輕自重鋼架組合板式種植花園屋面施工技術研究

孫豐巖 陳 斌 國 超 郁 勇 時景彬 中建八局第四建設有限公司

1 前言

隨著我國城鎮化水平的不斷提高和城市規劃的不斷完善，建筑物的外立面和整體造型越來越受到人們的重視，如何通過建筑外立面和整體造型更好地體現設計師所表達的理念日益突出。其中，種植屋面作為近年來流行的屋面設計形式，既可以有效地表達人與自然和諧相處的設計理念，同時可顯著地提升建筑的整體造型。但目前常規的結構設計對種植屋面滿足程度較低，即屋面板的截面尺寸和板內配筋極有可能不滿足種植屋面局部堆載以及對防滲防水較高的要求，導致先進的綠色設計理念無法落地，降低整個建筑的整體造型。

本文針對以上問題，在傳統種植屋面的基礎上，創造性的引入了鋼架、組合板施工技術，即在屋面上先施工整體鋼架，隨后在鋼架局部施工組合板，再進行敷土施工或其他成品花架施工。有效地解決了傳統屋面由于承載有限無法進行復雜造型種植屋面的技術難題，為種植屋面設計提供有效的技術支持。

2 現有技術分析

為解決傳統屋面荷載無法滿足復雜造型種植花園屋面的技術問題，經研究，匯總整理相關技術方案，分析其優劣，匯總整理如表1所示。

表1 不同工藝種植屋面工藝優缺點

現有施工技術中，存在以下問題：（1）傳統屋面板截面尺寸較小，無法承載大面積復雜造型的種植屋面荷載；（2）傳統屋面配筋較小，抗拉能力有限，對種植土局部較大荷載難以承擔，有可能造成結構板開裂；（3）復雜造型的種植花園屋面具有多個標高，傳統種植土無法塑造多個標高；（4）多標高導致種植土存在多個坡度，傳統土體回填施工技術無法長期保證土的坡度。

3 工藝概況

3.1 工藝創新點

針對現有屋面施工工藝的局限，急需研發出一種自身荷載較輕、可滿足復雜造型、施工效率較高的施工工藝，基于以上情況，研發出整體鋼架+組合板種植花園屋面工藝，有效解決了傳統屋面板無法承受較大荷載且需進行大量造型種植屋面的施工技術，詳細如下。

（1）研發整體式鋼架施工技術，替代大部分土體，可大幅消除原種植屋面整體荷載；（2）研發組合板施工技術，即鋼板+混凝土施工技術，可進行種植屋面內人行道鋪筑施工；（3）改進鋼架與屋面節點固定技術，確保局部抗滲效果，消除滲漏隱患；（4）研發種植土分隔擋土技術，采用擋土板將土體固定于每個分格中，可實現不同坡度的種植土造型；（5）引入BIM建模標高控制技術，對局部種植土標高進行精確建模控制。

3.2 工藝創新點

（1）引入整體式鋼架施工技術，替代大部分土體，可大幅消除原種植屋面整體荷載；（2）引入組合板施工技術，即鋼板+混凝土施工技術，可進行種植屋面內人行道鋪筑施工；（3）改進鋼架與屋面節點固定技術，確保局部抗滲效果，消除滲漏隱患。

3.3 受力驗算

受力驗算采用對比法，分析純土壤回填時對屋面產生的面荷載，再分析采用鋼架屋面后形成架空層后的集中荷載，并與現有結構樓板的最大可承受荷載進行對比分析，確定驗算是否通過。

（1）當采用純土壤回填種植屋面時，根據種植土性質，結合土體密度，確定種植土比重為：G=1500kg/m3，將質量轉換為重力，即：F=9.8G=9.8×1500=14.7kN/m3，確定土壤容重為：γ=14.7kN/m3，結合現有實際情況，傳統種植屋面厚度2m~3m，取中為2.5m，即：h=2.5m，結合上式，確定面荷載為：F面=γ·h=14.7×2.5=36.75kN/m2，即采用純土壤回填施作種植屋面時，結構屋面板每平方米需承受36.75kN/m2。

