大跨度鋼結構平屋面構造做法創新探索

摘要：結合實際案例——鄭州大劇院屋面構造體系設計，整理分析了當前常用的大跨度屋面防水構造做法及其局限性；結合實際案例的防水設計過程，總結提出適合大跨度場館平屋面的創新構造體系：輕質屋面復合保溫防水系統，可為同類項目設計提供參考和借鑒。

關鍵詞：大跨度鋼結構平屋面；輕型保溫屋面板；單層整體防水；輕質屋面復合保溫防水系統

中國分類號：TU761.1B

［定稿日期］2023-03-17

［作者簡介］吳信德（1976—），男，本科，高級工程師，主要從事建筑理論及技術研究工作。

0 引言

隨著近30年我國城市化進程的飛速發展，近些年各城市也相應建設了與之相適應的一批文、體、交通、會展等類別的大型場館。大型場館的屋面尤其是平屋面的綜合性能涉及到排水坡度、荷載、隔聲、保溫隔熱、防水可靠度、耐久性、經濟性等技術要點，是大型場館設計的一個難點。筆者在參與主持的鄭州大劇院項目設計過程中，對鋼結構支撐的大跨度平屋面構造體系進行了研究比選、探索和創新。

1 鄭州大劇院平屋面特點

鄭州大劇院地處鄭州市中原西區，總建筑面積12萬m2，是鄭州市最高規格的觀演藝術殿堂。鄭州大劇院屋面為不規則平屋面，最大跨度達到186 m，鋼結構平屋面總面積約12 000 m2。屋面外圍根據造型需要設置了高度不等的平面呈弧形的女兒墻，最矮處女兒墻距屋面高度0.9 m。支撐屋面結構體系為正放四角錐平板網架［1］（圖1～圖3）。

鄭州大劇院屋面具備大跨平屋面的典型特征：跨度大、屋面坡度小（2%）、面積大、周邊被女兒墻包圍、鋼結構支撐，同時也有其自身的特殊性：屋面隔風雨噪聲要求高、平面不規則等。

2 鋼結構支撐的大型屋面傳統構造體系對比

鋼結構支撐的大跨度屋面常用構造做法有2種：鋁鎂錳直立鎖邊系統、單層防水卷材屋面系統。下面對這2種構造體系分別進行分析，以判別這2種屋面構造體系是否適合本案所代表的這類大跨度平屋面。

2.1 鋁鎂錳直立鎖邊系統

鋁鎂錳直立鎖邊系統：由65 mm肋高的鋁鎂錳合金板（面板）+防水隔汽膜+保溫層+吸音層+T形支座+隔濕層+支座支撐條+底板（圖4）。

該系統經過市場實踐驗證，防風雨效果良好，且已經形成相應國標圖集，普遍適用于住宅、商用、公共場館等多種建筑類型。但該系統的應用需要滿足下列條件，同時也是該系統應用的局限所在。

2.1.1 有排水坡度要求

鋁鎂錳直立鎖邊系統屋面排水坡度要求不小于5%（嚴寒積雪較厚地區不小于8%），以便于迅速排走屋面雨水，否則難以保證防水效果。同時要盡量避免或少設內檐溝（內排水溝），因為檐溝是鋁鎂錳直立鎖邊系統屋面防水薄弱點，是漏水多發的隱患處，尤其是內檐溝，一旦漏水即直接威脅室內。大跨度空間屋面中，單曲面、坡面、球面等屋面本身坡度就很大，可滿足此項條件。而大型空間平屋面由于屋面范圍大，如果采用該系統，就會在屋面形成多個坡度大于5%的四面坡區間（如果采用重力排水，約每400～500 m2形成一個排水區間），每個區間周邊均需設置內排水口，包括在女兒墻內表面根部也可能會設置內排水口，無可避免會設置多處內排水點，形成多處內排水溝，在這些內排水溝會形成多處潛在漏水隱患點。且相應的坡度和內排水溝也會占用建筑的豎向高度，坡面過高還會干擾立面效果。

2.1.2 有滲漏水隱患

鋁鎂錳直立鎖邊系統屋面常用肋高65 mm，板和板之間采用360°直立鎖邊咬合進行連接，這個連接屬于結構性防水，且在內部冷熱應力或外力作用下會發生一定松動實際應用中達不到嚴格意義的水密性防水設計。如果是坡度較大的無女兒墻屋面，水可以快速排走不積聚，使用這種直立鎖邊構造問題不大。但是大型平屋面通常坡度小、有女兒墻，雨水不會迅速排走。在遇到極端暴風雨天氣（如2021年的鄭州7.20特大暴雨災害）或者是嚴寒地區屋面較厚積雪在春季晝夜凍融循環時，水位高過肋頂，倒灌進連接處造成漏水（圖5）。竄水范圍大，一旦漏水不易找到漏點。

