國家會展中心(天津)工程超大面積高強鋁鎂錳節能金屬屋面設計與施工

劉 飛，王 博，周志健，王飛宇，解永飛，隋杰明

(中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

0 引言

大型機場、高鐵車站、會展中心等大空間公共建筑多采用直立鎖邊體系的鋁鎂錳金屬屋面或鍍鋁鋅鋼板屋面，施工便利性、耐久性好，可有效改善傳統屋面的弊端。金屬屋面體系由于自身構造原因，在穿插施工中存在節能效果差、抗風揭性能差、防滲漏隱患大等問題，影響使用功能及社會形象。

屋面結構體系及其他專業穿插施工中，為規避不良情況的發生，整體考慮前期深化設計、中期策劃實施、后期試驗驗證及運輸安裝等階段，加強管控，從組織保障、制度保障、資源保障、科技支撐方面進行落實，保證屋面工程順利實施。

1 工程概況

國家會展中心(天津)工程位于天津市津南區，是我國北方首個國家級超大型會展中心，總建筑面積138萬m2，一期展館區建筑面積47.86萬m2，二期建筑面積59.86萬m2，主要由展廳、交通連廊、中央大廳、人行天橋等組成。

該工程屋面系統共59萬m2(見圖1)，整體結構分為展廳、交通連廊及中央大廳部分，如圖2所示。按構造分為屋面系統、鋁單板系統、天窗系統、采光玻璃系統、格柵系統、天溝系統等，其中展廳、交通連廊結構為展翅翱翔的海鷗造型。中央大廳由32個樹狀鋼柱支撐的大跨鋼結構組成。整體屋面系統采用直立鎖邊有檁體系，即整體屋面板系統通過檁條、檁托與鋼結構連接傳力，檁托為焊接，檁條為栓焊，直立鎖邊鋁鎂錳板與固定支座為機械鎖緊連接。

圖1 屋面整體效果

圖2 屋面系統

屋面防水等級為Ⅰ級設防，本工程主要排水采用虹吸雨水系統進行排水，為50年溢流考慮，總設計重現期為50年，屋面共劃分為400多個匯水分區，總系統800套，加上溢流設施后總排水能力超過34 000L/s。深化過程中綜合考慮安全系數、排水和溢流能力，屋面設計為中空式小波峰底板的高強鋁鎂錳板節能型構造，展廳、交通連廊及中央大廳屋面標準構造如圖3所示。

圖3 標準構造

2 屋面系統重難點分析與控制

為保證屋面系統的節能、抗風揭、防滲漏性能，注重現場管控措施及特殊部位的細部節點處理，不同工序操作及特殊節點部位(如天溝、天窗、變形縫)易產生滲漏問題，屋面結構及排水能力設計是影響屋面整體防滲的重難點，考慮從屋面構造、安裝方式、順序及各實施措施方面解決和處理問題。

2.1 抗風揭性能保證

大面積金屬屋面在實施過程中及完成后，由于受強風影響造成構造損壞，從而引起防水、節能、安全問題故采取以下措施：①第1道保障 將原設計的無檁體系屋面優化為有檁體系屋面，保證屋面本身荷載傳遞和抵抗外界荷載性能；②第2道保障 利用直立鎖邊+抗風夾形式，增強金屬屋面系統的防滲漏、抗風揭性能，及鎖邊體系公母肋與固定支座的咬合；③第3道保障 用來縮小固定支座間距，降低屋面板承受荷載的變形；④第4道保障 在金屬屋面板咬合安裝完成后，在屋面板頂部與固定支座相應位置安裝抗風夾。

