VC柔性輕鋼屋面系統在廣東科學中心的設計及實踐應用

【摘要】PVC輕鋼柔性屋面系統在世界范圍內有著廣泛的應用，在歐美地區已經有超過五十年使用的成熟歷史；尤其是大型公項目、廠房、倉儲、物流等屋面的大量應用；但在中國起步較晚，只有十幾年使用的成熟歷史。

【關鍵詞】PVC輕鋼柔性屋面系統；單層防水系統；屋面風荷載動態實驗；滲漏；熱風焊接

1、工程概況

廣東科學中心位于廣州市大學城（番禺區小谷圍島西端），占地面積45萬平方米，建筑面積14萬平方米。整體建筑造型獨特，氣勢恢宏，正面像一只靈動的“科學發現之眼”，側面像一支整裝待發的“艦隊”，俯瞰酷似一朵盛開的“木棉花”，是我國“綠色建筑”代表工程，廣州市的標志性建筑。

廣東科學中心復雜多變的建筑特點及布置不規則的結構平立面形式，將廣東科學中心平面分為7個區，并在結構上采用了巨型鋼框架結構、鋼網殼結構、PVC單層輕鋼結構屋面防水系統結構、預應力混凝土結構等結構形式。

廣東科學中心的屋面C區、D區、E區、F區、G區工程的特點：

（1）采用了大跨度懸挑鋼結構，船頭部位懸挑長度超過以往鋼結構工程實例，屋面變形大，面積大，總面積約26000平方米，增加了屋面滲漏風險；

（2）屋面由五個葉子形狀的部分組成，外形獨特新穎，但同時增加了施工的難度；

（3）工程跨度大，屋面變形縫及其他細部節點（內天溝、排汽井、風井）較多，滲漏概率大；

（4）屋面高度高：30米。鑒于傳統輕鋼屋面系統（明扣、暗扣、絞邊）的防水效果很難達到理想效果。

經過多方論證，從屋面防水效果、屋面保溫隔熱綠色環保節能的方面考慮，最終采用西卡滲耐PVC柔性輕鋼屋面系統。

2、PVC柔性輕鋼屋面系統的特點

本系統指以PVC柔性防水卷材、保溫隔熱板、隔汽層及附屬配件組成的一套防水保溫為一體的屋面單層防水系統。該系統用于鋼結構屋面、砼屋面等，具有其他屋頂無法比擬的優越性：自重極輕、防水和保溫密閉性好、極易維修、色彩豐富美觀、可以做各類曲面造型屋頂。

其構造簡單清晰，共分四層，由上而下：

1.5mm厚聚酯纖維內增強PVC防水層

40mm厚XPS保溫隔熱層

0.3mm厚PE膜隔汽層

0.8mm厚YX35-125-750鍍鋅彩色壓型鋼板結構層

各層次分別承擔整個屋面的各個功能；其中，壓型鋼板放置在檁條上，起到結構承載的作用，隔汽層同時具有降低屋面內外的壓力差和降低屋面發生冷凝現象的作用；保溫層直接鋪設在鋼板上，形成一道連續的平均保溫隔熱層，整體屋面保溫隔熱中間沒有斷隔，對屋面起到有效的降低屋面冷凝及冷橋效果；而防水層則是整個屋面系統免受雨水的影響，各層次通過螺釘、墊片進行機械固定，形成一道嚴密的防水抗風保護層。

施工便捷，細部處理簡單可靠，尤其對內天溝、排水口、風機口、女兒墻等部位的處理，可以有效保證施工質量，從根本上避免了傳統屋面的風險。

防水效果好，便于檢修、保養、維修成本低、可以任意變形。由于防水層的作用，使得整個屋面沒有了滲漏的隱患，對由于人為的原因造成的破壞，可以隨時進行維修；屋面表面沒有固定用金屬構件（全部被防水層覆蓋），因而避免了由于金屬構件的腐蝕而造成的滲漏隱患。

消除噪音。由于采用柔性防水層作為屋面系統的最外層，大大緩沖了雨水本身的沖力，采用高容重巖棉，增強了隔音性能，平均隔音量Rw大于40（dB）分貝。吸音系數NRC達到1.03；同時由于防水層與保溫層緊密結合，消除了共鳴音的產生原因，從而即使室外大雨傾盆，室內依然保持安靜。

3、柔性輕鋼屋面系統的抗風設計

3.1風荷載的設計

廣東科學中心屋面結構形式獨特，現行規范無可供參考的體型系數，風振計算也無直接引用的方法。通過風洞模擬試驗，得出了該屋面各區域的風壓分布和最高最低風壓峰值等參數，為確定風振系數，進行結構設計提供了依據。

PVC柔性輕鋼屋面系統的設計主要是考慮風荷載的破壞作用，由于防水層、保溫隔熱層和隔汽層是通過螺釘固定在鋼板上，其設計原理是螺釘固定在鋼板上的極限破壞力必須大于風對螺釘的破壞力。

螺釘固定在鋼板上的極限破壞力大小起決于螺釘抗拉力及螺釘固定在鋼板上的咬合力，通過做拉拔破壞實驗可求出其值。實驗證明鋼板厚度越厚，其極限破壞力就越大，但同時會造成屋面靜荷載加大，增加建筑成本；通過模擬屋面風荷載動態實驗計算分析，對鋼板厚度取值為0.8mm是性價比很高的選擇。

風對螺釘的破壞力的計算考慮因素主要有：

a.屋面各個部分所受風壓是不一樣的，屋面的最外角最大，其次是周邊，屋面的中間部分相對最弱。

b.風壓對每個螺釘的破壞力起決于螺釘的位置及其固定的屋面面積S。

風對螺釘的破壞力F=風荷載標準值ωK×S

風荷載標準值ωK可按《建筑結構荷載規范GB50009》計算。

通過屋面系統抗風揭驗證試驗，求得每個螺釘的設計荷載取值為0.8KN.

