铁路客站雨棚金属屋面系统设计研究

韩志伟

（铁道部工程设计鉴定中心 副总工程师，北京 100844）

0 引言

“十一五”期间，伴随着铁路建设的快速发展，建成了一大批新型客站，这批钢结构客站雨棚绝大多数采用了金属屋面系统。金属屋面作为轻型屋面系统其优点不言而喻，但是，由于其自重轻，对风十分敏感，设计、施工考虑稍有不周，极易被风掀覆。铁路客站雨棚风揭破坏危及行车安全，后果十分严重，因此，确保客站雨棚金属屋面系统的安全，是设计必须要研究解决的问题。

1 金属屋面系统简介

金属屋面是指采用金属板材作为屋盖材料，将结构层和防水层合二为一的屋盖形式。金属板材的种类很多，有钛合金板、铜板、不锈钢板、铝镁锰合金板、镀铝锌钢板、复合镀铝锌合金板、普通压型钢板等多种材质。厚度一般为0.4～1.2 mm，板的表面需要进行涂装处理。由于材质及涂层质量的不同，板的寿命也不相同，一般在20～50年，最长可达100年。板的制作加工，结合建筑设计需要，形状可多种多样，从大型公共建筑到厂房、库房、住宅等均有使用，并逐渐成为现代公共建筑屋盖的首选材料。

1.1 不同金属屋面材料的性能特点

纯钛板。纯钛含量达99.97%。具有无可比拟的物理性能：强度高、质量轻、密度小、耐酸碱，用于特别重要的建筑。

钛锌板。主要成分是金属锌，加上少量的钛、铜、铝混合冶炼而成的钛锌合金板。具有极佳的柔韧性、延展性、多样性，极强的“自愈”功能，使用寿命可达100年之久，一般用于重要建筑的屋面及外立面。

铜板。主要成分是无磷去氧还原铜。在所有金属中铜的延性最好，其加工性能不受温度的限制，低温不变脆，具有良好的可焊性和防火不燃性，超凡的稳定性和抗腐蚀性，一般用于有特殊要求的重要建筑的立面及外立面。

不锈钢板。含铬量不少于11%的铁合金。具有良好的金属加工性能，超强的耐腐蚀性能。表面有金属光泽质感，一般用于特殊建筑的屋面及立面。

铝镁锰合金板。铝、镁、锰三种材料组成的合金板，强度高、质量轻、延展性和导电性好，具有抵抗多种酸性侵蚀的能力，连接方便（可铆、焊），材质具有超过40年的使用寿命，一般用于公共建筑。

镀铝锌钢板。基板由 55%的铝，43.5%的锌和1.5%的硅组成的合金板，其防腐能力为同等条件镀锌钢板的4～6倍，是用于屋面、外墙面比较理想的材料。全球超过15亿m2的工程实例使用镀铝锌板，这种屋面系统在正常情况下使用寿命均超过20年，一般用于工业建筑及公共建筑。

复合板。镀铝锌复合钢板。在一层金属板上覆以另外一种金属及其他材料，以达到提高防腐性能、改善机械强度等效果。复合板寿命超过30年，一般用于公共建筑及工业与民用建筑。

压型钢板。采用镀锌钢板、冷轧钢板、彩色钢板等作原料经辊压、冷弯成形。具有轻质高强、施工方便、抗震防火等优点，一般用于临时性建筑。

1.2 金属屋面板的连接方式

金属屋面的连接有焊接、搭接、咬接等多种方式。在铁路客站中常用的铝镁锰合金板、镀铝锌钢板屋面系统的连接方式主要有以下几种形式。

1.2．1 立边咬合系统

立边咬合系统是通过咬合边与隐蔽支座形成的连接方式，可解决因热胀冷缩产生的破坏力（参见图1）。整体结构性防水、排水功能好，无论建筑形状如何，三维弯弧特异造型易加工。均能完全咬合接缝，整个屋面没有钉孔，既可以使屋面在温度变化时自由伸缩，避免温度应力，又杜绝了系统螺钉固定方式造成的漏水隐患。结构简洁、轻巧、安全。

图1 直立锁边屋面板连接示意图

1.2．2 卷边系统

卷边系统适用于镀铝锌钢板，360°卷边系统无需其他防水填充材料辅助，屋面板肋通过电动锁边机扣成360°折封，折封后的屋面完全防渗、防水，能抵抗高强负风压（参见图2）。

