北方地区多层建筑坡屋面的相关问题研究

□□

(山西路桥房地产开发有限公司，山西 太原 030006)

引言

在我国南方地区气候炎热多雨，为隔热且能及时排水，建筑顶部通常设有阁楼。上海市住宅发展局牵头于2003年编制了《上海市多层住宅平屋面改坡屋面技术规程(试行)》，同年中国建筑标准设计研究院编制了03J203《平屋面改坡屋面建筑构造》。北方地区因受传统建筑风格、城市改造要求等的影响，设坡屋面建筑日渐增多，其中北京、大连、太原、西安等城市发展较快，对位于城市主要景观道路两侧的已建建筑，为提高其景观效果，改善顶层用户的热舒适性，在原有平屋面上增加一层坡屋面，即通常所说的“平改坡”。本文就北方地区在“平改坡”设计及工程实施过程中应综合考虑的因素及注意事项进行分析与讨论。

1 坡屋面设计

1.1 坡屋面的形式

坡屋面形式按屋面造型划分为：悬山、硬山、歇山及曼莎四种形式；按屋面坡度划分为：两坡、四坡、多坡等；按屋面中部变化划分为：插入式、错位式、转角式、变宽式四种类型。在坡屋面设计时，可根据建筑造型、防水、防风等因素而选取。

1.2 坡屋面的坡度

屋面坡度依据屋顶结构类型、屋面基层形式、防水构造、材料性能及地域气候等综合因素确定，排水坡度宜为2%～50%。坡度较大，排水顺畅，屋顶面积越大，室内空间利用率越高，但构造要求复杂，同时建造难度较大，工程造价较高。

GB 50180—93《城市居住区规划设计规范》对我国不同的气候区和不同规模城市的住宅分别规定了不同的有效日照标准和最低日照时数，可根据该规范计算坡屋顶最佳倾角。

另外，屋面坡度应满足造型需要。建筑高度(规划要求)为选定屋面坡度的重要指标，考虑室内最小净高、美学比例等因素，坡度范围为：15°～85°(尖顶)[1]。常见采用的五种坡度为：21.8°(1∶2.5)、26.57°(1∶2)、30°、35°和40°。

相比于南方地区，北方地区降雨量较少，屋面可选较小坡度。而冬季降雪是不可回避的问题，坡度对结构设计有较大影响，当屋面坡度较大，需满足(1)式要求。

μ>tanθ

(1)

式中：μ——雪与屋面材料之间的摩擦系数；θ——屋面坡度对应的角度。

雪花自行滑落，屋面不会积雪；反之屋面会积雪，结构设计时应考虑雪荷载。对于降雪量较大的地区，宜采用较大坡度，可降低雪灾风险。

1.3 坡屋面的排水

屋面排水有两种方式：无组织排水和有组织排水[2]。

1.3.1 无组织排水

在坡屋顶中采用无组织排水适用于干旱少雨地区，优点是构造简单，施工快，造价低。在雨水多的地区，屋面无组织排水顺坡而下，沿屋面下滑时有一个顺坡助跑的过程，给汇集的雨水一个加速度，从6层左右的屋面落下，着地点与檐口水平距离可达2 m左右，对室外散水或地面、外墙、阳台等损毁较严重。

北方地区冬季日气温变化较大，大雪后，特别是室内采暖房屋，上午室外温度还较低，屋面积雪或积冰在屋面处首先融化，大块积雪或积冰从屋面跌落，恰好此时行人较多，极易发生屋面落冰伤人事故；而下午气温下降，融化的雪水又开始结冰，屋面檐口处冰挂高垂，来日气温上升或出现大风天气，冰挂下落同样存在危险。

因此，在干旱少雨地区可采用无组织排水，其他地区不宜采用。若建筑造型有特殊要求必须采用无组织排水时，应采取可靠措施，如屋面加阻水带、建筑四周设绿化带等。

1.3.2 有组织排水

新建建筑坡屋面采用有组织排水时，按常规设计办法考虑，建议对于冬季结冰地区，建筑物北立面的落水管应设计在室内，防止冬季结冰。

在北方地区为防止冬季檐口结冰，轻钢结构坡屋面还可采用有组织排水方式，即屋面板在檐口附近开洞宽约600 mm，利用原屋面排水，具体做法见图1。轻钢结构外露之处应采用扣彩钢板进行保护，以提高其耐久性。

图1 轻钢坡屋面排水示意图

1.4 坡屋面的采光与通风

在坡屋顶中，有排烟要求时，应将排烟道延伸出坡屋面，突出屋面高度≮600 mm，烟道四周做好防水。

对于通风换气宜与采光综合考虑，在坡屋面开设老虎窗，选取通风百叶窗与普通玻璃窗组合使用(见图2)。实现自然采光、通风换气，也解决了坡屋面的检修通道，这也是平改坡工程中的重要装饰部件。为最大限度利用自然通风及采光，原建筑物窗或阳台与老虎窗应协调布置，采用通风百叶窗与普通玻璃窗组合使用，通常朝南布置。

1.5 坡屋面的功能集成

近年来，随着人们收入的增加和认识水平的提高，改善居住环境的需求及可持续发展的理念愈来愈强烈。因此出现了在坡屋顶的基础上集成其他功能的做法，在制订方案时应统筹考虑。