（2）當采用鋼架種植屋面時，根據種植土性質，結合土體密度，確定種植土比重為：G=1500kg/m3，將質量轉換為重力，即：F=9.8G=9.8×1500=14.7kN/m3，確定土壤容重為：γ=14.7kN/m3，結合現有實際情況，鋼架種植屋面厚度0.2m~0.5m，取中為0.3m，即：h=0.3m，結合上式，確定面荷載為：F面=γ·h=14.7×0.3=4.41kN/m2，單位面積鋼架種植屋面面荷載作用長度l1=1m，因此鋼架屋面種植土線荷載為：F線=γ·h·l1=14.7×0.3×1=4.41kN/m，單位面積鋼架種植屋面線荷載作用長度l2=0.5m，因此鋼架屋面種植土集中荷載為：F集中=γ·h·l1·l2=14.7×0.3×1×0.5=2.20kN。

（3）綜合分析：當采用純種植土施作種植屋面時，面荷載可達36.75kN/m2，嚴重超出結構屋面板可承受荷載范圍；當采用鋼架種植屋面時，通過等體積鋼架替代等體積土壤，減少自重，同時將面荷載轉換為集中荷載，僅為2.205kN，結構樓板可承受。受力驗算通過。

3.4 適用范圍

傳統種植屋面需結構設計時考慮大量的土體荷載，影響結構梁、柱和板的配筋，不可避免的影響整體造價。如不專門考慮種植屋面對結構設計的影響，在進行屋面設計時往往因為結構負載能力不足問題導致優秀的種植屋面設計方案無法實現。針對以上情況進行本文研究，因此本技術適用于原結構屋面設計承載較低，無法進行大面積種植屋面施工的建構筑物。

4 工藝原理

工藝采用鋼架+組合板形式，首先根據屋面結構形式以及種植屋面造型，利用角鋼、H型鋼焊接型材鋼桁架，在人行道部位采用壓型鋼板組合板施工，覆土區域焊接整塊不銹鋼板，在不銹鋼板上覆土或安放成品花盆；如采用覆土時，還應根據土體標高采用角鋼制作安裝擋土板。最后，在鋼桁架與結構板固定處采用加厚保護層厚度、噴涂聚脲防水涂料形成卷材保護做法。整體結構如圖2~圖5所示。

圖2 輕自重鋼架組合板式種植花園屋面（平直段）詳圖

圖3 輕自重鋼架組合板式種植花園屋面（平直段）效果圖1

圖4 輕自重鋼架組合板式種植花園屋面（帶坡度段）詳圖1

圖5 輕自重鋼架組合板式種植花園屋面（帶坡度段）效果圖1

本工藝主要研發或改進以下新技術。

4.1 整體式鋼架施工技術

針對土體比重很大的因素（每立方米種植物重量為1.1t~1.9t，平均1.5t），常規普通樓板板厚較?。?00mm~150mm），局部可承受荷載很低，遠遠達不到可承擔較大土體荷載的要求。采用整體式鋼桁架，填充原土體所在范圍，顯著減少了每立方米單位荷載（鋼桁架每立方米重量為0.4t~0.6t）。同時鋼桁架頂部可焊接不銹鋼板，滿足不同標高、坡度要求，可進行復雜標高的種植屋面造型。

4.2 壓型鋼板組合板施工技術

由于種植屋面中常常還有人行道，針對人行道需研究一種專門的結構，以滿足人行道剛度、強度、平整度要求很高的特點。如直接采用鋼桁架，局部平整度可能無法滿足要求，需采用一定的混凝土結構。但如果全部采用混凝土結構，局部荷載很大，對鋼筋混凝土屋面板的承載能力提出較大挑戰。針對以上情況，創造性的引入壓型鋼板+混凝土組合板施工技術，即底部采用壓型鋼板，頂部進行混凝土澆筑，整體50mm~60mm，如圖6所示。

圖6 壓型鋼板組合板剖面圖1

采用壓型鋼板組合式板，可在保證板整體剛度的前提下進一步壓縮板的厚度，同時有效提高施工效率，同時可大幅度降低組合板的整體荷載，滿足結構樓板承載能力較低的要求。

4.3 標高BIM建模控制技術

因部分種植屋面造型復雜，導致存在多個局部標高，如采用傳統定位放線技術則很難進行整體標高控制，基于以上情況，引入BIM技術針對標高進行細部建模，理清各個區域的標高。