图2 镀铝锌钢板360°卷边连接示意图

1.2．3 古典式扣盖系统

具有整体结构性防排水功能。 无需化学嵌缝胶填缝，免除污染与老化问题。自然循环通风构造，延长建筑使用寿命。 结构简洁、轻巧、安全（参见图3）。

图3 扣盖系统屋面板连接示意图

1.2．4 自攻螺钉系统

传统单层普通压型钢板屋面系统，均采用自攻螺钉连接。在单层薄板金属屋面板系统中是最为经济的系统，耐久性较差，一般用于耐久年限25年以下的民用及公共建筑、工业建筑屋顶。近年来，国外研究发展的新型镀铝锌复合板，解决了传统单层屋面板耐久性差的问题，连接简便，发展迅速，广泛应用于各类建筑。

1.3 金属屋面系统设计需考虑的因素

1.3．1 承重

承受施工荷载、雨水、粉尘、雪压、维修荷载。金属屋面板的承重性能与板型的截面特性、材质的强度厚度、传力方式、檩条的间距有关。

1.3．2 抗风

抵抗当地最大风压，保证金属屋面板不会被负风压拉脱。抗风性能与金属屋面板和固定支座的扣合力、固定支座的密度有关。

1.3．3 隔音

阻止声音从室外传到室内或从室内传到室外。在金属屋面层内填充隔音材料 （通常由保温棉充当），隔音效果以金属屋面层两侧的声强差分贝表示。隔音效果与隔音材料的密度、厚度有关。

1.3．4 防渗

防止雨水从外面渗到金属屋面板内。雨水主要是通过搭接缝隙或节点进入金属屋面。要达到防渗的功能，需在螺钉口使用密封垫圈后采用隐藏式固定，在板的搭接处用密封胶或焊接处理，最好是用通长的板以消除搭接，在各种节点部位腹胀严密的防水处理。

1.3．5 防雷

把雷电引到地面上，防止雷电击穿金属屋面进入室内。

1.3．6 采光

白天通过天窗改善室内照明，节省能源。在金属屋面的特定位置布置采光板或采光玻璃，应考虑天窗的使用寿命与金属屋面板协调，在天窗与金属屋面板的连接处做好防水处理。

1.3．7 安全装置

在金属屋面上设置防坠落固定设施，保护施工人员及维修人员在屋面作业的安全。

1.3．8 防冰柱

防止雨雪冻融在檐口处形成冰柱，一般采用在屋面檐沟加电伴热系统解决此问题。

1.3．9 美观

1.3．10 控制热胀冷缩

控制金属屋面板的收缩位移及方向。确保金属屋面板在温差大的地区不会因热胀冷缩产生的应力而被破坏。

1.3．11 保温

阻止热量在金属屋面的两侧传递，使室内气温稳定。保温功能通过在金属屋面板下填充保温材料（常使用玻璃棉、岩棉）实现。

1.3．12 吸音

减小对声音的反射，降低室内的回音。吸音功能通过在金属屋面底层铺置吸音棉，并在底板上冲孔实现。

1.3．13 防潮

防止在金属屋面底层和金属屋面层内有水蒸气凝结，排走金属屋面层内的水汽。解决方案是在金属屋面层内填充保温棉，金属屋面底板上铺置防水膜，金属屋面板上有可通风的节点。

木材卸光，赵集站在空车厢上，注视何良诸前俯后仰，大起大落，游刃有余的姿势，心里惊讶，好家伙，从城里来的搭车人，竟是剥树皮的行家。赵集哪里知道，何良诸八岁前，就住在井口附近的棚户区。何良诸将鞭子和马交还给小男孩，心满意足地离开木材场，朝井口走去。

1.3．14 防火

发生火灾时，金属屋面材料不会燃烧，火苗不会穿透金属屋面板，要求在选择屋面系统保温材料时，选用不燃材料。

1.3．15 通风

采用金属屋面的大型公共建筑，一般需要借助屋面进行室内外空气交换，通常做法是在金属屋面上设置一定数量的通风口或可开启的通风窗。

1.3．16 防雪崩

在降雪地区的金属屋面上一般要设置挡雪栏杆，防止积雪突然滑落，造成灾害。

2 铁路客站雨棚环境特点及金属屋面风揭分析

客站雨棚使用环境为开敞的室外空间，其屋面与体育场建筑屋顶相类似，设计时不需要考虑保温、通风问题，一般也不需要考虑隔音、采光问题。但不同点在，客站雨棚承受自然风的同时，还承受列车通过时脉动风的反复作用。目前，初步的研究表明，列车高速（200～300 km/h）通过车站时产生的空气脉动力对雨棚屋面的风揭破坏通常不起控制作用，对主体结构也不会造成疲劳，但空气脉动力会引起屋面檩条及屋面系统反复小幅振动。这种振动对屋面系统中的结构构件及连接部件肯定会有影响，影响程度有多大、是否会造成构件及连接部件的疲劳，还有待进一步深入研究。在没有确切结论之前，建议设计时要在构造措施、材料标准上，针对不同的通过速度及区域气候环境特点有所加强，并要进行必要的分析计算。

