金属拱形波纹屋顶在改造工程中的应用

宋　萌　郑必杰　刘　彬

[摘要]金属拱形波纹屋顶是一种新型的空间钢结构，在北京蒲黄榆危房改造中应用了这种新型结构。通过与传统材料的对比，这种空间结构具有传统结构不可比拟的优越性，在工程应用中张显了自己独特的魅力。

[关键词]改造方案 金属拱形波纹屋顶 综合效益

中图分类号：TU8文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0510094－02

一、工程概况

本工程位于北京市蒲黄榆铁路住宅区内，三面环绕住宅楼，一面临小区马路。建筑面积580平方米，跨度14米，长40米。原为单层砖木结构，砖墙、木屋架、瓦屋面。由于建造年代久远，房屋的寿命已无从考证，也找不到相关的建筑资料。经过长年累月的风雨侵蚀，现存在多处病害，且表现的相当突出，木屋架、望板轻度腐朽，瓦屋面破损漏雨，已严重影响了使用功能和结构的安全性。经过技术人员的认真鉴定，决定对此房屋进行改造利用，建成大空间的菜市场。

二、传统的设计方案及存在问题

根据北京市规划部门的要求，不可能进行整栋房屋的拆除新建，只能进行内部及屋顶的维修改造。鉴于木屋架等已危危可及而外墙尚好，决定更新屋顶结构，只对下部结构进行改造。因此，结合使用要求，提出了以下两个方案：

第一方案：拆除室内吊顶以上所有屋顶结构（含木屋架）及室内所有纵横隔墙，保留外墙为围护结构，并将外墙加高至4.5米，现浇钢筋混凝土壁柱，采用钢筋混凝土梁及预应力空心板屋盖，另做保温及卷材防水屋面。

第二方案：拆除部分同上，也保留外墙为围护结构，现浇钢筋混凝土壁柱，采用钢屋架、瓦屋面及轻钢龙骨吊顶。

随着方案的出台，将所遇到的难题归纳为如下四点：

1．工程造价偏高；

2．施工复杂，周期较长；

3．与原有结构难有良好衔接；

4．建筑造型普通，室内净空小。

由于房屋的跨度较大，无论是对钢筋混凝土梁板还是钢屋架，都会有较高的要求，而资金有限，属于单位自筹，目的就是要用最低限度的投资，来最大限度的创造经济效益。可这两个方案均需耗费大量的人力物力，施工周期也较长。换个角度，从主观方面来看，人为的影响因素也是不可忽略的，本房屋与周围住宅楼仅有十来米的间距，施工场地狭小且不必说，长时间的施工噪音，必然会引起周围居民的不满而产生纠纷；从方案本身的结构来看，新建部分与原有围护结构不能形成整体，对于单层空旷房屋的抗震十分不利，一些节点的处理也将十分复杂；从方案本身的建筑方面来看，建筑造型为平屋顶或坡屋顶，外观不够优美，也不符合商业建筑须引人注目的要求，另外，因面积较大，室内净空较小，人在里面感到压抑，影响使用效果。

问题如此之多，采用什么设计方案才能消除以上这些弊端呢？

三、金属拱形波纹屋顶简介

要寻求解决问题的方法，首先得把思路从传统结构的桎梏中解放出来，来认识一种新型结构金属拱形波纹屋顶。

金属拱形波纹屋顶属薄壁轻型钢结构，它是由很薄的彩色镀锌钢板（0.8～1.5mm）通过金属屋顶成型机连续冷模辊压成带有横向波纹的拱形槽板，然后用自动封边机将若干这样的槽板锁缝，组成吊装单元，并吊至屋顶圈梁安装就位而成的一种屋顶结构形式。它优美的外形，梁板合一的独特优点，开阔的空间，低廉的造价，快速的施工速度，无疑使它成为首选设计方案。因为是改造工程，还必须同时考虑房屋的抗震加固。经过慎思密虑，一个全新的设计方案成熟了。

四、确定新方案

金属屋顶是通过圈梁中的预埋件同下部结构连接。因为本屋顶的自重很轻（12～26kg/m2），因而，下部结构的柱子主要承受它的水平推力，通常情况下，采用钢筋混凝土圈梁和柱子比较经济。

根据这种屋顶结构的受力、制作和安装特点，确定了如下方案：拆除部分还同原方案，保留外墙作为围护结构，外墙上门窗不变，可以满足采光要求。在外墙顶现浇一道钢筋混凝土圈梁，墙外侧现浇钢筋混凝土附墙柱，柱顶与圈梁顶保持同标高，柱与圈梁、外墙紧密联结，圈梁顶预留埋件与屋盖连接，屋盖采用红色银河金属拱形波纹屋顶。如下所示剖面图。

这个方案很象现在砌体房屋的抗震加固，柱子、圈梁、墙体之间的连接确实完全符合抗震加固的构造要求，同时承受着拱形屋顶传来的力。这样不仅增强了原来结构的整体性与稳定性，提高了抗震能力，还不必专为屋顶配置梁柱，起到了一箭双雕的作用。

需特别说明的是屋顶的保温与防水问题，金属拱形波纹屋顶结构的保温可采用拱壳内侧喷聚胺脂，1cm厚的聚胺脂可达到24cm厚砖墙的保温效果，且现场发泡而成，保温性能好，无冷桥。本设计采用了2cm厚的聚胺脂保温。另外，这里所指的防水是指屋顶与下部圈梁的连接节点处。因屋顶镀锌彩板为锁边连接，且连接部位在屋面的高处，不会存水、渗水，故结构本身的防水性能无可挑剔，但节点处的防水若处理不好，一方面造成沿墙壁向室内渗水，另一方面积水腐蚀连接部位的角钢及预埋件，影响结构的耐久性。在本工程中，节点内侧喷聚胺脂同屋顶保温层浑然成一体，节点外侧以细石混凝土找坡，再用我段自产的海帕伦防水涂料刷两遍防水，确保这个防水的薄弱环节万无一失。（如下图所示）