图2 老虎窗示意图

1.5.1 太阳能热水器

北方地区的日照相对充足，利用坡屋面安装太阳能热水器可以解决建筑的洗漱热水供应。若在坡屋顶安装太阳能热水器，在屋面坡度选取时应考虑当地的日照角度及太阳能热水器的使用要求。

1.5.2 太阳能电池板

利用无污染的太阳能进行发电，既可自用也可并网出售。安装太阳能电池板的坡屋面除对坡度有要求之外，屋面板宜选用直立锁边的压型钢板，可有效解决太阳能电池板的安装固定及其防水问题。

1.5.3 种植屋面

在坡屋顶种草，增加绿化面积，适宜于降雨量相对较多或水资源较丰富的北方地区，此时的屋面板宜选用混凝土板，面层应防水、防滑、防植物根系刺穿等。

2 坡屋面结构

2.1 坡屋面结构选型

通常坡屋面按其结构受力特点分为：刚架类、排架类、桁架类三种平面结构形式，如图3所示。桁架类结构为无推力体系，对下部支承要求最低，因此采用较多；刚架类结构容易实现悬挑等要求，因此在造型较为复杂的情况下应用较多。

坡屋面按结构材料分为：钢筋混凝土结构和轻钢结构两种。

钢筋混凝土结构坡屋面，结构的整体性好；斜坡梁板构件浇筑施工难度大，质量难保证。

轻钢结构坡屋面自重轻，施工简便，尤其适用于悬挑较大或造型复杂的坡屋面，但坡度改变处构件交汇较多，连接复杂。

关于坡屋面的结构形式，目前轻钢结构采用较多，质量稳定。特别是在已有建筑上增加坡屋顶，采用轻钢结构增加的质量一般不大于原结构自重的5%，地基通常不需要加固。

图3 坡屋面的结构形式

不论采用何种结构形式，都应保证坡屋面的空间稳定和自身安全，与下部结构可靠连接。

2.2 坡屋面结构分析

对于造型简单、高度较小且无使用功能的坡屋面，可参照标准图集进行设计，但需对原结构进行复核验算。近似计算办法可将新增坡屋面的自重附加给原建筑的顶层，对原结构进行抗震验算；按坡屋面屋脊处的高度计算风荷载大小，将坡屋面上的水平风荷载折算为集中力施加给原建筑的顶层，对原结构进行抗风验算。

对于造型复杂、但高度较小且无使用功能的坡屋面，应对原结构进行复核验算。同时针对坡屋面中的主要承重构件(如悬挑构件、跨度较大或受荷较大的构件等)及关键节点等进行设计。

对于高度较大，具有使用功能的坡屋面，属于加层范畴，应对结构进行整体分析，必要时对原结构进行加固。此时应将原结构与坡屋面结构整体建模进行分析。

2.2.1 防风

对坡屋面在局部风场作用下的研究表明，屋脊、檐口受不利影响显著，构造应当加强；屋面坡度较小时，特别是有洞口的屋面，屋面承受较大负压，应注意坡屋面结构中是否杆件受力变号；处于风荷载作用方向的挑檐，风吸力较大，此处节点应予以加强。

风荷载体形系数的选取：挑檐部分为风吸力时，μs取-2.0；老虎窗顶部，风荷载沿老虎窗外伸方向作用时，μs取-1.2，风荷载垂直于老虎窗外伸方向作用时，μs按荷载规范规定取值；坡屋面如有外墙，墙角处容易出现锥形涡流，μs取-1.8；其他区域可按荷载规范规定取值。复杂体型的μs通过风洞试验得出。坡屋面檐口，特别是带有悬挑时风振效应明显，对屋面板的连接及下部结构来讲是一种严峻考验。设计中，对屋面板的固定宜采用带防水垫圈的镀锌弯钩螺栓，紧固件的间距≯200 mm，固定的位置应在屋面板的波峰上。下部结构在此处节点应予以加强，通常采用“加腋”或增加斜撑等构造措施。

2.2.2 抗震

非结构构件自身及其与结构主体的连接，应进行抗震设计。坡屋面结构体系应该完整，通常构件截面较小，尽管柱脚采用刚架，但由于杆件细长，其约束较弱。平面内较易保证，平面外应按相关要求设置支撑。坡屋面中挑檐长度≥2.0 m(8度)或≥1.5 m(9度)为长悬臂结构，应计算竖向地震作用。

2.2.3 柱脚

坡屋顶所有的荷载效应，均是通过柱脚传给下部原结构，该节点设计中应考虑承载力和耐久性两个方面。就承载力而言，通常此处存在轴力N、剪力V、弯矩M、甚至扭矩T，设计中应着重考虑柱脚抗拉是否满足要求。对于轻质屋面，在水平荷载或风吸力的作用下，柱脚往往有较大的拉力产生，而拉力一般是由锚栓来传递；水平荷载作用下柱脚剪力较大，抗剪是否满足要求，必要时为提高抗剪承载力，可设抗剪值。对于耐久性，主要是基于柱脚防腐考虑。因坡屋面的定期检修较难保证，柱脚积水、结露几率较高，通常应采用《钢结构设计手册》中外包混凝土进行防腐保护。

3 结语

建筑坡屋顶直接影响到建筑物的使用功能、城市景观、舒适性等，制订方案时应统筹考虑功能集成、合理选取坡度、排水方式、通风及采光；结构分析时重点考虑防风、抗震及坡屋顶与下部结构的传力；设计中需因地制宜，尤其是“平改坡”工程应根据情况，合理解决水箱间、内天井、老虎窗等相关构造。