2.1 雨棚屋面系统受力关系

雨棚屋面系统属于轻型结构，系统中受力构件由檩条、衬板、屋面板支座、面板组成（参见图4）。檩条—支座—（支座自身强度）—屋面板之间，按照木桶理论原理，最薄弱的环节，决定着系统的最大抗风揭能力。

图4 屋面支座面板咬合示意图

2.2 风揭破坏原因分析

近一段时间，新建铁路客站密集性地发生了多起雨棚屋面系统风揭破坏事故。分析事故原因，客观上有极端天气带来的超常破坏，但是，细致分析后，笔者认为事故的发生不是偶然的，也不能简单地归咎于施工缺陷。在调研的基础上，初步分析风揭破坏有以下几方面原因。

2.2．1 发生破坏的雨棚屋面构造体系不太适合室外环境

发生风揭破坏的雨棚屋面，承托吸音材料的下部构造层采用钢丝网（参见图5）。最下层的离缝吊顶层对屋面板系统缺乏必要的抗风保护，实质上是单层系统。该构造系统不太适合室外环境（参见图6）。

图5 雨棚常用系统构造图

图6 受力分析图

2.2．2 发生破坏的雨棚屋面构造连接存在薄弱环节

屋面板通过支座与檩条连接，支座、螺栓（钉）等构件的自身强度，支座的分布、螺栓的数量直接决定系统的可靠性。发生风揭破坏的雨棚屋面，连接部位都不同程度地存在薄弱环节。

2.2．3 发生破坏的雨棚屋面施工工艺存在不同程度的缺陷

施工工艺符合标准、精细是雨棚屋面的安全保障。发生破坏的雨棚屋面系统，通过检查破坏后的现场情况，发现实施过程中，因种种原因，施工工艺都存在不同程度的缺陷。

2.2．4 发生破坏的雨棚屋面系统缺乏必要的实验数据支撑

工程是实践性学科，金属屋面中的锁缝咬合力无法通过计算确定。针对某一工程设计的系统，一般需要通过实验确定其系统的抗风能力。发生破坏的雨棚屋面系统，普遍都没有做过抗风揭实验。雨棚屋面系统的抗风揭能力，缺乏必要的实验数据。

3 铁路客站雨棚屋面设计应注意的问题

雨棚是重要的铁路客运设施，回顾客站雨棚的发展历史，笔者认为，雨棚设计要综合考虑安全、实用、美观、耐久、维护问题，要理性选择适宜的设计方案[1]。应深入研究屋面系统建筑技术、研究屋面体系的构造、研究确保屋面防风揭的工程措施，重点关注以下几方面的问题。

3.1 适当提高屋面系统的整体安全可靠度

工程结构可靠性，是指在规定时间和条件下，工程结构具有的满足预期的安全性、适用性和耐久性等功能的能力。由于影响可靠性的各种因素存在着不定性，如荷载、材料性能等的变异，计算模型的不完善，制作质量的差异等，而且这些影响因素是随机的，因而工程结构完成预定功能的能力只能用概率度量。结构能够完成预定功能的概率，称为可靠概率；结构不能完成预定功能的概率，称为失效概率。工程结构设计的目的,就是力求最佳的经济效益,将失效概率限制在人们实践所能接受的适当程度上。失效概率愈小，可靠度愈大，两者是互补关系。雨棚屋面系统安全与行车安全密切相关，设计时要从安全等级、系统受力、节点构造、材料标准、制造工艺几个方面综合考虑，提高其安全可靠度。

3.1．1 提高系统安全等级

建筑结构设计时，根据结构破坏可能产生后果的严重性，采用不同的安全等级。建筑结构安全等级划分为三级（一级：重要的建筑物；二级：大量的一般建筑物；三级：次要的建筑物）。重要建筑物与次要建筑物的划分，应根据建筑结构的破坏后果，即危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等的严重程度确定。基于雨棚的重要性，设计时安全等级宜采用一级，同时，基本风压、雪压的计算取值应采用100年一遇值。

