的耐久性能、热工性能、安全性能及防火性能，能与金属屋面系统紧密的配合，共同的工作，常用的采光屋顶材料有：GRP(GlassfibreReinforcedPolyester)，增强玻璃纤维采光板，国内亦称之为玻璃钢或FRP板；PC（Polycarbonate），聚碳酸酯板；PVC（Polyvinylchloride），聚氯乙烯塑料板；安全玻璃。
　　4.9密封胶
　　在金属屋面板板间连接处，或屋面穿透的位置，往往需要使用一些密封胶，以为这些位置提供额外的防水屏障。密封胶对于金属屋面系统，是一种重要的构造材料。但是密封胶的有效使用寿命往往会低于金属屋面系统的设计使用周期，在设计选用密封胶时，应有充分的设计考虑，包括：不定型性；对需粘结构件的不腐蚀性；缺口填补的能力；在产品的使用寿命期内，正常使用温度下密封胶能有效保持足够的弹性；压力作用下的可压缩性能；粘结性能；屋面的伸缩缝位置，密封胶应具有一定的延展性；防水性能；对金属板材或涂层材料的兼容性；对外露的密封胶材料应具有一定的防紫外线能力。
　　4.10附件
　　装配式金属屋面系统中使用了大量的金属或非金属构件，如金属泛水板、屋脊盖板、屋脊压条、防水堵头、挡水板等，这些构件与金属屋面一起共同形成了一个完整的屋面系统。在设计选用这些屋面附件时，一些基本要素应该被考虑，包括：材料的物理性能；结构强度；连接方式及强度；材料的兼容性；材料的耐侯性能；安装节点的处理。
　　
　　5结语
　　金属屋面的应用历史悠久，优点突出，是理想的建筑屋顶覆盖材料。装配式金属屋面系统以其优秀的产品特性，逐渐成为业主、设计师、施工单位用于建筑屋顶材料的首选。金属屋面系统，特别是装配式金属屋面系统，其构造形式多样，所体现的功能要求也存在很大的差异，了解与认识装配式金属屋面系统的构成及材料选用准则，是确定一个优秀金属屋面系统的基本条件。
　　
　　参考文献：
　　[1][日]武者英二，吉田尚英.屋顶设计百科[M]马俊里妍，译北京:中国建筑工业出版社,2006.
　　[2]龙文志，白宝鲲.现代屋顶新技术[M]北京:化学工业出版社,2007.
　　[3]IBC2006,InternationalBuildingCode[S]
　　[4]BSEN5427-1:1997,Codeofpracticefortheuseofprofiledsheetforroofandwallcladdingonbuildings[S]