4.4 鋼架節點卷材保護技術

因本工藝采用了大量的鋼架，同時鋼架再用膨脹螺栓與結構板進行固定，如不進行專門的節點處理，后施工的鋼架膨脹螺栓極有可能穿透防水保護層對屋面防水卷材造成不可逆的損害，針對以上情況，研發鋼架節點卷材保護技術。本技術主要通過增厚防水保護層厚度、在防水卷材表層噴涂聚脲防水涂料形成一種韌性很強的保護層，同時增厚防水保護層厚度可有效降低或消除膨脹螺栓對防水卷材的破壞。如圖7所示。

圖7 防水卷材節點保護措施工藝圖

4.5 局部土體分隔技術

采用角鋼，根據種植土坡道和造型，按照一定的角度和間距安裝擋土板，擋土板中部有孔洞保證水分可自由通過。利用擋土板把土體分隔于每個分格中，同時分格內土體坡度可逐個精確找坡，實現大面積種植土多個坡度精準控制的效果。

圖8 土體分隔擋土技術示意圖1

5 施工要點

屋面工程作為重要的分部分項工程，對整個單位工程的工期、質量、安全、成本均有較大的影響，因此有必要投入較多的人力物力進行行之有效的施工管理。尤其是大型公共建筑的基礎屋面施工必須充分考慮結構受力情況、屋面綠植設計、荷載情況及使用要求等。本工藝通過對負載能力較低的結構屋面進行研究，通過研發或改進整體式鋼架施工技術、壓型鋼板組合板技術、標高BIM建?？刂萍夹g、鋼架節點防水卷材保護技術、土體局部分隔技術，使得在負載能力較低的結構屋面上進行大體量復雜造型種植屋面施工成為可能，節約了施工成本，縮減了施工工期，希望對類似工程提供一定得指導意義。實際應用時應注意以下幾點。（1）本工藝施工前，應先進行基層清理，確?；鶎訜o明顯垃圾、落灰等。（2）本工藝施工前，應先進行原有結構標高整理，同時匯總梳理種植屋面建筑標高，進而確定鋼架整體和局部高度，以此進行受力分析并進行深化設計。（3）如有人行道等特殊構件，應采用壓型鋼板組合板，并提前確定壓型鋼板組合板的分布及詳細技術參數。（4）鋼架與混凝土樓板的固定節點應盡量少，以減少固定節點處膨脹螺栓可能對防水卷材造成的破壞風險，同時適當提高防水保護層厚度，并在防水卷材表面噴涂聚脲防水涂料，形成具有較好韌性的防水卷材韌性保護層。

6 效益分析

6.1 工期分析

采用傳統的種植土施作種植屋面，需進行大量的土方垂直運輸工作，施工工期較長；當采用鋼架組合板式種植屋面時，大量的鋼架構件可在現場預制并安裝，縮小施工周期，提高施工效率，如圖9所示。

圖9

6.2 工期分析

采用傳統的種植土施作種植屋面，需進行大量的土方垂直運輸工作，土方運輸機械費用很高；當采用鋼架組合板式種植屋面時，大量的鋼架構件可在現場預制并吊裝，機械費顯著降低，綜合單位成本更低，如圖10所示。

圖1 輕自重鋼架組合板式種植花園屋面示意圖

圖10

7 結束語

屋面工程作為重要的分部分項工程，對整個單位工程的工期、質量、安全、成本均有較大的影響，因此有必要投入較多的人力物力進行行之有效的施工管理。尤其是大型公共建筑的基礎屋面施工必須充分考慮結構受力情況、屋面綠植設計、荷載情況及使用要求等。本文通過對負載能力較低的結構屋面進行研究，通過引入整體式鋼架施工技術、壓型鋼板組合板技術、標高BIM建?？刂萍夹g、鋼架節點防水卷材保護技術，使得在負載能力較低的結構屋面上進行大體量復雜造型種植屋面施工成為可能，節約了施工成本，縮減了施工工期，希望對類似工程提供一定的指導意義。