屋面的加密范圍為6米，加密區的螺釘株距為0.125米，行距為0.94米；

非加密區的螺釘株距為0.25米，行距為1.88米。

取最大破壞值驗算如下：

粗糙度：B。

基本風壓ω0：由《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）可查出ω0=0.50KN/M2

屋面柔性系統標高：30米，風壓高度變化系數μz=1.39，振風系數βgz=1.59，風載體型系數μs= -2.2，活載系數γQ=1.4

熟悉屋面結構圖，確定所需用的防水卷材、墊片、固定件長度、固定件設計負荷值。屋面區域采用PVC卷材、墊片、65mm長固定螺釘，取W=Wadm=0.6KN

抗風設計為：固定件全部按加密區固定，行距：0.94米，株距：0.125米.

取最不利點作為驗算如下：

屋面最不利點風荷載標準值：

ω=γQβgzμsμzω0

=1.4×1.59×（-2.2）×1.39×0.5=-3.403KN/m2

熟悉屋面結構圖，確定所需用的防水卷材、墊片、固定件長度、固定件設計負荷值。屋面區域采用PVC卷材、墊片、65mm長固定螺釘，取W=Wadm=0.6KN

由公式N=L×ω/W確定每米固定件數量，其中L為固定件排距。由公式S=1/N確定固定件間距；

抗風設計為：固定件全部按加密區固定，行距：0.88米，株距：0.125米.

抗風能力驗算為：

0.8KN/0.88m/0.125m=7.273KN/m2>3.675KN/m2

所以，該屋面區域的螺釘加密分布滿足抗風要求。

3.2鋼板波型的選用

由于鋼板上面鋪設保溫隔熱層，所以波峰寬度越大，開口凈距越小，其保溫隔熱層的整體受力效果越好；由于螺釘固定鋼板波峰上，螺釘的間距是峰-峰間距的倍數，波峰距離越小，螺釘的間距就越密，每個螺釘固定的屋面面積S就越小。

鋼板最小厚度滿足0.8mm，其中波峰高度min.40，波峰寬度min.50；峰-峰間距20～25cm；開口寬度≯15cm。

最終選用0.8mm厚YX35-125-750型壓型鋼板

3.3防水層的選用

由于PVC防水層直接暴露在外面，常年累月受到日曬、風吹、雨淋、腐蝕等自然因素的破壞，故對其質量有著很高的技術要求。

a.采用耐老化性能好，壽命長的防水卷材。其使用壽命應大于建筑屋的使用壽命，通過國家檢測中心檢測熱老化處理實驗和3500小時以上人工侯化實驗。

b.采用聚酯纖維內增強型PVC具有拉伸強度高（≥250N/cm），斷裂伸長率（≥15%），熱處理尺寸變化率（≤0.5%）的特點，以保證PVC卷材的優越的受力性能。

c.防水層的面層顏色宜采用淺色，如白色、銀灰色等，這種淺色表面反射了很大一部分太陽能，保證對熱量的吸收最低。但微生物在有水分、灰塵和其它污染物存在和合適溫度的情況下生長在卷材的表面，會造成反射率的下降，所以卷材要求具有抗紫外線、耐酸堿和具有自潔功能。

d.熱風焊接技術是PVC防水卷材用于屋面系統的關鍵技術，使無接縫屋面結構變成現實，接縫具有永久性，保證使用壽命要求，同時具有鋼板結構無法比擬的防滲漏特性。

3.4保溫隔熱層的選用

選擇保溫層材料的基本要求/功能是：一是要有低的滿足設計要求的導熱系數，二是材料本身須耐霉化。

屋面系統采用機械固定法施工時，保溫層需滿足如下要求：

a.抗壓強度：壓縮比根據歐洲標準 EN 826/12430，保溫層變形達到10%時，抗壓強度應達到60Kpa；或點荷載在保溫層變形5mm時達到500N。

b.良好的尺寸穩定性：由于長期溫差應力作用，材料產生收縮或膨脹變形，甚至老化，引起屋面防水或保溫結構的破壞。

擠塑聚苯板（XPS）作為（下轉71頁）（上接69頁）保溫層，其要求是：最小容重25～30kg/m3；厚度40～80mm。其特點是尺寸穩定性好，不易變形，表面平整度高，抗壓強度大于150KN/M2；導熱系數低，可達0.028W/mK；與PVC不相容，應加隔離層；不耐有機物；重量輕，易安裝；耐潮，不吸水，適應于陰雨天氣；防火指標可達B1級。

3.5隔汽層的設計

隔汽層的作用主要有兩點：

a.當屋面有保溫層時，降低屋面結構產生冷凝的風險。

b.在保證不透氣的情況下，可以抵御建筑物內部空氣壓力，降低總風載。

本設計選用PE膜作為隔汽層，PE膜的適宜厚度為0.3mm，其特點是性能致密，具有良好的隔汽性能；質量輕，施工簡便。

結語：

實踐證明，該工程經過九年的日曬雨淋，其間屋面系統還多次遭遇了50年一遇強度暴風雨的考驗，經過材料老化性能測試， PVC防水卷材的各項性能仍然保持在98%以上.PVC特有的優越可焊性及耐老化性能使PVC防水卷材破壞處經過重新熱風焊接修補，仍能達到令人滿意的防水效果。