2.2 防滲漏性能保證

構造層之層間結合處是屋面易產生滲漏的部位，TPO防水形式系統、金屬面板防水過于單一。本工程采用金屬屋面板+TPO防水卷材的上下構造，在上層金屬屋面板防水局部失效的極端情況下，下層卷材屋面仍具有獨立防水能力，保證屋面整體防水安全。同時屋面板為270°公母肋雙重設計，即270°公肋咬合固定支座，然后270°母肋咬合270°公肋，有效防止由于降雨量較大流入屋面板下方。屋面板由于板受溫度影響磨損嚴重，為滿足屋面板伸縮方向受力合理、伸縮量均衡，每塊屋面板選擇靠近屋脊處的2個支座作為固定點，屋面板公肋與支座咬合后，用拉鉚釘固定公肋與支座，控制坡屋面板因溫度收縮的下滑力，減輕溫度收縮對屋面板的磨損，避免屋面板被磨穿而漏水。

2.3 節能效果保證

國家級展館節能要求高，傳統金屬屋面為單層保溫或雙層緊貼型保溫系統，很難達到設計節能效果。本工程保溫層采用雙層中空式設計，屋面系統下層巖棉安裝在檁條間的凹槽內(檁條高度大于巖棉厚度)，將鍍鋅鋼絲網固定在檁條頂部，可支撐上層巖棉，同時使上下層巖棉間形成空腔，增加屋面系統的隔聲、保溫性能。

3 超大面積金屬屋面設計與管控

3.1 屋面抗風揭初始構造復核檢驗

3.1.1前期試驗參數確定

通過風洞模擬試驗分析建筑物在風力、風速影響下的受力情況。本試驗在中國建筑科學研究院風洞實驗室進行，模型縮尺比為1∶350，試驗段長寬高分別為22，4，3m，風速在2～30m/s連續可調。風洞測試模型如圖4所示。

圖4 風洞測試模型

通過風洞測壓試驗，得到測點平均壓力系數和50年重現期極值風壓統計值云圖、測點平均壓力系數隨風向變化云圖。極值風壓以50年重現期基本風壓為基礎，風向角10°為間隔，共36個風向角。風洞測壓試驗結果表明，建筑表面極值風壓變化范圍是-4.4～1.3kN/m2。

由風洞測壓試驗報告得出屋面風壓值的基本參數取值?？紤]天津國家會展中心屋面系統工程的重要性，結合當地風壓形式及風壓值，進行靜態(負壓)抗風揭試驗。根據《系統吊頂組合負風壓分布圖》確定組合負風壓值為-4.40kN/m2(標準值)，初始負風壓分布如圖5所示。本工程最高點33.9m，最不利角部位置體形系數考慮-2.0，風壓高度變化系數為1.582，陣風系數考慮1.442，基本風壓取0.6kN/m2，故最不利風吸標準計算值Wk=-2.0×1.582×1.442×0.6=-2.737kN/m2，絕對值相比風壓圖中最不利位置的風壓小，因此取-4.4kN/m2， 整體試驗值按-4.4kPa×1.4=-6.16kPa進行計算。整個屋面按4個區域分別控制，各區域具體數值如表1所示?？癸L揭試驗目標值分布如下：展廳室內部分對應屋面為3.516kPa，展廳挑檐部分對應屋面為5.860kPa，中央大廳室內部分對應屋面為3.822kPa，中央大廳挑檐對應屋面為6.370kPa。

表1 屋面各區域抗風揭試驗目標值

圖5 初始負風壓分布(單位：kN/m2)

3.1.2材料比選確認

應進行金屬屋面系統深化設計及試驗調整，并不斷完善屋面整體構造及材料選型。

1)鎂、錳元素對合金性能的影響 為加強屋面系統強度，滿足材質本身性能要求，應對面板進行對比分析。常用的合金面板基材主要為Al-Mn系和Al-Mg系。Al-Mn合金是非時效硬化合金，不可熱處理強化。鎂對鋁的抗拉強化作用較明顯，含量每增加1%，抗拉強度約升高34MPa。但鎂含量過高，會使合金在長時間室溫下產生時效軟化與熱脆現象。

2)Al-Mg合金、Al-Mn合金狀態分析 AA5754鎂含量比AA3004高1.8%～2.3%，AA5754屈服和抗拉強度均比AA3004高4.8%～5.6%。錳作為弱脫氧劑，適量的錳可有效提高強度且不降低塑性。經過試驗數據分析，可適當降低鎂含量增加錳含量，選擇AA5754鋁鎂錳合金材料，可在強度不顯著降低的情況下增加材料延伸率，更適合海濱風壓較大地區。