2.1.3 清雪困難

鋁鎂錳屋面體系剛度差，上人后易將屋面踩踏變形，不宜上人清雪，再者，鋁鎂錳屋面上的肋板也使清雪難度增加。

2.1.4 隔屋面噪聲差

鋁鎂錳直立鎖邊屋面體系內部設有吸聲層，吸聲層可吸收室內的聲音同時對隔絕室外空氣傳聲也有一定作用，但在隔絕外力振動屋面板產生的噪聲的性能卻較差。如大風、大雨、冰雹震動屋面的聲音會通過屋面傳導到室內，對室內聲環境帶來影響。尤其是對鄭州大劇院這樣要求高標準聲學指標的大型場館，更是不利。

綜上局限，鋁鎂錳直立鎖邊構造體系不適用于大型平屋面尤其是嚴寒和寒冷地區的大型平屋面以及有特殊聲學要求要求的大空間屋面。鄭州大劇院最終放棄鋁鎂錳直立鎖邊屋面系統。

2.2 單層防水屋面構造系統

此系統是以底板承力的屋面體系，屋面所有荷載直接由屋面底板承受，再由底板傳遞給檁條。系統由底板、隔汽層、保溫層、覆蓋層、整體防水卷材防水層組成（圖6）。

建筑論壇與建筑設計吳信德： 大跨度鋼結構平屋面構造做法創新探索——以鄭州大劇院為例

該系統保溫材料可選用巖棉板或擠塑板，覆蓋層選用水泥壓力板等防火板材（A級泡沫玻璃保溫層可不設置覆蓋層）。防水材料需選擇耐候性優良的整體性防水材料，鋪裝采用采用空鋪、點粘、條粘、機械固定的方式。搭接處采用本體熱風焊接。該構造體系承載力強，自重輕，整體性防水可靠易維修。缺點是屋面上層剛度差，屋面維修或清雪等作業時容易破壞，空鋪時平整度差，需要獨立設置防雷體系，隔聲外部噪聲性能差等。這種做法實際效果也已經得到市場驗證，技術成熟，并形成了相應的國標圖集《單層防水屋面建筑構造（一）金屬屋面》15J207-1供工程參考。

鄭州大劇院屋頂有較多設施（天窗、通風口、局部太陽能設備等），有一定檢修頻次，對屋面剛度有一定要求；其次大劇院對屋面隔聲性能要求高，隔聲性能是鄭州大劇院屋面的硬性要求。綜上，這種屋面構造也不適用于鄭州大劇院。

經綜合研究，鄭州大劇院設計團隊借鑒了上述這2種常用屋面構造體系，尤其是單層防水卷材屋面建筑構造系統的優點，加以改進和創新，產生了適合鄭州大劇院的一種新的屋面構造組合體系：輕質復合保溫防水屋面系統。

3 輕質保溫防水復合屋面體系

輕質保溫防水復合屋面體系構造（從下到上）：找坡檁條+輕質保溫復合屋面板+保溫隔熱層+覆蓋找平層+整體防水層+保護層（圖7）。

由下至上，各構造層材料選擇和考量如下。

3.1 找坡檁條

按照屋面排水圖，在下層正放四角錐平板網架上設置檁條，形成屋面板支撐結構體系。

3.2 輕質保溫復合屋面板

大劇院屋頂要求剛度大、具備一定承載力、隔聲能力強。但同時，屋面支撐結構為平板網架結構，跨度大，屋面結構板如果全部采用鋼板混凝土，能夠滿足上述條件，但是鋼板混凝土會增加荷載，結構用鋼量增加，不經濟。設計最終選擇了輕質保溫復合屋面板，該板由型鋼邊框、鋼筋桁架、改性EPS板輕質混凝土保溫芯材，輕質混凝土芯材由上、下面層復合而成。產品工廠生產、現場安裝。該板為成熟技術，市場應用已經十余年，做法有相應國標圖集《鋼框輕型屋面板》09CG11可以參考。采用這種板材，相比較鋼筋混凝土自重可以減少50%（圖8）。

在板材既有的國標構造基礎上，鄭州大劇院設計團隊做了一個創新，在外圍型鋼邊框上加設焊接鋼筋，焊接鋼筋在工廠內完成以確保焊接牢固，此鋼筋用于同保溫層上面的覆蓋層內鋼筋進行拉結，以保證作為卷材基層的覆蓋層的穩定性和抗風揭能力。鋼筋的長度根據屋面構造層厚度及覆蓋層鋼筋錨固長度確定，由設計方提供數據給廠家預留。