五、综合效益分析

经过精心的设计，专业的施工，一道红色的彩虹终于盘蜒于建筑群体之中，与周围的绿树灰砖相映衬，更显出它的优美姿态。在本工程中应用银河金属屋顶带来的综合效益体现在以下五个方面：

（一）用料省、造价低

金属波纹屋盖采用0.8～1.5mm厚镀锌钢板，实现板架合一，无需檩条、屋架等其他承重构件，具有自承重、自然防水的功能。尽管镀锌钢板的价格较昂贵，但造价仍低于同等跨度的其他屋顶形式。以下是造价对比：

计取各种费率后，屋顶造价为38万元，单方造价为678元/m2。

银河金属屋顶加聚胺脂保温在本工程中实际发生14.56万元，单方造价260元/m2。

以上数字表明，采用金属波纹屋盖与采用传统的钢屋架、瓦屋面相比，每平米竟能节省400余元，这体现出了巨大的经济效益。

（二）生产效率高，建造周期短

屋顶成型机及自动封边机全部是自动化的施工设备，专业的施工队伍每台班可制安800m2拱形板。本工程560m2的屋顶仅用了一天就全部制安完毕，最大限度减少了施工给人们生活带来的不便。

（三）质量优，性能好

镀锌钢板轻质高强，耐腐蚀，屋盖采用机械封边连接，气密及防水性能可靠，现场喷保温材料，施工简单。另外，由于金属波纹屋顶自重轻，因而对下部结构要求不高，梁柱不用设计的十分肥大。通常情况下，圈梁位于柱顶，将屋盖的侧推力及压力传给柱子，因为本工程为改造工程，须保留原外墙并采取加固措施，在构造上使梁柱牢固连接，同样能够协调作用，整体性能更好。

（四）施工机动、灵活

全部材料及配件随设备安放在汽车上，可直接运往现场，制作与安装方便灵活，且不用搭设脚手架。金属屋顶是在现场将镀锌钢板压制成型，却并不需要很开阔平整的场地，就可迅速完成金属屋顶的流水生产线。本工程的施工现场，最宽处也只有十来米，对于其他结构的施工，可能连材料的堆放场地都不够用，而银河金属屋顶就是在如此狭小的场地中一天完成了所有的工程量。

（五）造型优美，空间开阔

金属屋顶有艳丽的色泽，优美的曲线，良好的装饰性能。屋顶的矢跨比为0.2～0.3，室内无檩无梁，空间开阔，可利用屋顶自身的净空来满足建筑使用要求。考虑到房屋竣工后的商业用途，就采用了绯红的屋顶颜色，在周围以灰色为主色调的建筑群中，显得光彩夺目，散发着勃勃生机。房屋的跨度依旧是14米，那么屋顶矢高为3米，室内净高就达到了6米左右，形成了开阔明亮的空间，创造了一个良好的购物环境。

六、金属拱形波纹屋顶的推广应用

近年来，随着我国经济建设的飞速发展和钢产量的迅速增加，轻型钢结构得到了前所未有的发展。与传统的砖木、混凝土结构相比，轻型钢结构以其轻型、高强、施工快速、造型优美等特点受到建筑界的青睐。

金属拱形波纹屋顶的应用绝不仅限于改造工程，它已广泛地被工业厂房、仓库、车库、商场、餐厅、礼堂等建筑领域所采纳，如北京市大旺食品有限公司食品生产车间、北京图书发行部、国家粮食储备库网球馆等均采用了这种屋顶结构，放眼全国范围，金属拱形波纹屋顶业已走入了许多大、中、小城市。

在实际工程中，根据工程规模大小和使用要求的不同，这些屋顶结构有单跨、双跨和多跨以及不等高跨多种形式。虽然，单一曲率的圆弧拱，限制了这种结构的建筑造型，但这并不意味着建筑师们在这种结构上没有文章可做，实际上通过不同矢跨比、不同色彩的搭配，以及屋顶采光带和下部门窗的巧妙布置，一样可以具有丰富多彩的建筑造型，更加拓宽了它的应用范围。

通过金属拱形波纹屋顶在本工程中的应用，能看到它在各领域的广泛推广和其中所蕴藏的巨大的经济效益。由于此种结构从国外引进时间较短，目前我国还没有这种结构的设计及施工规程，但它所具有的应用范围广、使用寿命长等卓越优点，能迎合现代社会快速、高效的发展要求，将会越来越受到人们的喜爱。相信不久的将来，这种结构会有完善的理论分析和；实验研究，在建筑市场上将具有强大的生命力和光明的应用前景。

参考文献：

[1]刘锡良，一种新型空间结构银河金属拱形波纹屋顶，建筑结构学报，96（4）.

[2]赵凤花、张勇、李宗许，波纹薄壳梁板合一的新结构，建筑工人，97（3）.

[3]朱黎心，银河金属拱形波纹屋顶的设计，制作与安装技术，建筑知识，97（4）.

作者简介：

宋萌，女，汉族，北京海淀区人，中国矿业大学建筑工程学院06级土木工程专业，工业与民用建筑方向；郑必杰，汉族，福建福州市人，中国矿业大学建筑工程学院06级土木工程专业，矿山建设与地下工程方向；刘彬，男，汉族，四川自贡市人，中国矿业大学建筑工程学院06级土木工程专业，矿山建设与地下工程方向。