3.1.3試驗方式確認及實施

專業試驗檢測依據為ANSI FM4474-2004(R2010)《美國國家標準-用靜態正壓和或負壓法評價屋面系統的模擬抗風揭性能》，主要儀器為NSCTC-WH-010屋面綜合性能試驗機和NSCTC-WH-010-02-(1-6)壓力變送器。其中氣壓上升速率為(0.07±0.05)kPa/s，即(1.5±1)psf/s，當壓力達1.4kPa(30psf)時，保持該壓力60s，打開池壓閥門，排出空氣，直到沒有作用于屋面向上的壓力，重復加壓和施壓，每次逐級增加0.7kPa(15psf)直至屋面板系統被破壞。

考慮天津市50年一遇的重大惡劣天氣，及設計院與業內專家意見，結合實施前進行的7次試驗結果，調整完成的初設構造滿足設計及規范關于抗風揭的要求，如表2所示。

表2 抗風揭試驗信息

3.2 屋面構造分層深化設計

利用BIM技術，結合深化設計要求及初步試驗結果，完善屋面系統構造分層做法，并依據分層進行模擬、樣板施工指導，如圖6，7所示?？紤]主體結構形式及找坡走向等情況，結合設計要求和現場勘察實施要求，同時考慮各工序出現誤差消化等構造，保證結構穩固性及施工便利性。

圖6 屋面標準分層構造

圖7 屋面標準樣板施工

由試驗得出，增加抗風夾后，抗風揭效果非常顯著，故深化過程中，在構造做法中均設置抗風夾。

3.3 現場管控措施及特殊部位細部節點處理

1)工序交接連續性 按照施工連續性要求，采用BIM模擬、課堂教學、現場模擬等方式進行交底工作，安裝工序如下：定位放線→安裝檁托→安裝檁條→安裝反吊龍骨及拉條→安裝屋面底板→鋪貼隔汽膜卷材→安裝下層保溫巖棉→安裝鋼絲網→安裝幾字件→安裝上層保溫巖棉→鋪貼TPO防水卷材→安裝固定支座→安裝屋面板及抗風夾。

2)屋面板搭接方式 傳統金屬屋面多采用自攻釘固定、凹槽搭接等連接方式，閉水效果差。本工程屋面板兩邊緣加工成公母肋形式，公母肋夾角均>270°，即使雨水漫過板肋，也會從另一塊板流走，不會滲到屋面板內，加強防滲漏和抗風揭效果，如圖8所示。

圖8 屋面板安裝搭接

3)小波峰反吊底板施工 無檁體系金屬屋面中，底板需承受屋面系統的全部荷載，屋面底板必須達到大波峰、大波谷、硬材質才可滿足抗彎、承載力及強度要求。優化后的有檁體系金屬屋面底板采用吊掛安裝方式，底板僅作為下層巖棉支撐層，底板強度、抗彎性能要求低，可選用厚度小、波高小的鋼底板，節約造價，減小屋面系統構造層高度。

無檁體系金屬屋面底板波峰大、波谷大，施工過程中易破壞隔汽膜、保溫層，成品保護效果差，無法保證施工質量。優化后的小波峰、小波谷底板中，隔汽膜與屋面底板粘貼操作簡便，粘貼質量好，成品保護效果較好。

底板安裝采用滑動吊籃加高空作業車相結合的方式，如圖9所示。在保證施工安全與質量的同時，不需搭設滿堂腳手架，實施方便，節省措施費，節約工期。

圖9 底板采用滑動吊籃施工

4)固定支座及抗風夾安裝處理 屋面固定支座施工是屋面板施工的關鍵工序，固定支座安裝質量直接影響屋面板的抗風能力和整體屋面外觀效果。應防止固定支座與鋼結構材料直接接觸，引發電化學反應，同時在深化設計時，在固定支座底部配備丁基而候膠，消除自鋼釘穿透TPO造成的滲漏隱患，固定支座下增設丁基耐候膠，如圖10所示。