屋面板規格因為需要工廠生產，現場安裝，所以規格不能多。局部異形區域，可以輔以鋼板現澆混凝土替代。輕質保溫復合屋面板保證了屋面構造體系的整體剛度，于隔聲有利。經聲學檢測，其綜合隔聲量達到劇院聲學設計要求。

3.3 保溫隔熱層

前一項輕質保溫復合屋面板已經具有一定保溫性能，但對于嚴寒地區或寒冷地區不一定能夠滿足保溫要求，設計中可以根據相關要求進行熱工計算，根據計算結果設置相應保溫層。保溫層選用容重不小于40 kg/m3的擠塑板（壓縮強度大于500 kPa）。鄭州大劇院最后確定了50 mm厚擠塑板保溫層。擠塑板保溫性能、平整度、易加工性、自重輕等方面都優于巖棉板。

3.4 覆蓋找平層

找平層需要考慮下層非A級保溫層的防火保護，并保證施工后的平整度。如果參照按國標中單層卷材屋面防水做法，選用水泥壓力板等薄型覆蓋材料，則其剛度、平整度和穩定性均不可靠，施工水平不易控制，后期檢修及清雪易損壞。鄭州大劇院最后采用40 mm厚C20鋼筋混凝土覆蓋層，內配6@200 mm鋼筋網，鋼筋網同下面的屋面結構板預留鋼筋拉結固定。混凝土澆筑，隨打隨抹平。

40 mm厚鋼筋混凝土作為保溫層的防火覆蓋層，同時作為防水層的基面，其剛度、穩定性、平整性、耐久性都優于水泥壓力板。同時，由于鋼筋混凝土覆蓋層通過鋼筋同結構樓板牢固拉結，保證了覆蓋層的抗風揭能力和安全性。鋼筋混凝土覆蓋層在每塊結構板單元四邊預埋2 mm厚鋼板（鋼板同覆蓋層內鋼筋焊接），為下一步防水層的敷設做好準備。

3.5 整體防水層

防水層的選擇，借鑒單層防水屋面的做法，選用1.5 mm厚增強型（P型）TPO防水卷材（也可以選擇進口西卡耐滲PVC或國產優質PVC［2］）。卷材搭接處采用本體熱風焊接，形成整體防水層。顏色選用可外露的淺灰白色，光滑高反射，節能耐污染。目前單層防水屋面中的TPO防水層往往采用機械固定、膠粘或空鋪的方式鋪設在壓型鋼板上或混凝土基面上。在混凝土基面上作業目前都選用的膠粘法。但由于混凝土基面平整度偏差，僅用膠粘法并不可靠，設計采用膠粘和機械固定相結合的方式：卷材首先滿粘在覆蓋層單元上，在覆蓋層上預留鋼板位置，將TPO卷材邊緣用墊片和螺釘進行機械固定。機械固定作法有國標圖集《單層防水卷材屋面建筑構造（一）-金屬屋面》可以參考。

鄭州大劇院于2020年5月份建成運營。項目驗收期間聲學檢測指標均滿足聲學設計要求。項目投入運營至本文發稿已歷經2個完整循環季的運營檢驗。特別是在運營期間，經歷了2021年7月的“河南7·20特大暴雨洪災”，本案輕質屋面復合保溫防水體系經受住了嚴峻考驗，整個超12 000 m2的大跨度鋼結構屋面做到了無滲漏、無損壞，得到了業主和主管部門的肯定。

4 總結和分析

本案以成熟的、經市場驗證的成熟屋面構造體系為基礎，針對本案設計的實際痛點和需求，對大跨度鋼結構平屋面進行下列2點創新：

（1）屋面結構板用輕質混凝土板代替傳統的壓型鋼板，解決了屋面剛度不足、屋面隔風雨噪聲性能差的問題。

（2）采用粘貼和機械固定相結合的方式，將單層防水體系中卷材用于混凝土基面上，解決了單層防水卷材在混凝土屋面鋪設的安全性和可靠性需求。

本案創新的這種輕質復合保溫防水體系，較適用于鋼結構支撐的大跨度平屋面，尤其對與本案同類型的、有隔聲要求的大跨度建筑平屋面，具有一定借鑒意義。不同氣候區的工程采用這種屋面系統時，需要根據當地特點和要求，進行必要的熱工計算、結構計算和耐候性考量。

參考文獻

［1］ 鄺勇，葛兆，王亞洲. PVC單層防水屋面系統在廣州聯邦快遞亞泰轉運中心工程的應用［J］. 中國建筑防水. 2009（2）：5.

［2］ 袁振軍，蘇芳迪， 毛小東， 等. 鄭州大劇院超限復雜結構抗震設計［J］. 建筑結構. 2018（6）：51.