3.1．2 强化屋面系统结构安全概念

结构设计中很重要的概念：一是要采用对可能受到的危害不敏感的结构类型；二是避免结构出现无预兆的破坏。一种结构体系，受力的合理性、构造体系的可靠性更为重要。鉴于雨棚开敞的室外环境，并需要承受几百万次列车风影响，设计要从屋面系统的受力概念上增加抗风揭层次，研究檩条布置、研究节点构造，提高屋面系统的安全可靠度（参见图 7）。

图7-1 不同构造做法受力分析

图7-2 不同构造做法受力分析

3.1．3 加强节点构造措施

屋面系统中，檩条、支座等构件强度对系统安全十分重要，设计中应加强对系统中支座、连接构件、夹具的构造设计，对屋面中的薄弱区域，要通过加檩距、增加支座数量、调整板的宽度、在板肋增加可靠夹具等必要措施，从构造上消除隐患（参见表1）。

表1 基本风力与檩条间距

3.1．4 适当提高材料的厚度标准

鉴于雨棚与行车安全密切相关，且目前我国材料标准的公差都为负值，在计算的基础上，设计文件应设定雨棚屋面系统中材料厚度的最低标准（参见表2）。对采用的不同支座，设计应通过计算，给出拉拔力的最低限值。

表2 雨棚屋面系统材料厚度标准 mm

3.1．5 进行必要的实验验证

金属屋面系统中的锁边咬合力无法通过计算确定，针对某个项目设计好的屋面系统，能否达到设计的目标，要进行必要的实验验证。通过实验，求证其设计的安全性，并为施工验收提供技术工艺标准。

3.1．6 因地制宜，研究创新

针对西北部风荷载较大地区及沿海可能受台风侵袭的地区，设计要因地制宜，研究风敏感性弱、能够适应气候环境特点的新型组合屋面系统。通过系统创新，确保安全。对新型屋面系统，设计要高度重视不同材料温度变形的差异性，研究合理的构造措施，研究提高系统防水耐久性的措施，并在实践中不断总结、改进、完善，使该系统的构造更加合理。

3.2 提高屋面系统的工业化水平

雨棚设计在强调个性化的同时，还要根据线路等级制定统一的标准，为工厂化制作、标准化施工创造条件。

3.2．1 精致构件设计

雨棚是与旅客乘降密切相关的重要客运设施，在保障安全的前提下，设计还要充分重视其美观性。在钢结构建筑中，结构成为形象构成的重要因素，结构的形体、构件、节点很大程度上制约着建筑的形象。设计师要通过精致构件设计，塑造建筑、结构一体化的简约建筑形象，创造出技术与艺术融为一体的钢结构雨棚建筑。

3.2．2 立足标准化、装配化

在铁路建设中，中间车站量大、分布广，而中间车站雨棚的技术条件又相对统一。为了更好地控制中间车站施工工艺，建议有关部门着手研究编制分不同线别的中间客站雨棚标准图。通过工厂化制作、装配化施工，减少现场施工瑕疵。

3.2．3 持续创新，改进施工工艺

设计要深入现场调研，结合现阶段我国建筑行业产业工人的整体技术水平，不断总结经验，充分考虑现场的实际困难，改进构件连接工艺，为标准化作业创造条件。

3.3 建立雨棚保养维护说明书制度

工程结构要完成正常的使用功能，在使用期限内应对结构的状况定期检查，进行必要的维护与维修，保证结构状态良好。

3.3．1 设置必要的维修设施

雨棚是有“生命”的建筑屋，在其合理的寿命周期内，正常的保养、必要的维修是保证其健康服役的前提。设计要从源头上研究雨棚在寿命周期内构件的维修事宜，配设必要的检查、维修设施。

3.3．2 提出雨棚检查维护使用说明

产品都应有说明书,设计应根据使用年限内金属屋面系统中各组成部件的耐久性,给用户提供雨棚维护说明书，明确使用期间检查、维修事宜。为建立系统的维护保养制度，创造技术条件。

4 结语

铁路客站雨棚采用的金属屋面系统是成熟技术，适应铁路客站运营环境。经过精心设计、精细施工，正常维护完全能够保障使用安全。通过对金属屋面技术孜孜不倦的追求，通过选择适宜的屋面构造体系，通过科学严谨的分析计算，通过缩尺模型的实验研究，通过持续改进和不断创新，一定能打造中国设计、中国建造品牌。

[1]郑健.我国铁路客站规划与建设[J].铁道经济研究，2007（4）：20-30