圖10 固定支座增設耐候膠

試驗確定抗風夾間距為600mm，可增大防滲漏和抗風揭效果，防止鋁鎂錳屋面板被掀起，同時還可在金屬屋面上部安裝光伏太陽能等設備。由于鋁鎂錳屋面板通過直立鎖邊機連接，固定在鋁合金支座上，受溫度變化產生熱脹冷縮作用而松弛，當遇到大風時易被掀起，安裝抗風夾可加強抗風揭性能，還可延長金屬屋面使用壽命。

屋面屋脊、天溝等位置風荷載較集中，極易被破壞，應根據抗風揭試驗結果適當加密檁距、抗風夾間距。

5)天溝細部節點處理 原節點天溝下方及屋面下方TPO卷材均下反至天溝內，卷材重復搭接，安裝效果差，防水不閉合。調整后，天溝TPO卷材與屋面TPO卷材焊接，首先形成TPO卷材完整防水閉合，再從屋面增設TPO卷材防水附加層延伸至天溝內，在原有防水閉合基礎上將屋面內部冷凝水匯至天溝內部，通過雨水斗排出。

安裝雨水斗時，首先在天溝板上部根據雨水斗尺寸進行標記，再對天溝開洞，確保開洞一致性。雨水斗盤與不銹鋼天溝采用氬弧焊接，焊接線為雨水斗法蘭的外邊緣，不得有漏焊、焊穿、夾渣等缺陷。為防止天溝焊接、拖拽及下放損傷TPO卷材，天溝均以標準節的形式在天溝外焊接組裝，并完成閉水試驗，然后采用鋼支架+尼龍帶+手拉葫蘆的方式，整體吊裝下放至天溝內。虹吸雨水管條天溝節點如圖11所示。

圖11 虹吸雨水管穿天溝節點

巖棉切割洞口與TPO卷材洞口尺寸相同，雨水管安裝完成后，填回縫隙處巖棉，且不破壞原保溫系統。整體下放天溝時，在TPO卷材與雨水斗盤間增設防水膠帶，使天溝底面與TPO卷材上表面緊密貼合，對閉水效果進行二次增強。

優化原有貫通天溝做法，每30m設置1條變形縫，減少溫度收縮變形對天溝的內力影響，避免伸縮過程導致節點拉裂及防水磨損，同時優化變形縫處節點，優化雨水搭接扣，降低滲漏水隱患。

6)天窗及屋脊細部節點處理 對天窗周邊加高波肋，并對周邊構造進行封閉排水處理保證天窗口高于周邊屋面，減少滲漏水的隱患。屋面天窗防滲漏的重點在于雨水引流，開啟天窗高度應盡量超過固定天窗，避免雨水匯集、積聚。天窗泛起高度剖面如圖12所示。

圖12 天窗泛起高度

3.4 成品保護實施管控措施

1)建立健全材料追蹤機制 從加工廠進場開始建立材料追蹤機制，即追蹤每種材料的來源和去向，實行專人負責制、現場對接制、驗收程序制、全員管控制等，確保管控落實到位，利用BIM平臺對材料加工、出廠、運輸、到場各項過程進行追蹤。現場通過信息化、智能化管控對實操動作進行監管。

2)屋面設置上人通道 從檁條施工完成至TPO卷材安裝階段，人行通道均采用腳手板進行鋪設，避免屋面構造被踩踏損傷。綜合考慮后期各項工序需要上人工作，會破壞面板成品，影響整體構造，為此在屋面板施工時，應及時安裝成品檢修通道，如圖13所示。

圖16 屋面檢修遍道設置

4 實施效果

國家會展中心(天津)工程一、二期通過深化構造設計、現場管控、材料跟蹤、制度建設等措施，保證質量的同時加快施工進度，得到各方一致好評。通過該工程的應用，形成完整的金屬屋面施工技術。