国家会展中心(天津)工程超大面积高强铝镁锰节能金属屋面设计与施工

刘 飞，王 博，周志健，王飞宇，解永飞，隋杰明

(中国建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

0 引言

大型机场、高铁车站、会展中心等大空间公共建筑多采用直立锁边体系的铝镁锰金属屋面或镀铝锌钢板屋面，施工便利性、耐久性好，可有效改善传统屋面的弊端。金属屋面体系由于自身构造原因，在穿插施工中存在节能效果差、抗风揭性能差、防渗漏隐患大等问题，影响使用功能及社会形象。

屋面结构体系及其他专业穿插施工中，为规避不良情况的发生，整体考虑前期深化设计、中期策划实施、后期试验验证及运输安装等阶段，加强管控，从组织保障、制度保障、资源保障、科技支撑方面进行落实，保证屋面工程顺利实施。

1 工程概况

国家会展中心(天津)工程位于天津市津南区，是我国北方首个国家级超大型会展中心，总建筑面积138万m2，一期展馆区建筑面积47.86万m2，二期建筑面积59.86万m2，主要由展厅、交通连廊、中央大厅、人行天桥等组成。

该工程屋面系统共59万m2(见图1)，整体结构分为展厅、交通连廊及中央大厅部分，如图2所示。按构造分为屋面系统、铝单板系统、天窗系统、采光玻璃系统、格栅系统、天沟系统等，其中展厅、交通连廊结构为展翅翱翔的海鸥造型。中央大厅由32个树状钢柱支撑的大跨钢结构组成。整体屋面系统采用直立锁边有檩体系，即整体屋面板系统通过檩条、檩托与钢结构连接传力，檩托为焊接，檩条为栓焊，直立锁边铝镁锰板与固定支座为机械锁紧连接。

图1 屋面整体效果

图2 屋面系统

屋面防水等级为Ⅰ级设防，本工程主要排水采用虹吸雨水系统进行排水，为50年溢流考虑，总设计重现期为50年，屋面共划分为400多个汇水分区，总系统800套，加上溢流设施后总排水能力超过34 000L/s。深化过程中综合考虑安全系数、排水和溢流能力，屋面设计为中空式小波峰底板的高强铝镁锰板节能型构造，展厅、交通连廊及中央大厅屋面标准构造如图3所示。

图3 标准构造

2 屋面系统重难点分析与控制

为保证屋面系统的节能、抗风揭、防渗漏性能，注重现场管控措施及特殊部位的细部节点处理，不同工序操作及特殊节点部位(如天沟、天窗、变形缝)易产生渗漏问题，屋面结构及排水能力设计是影响屋面整体防渗的重难点，考虑从屋面构造、安装方式、顺序及各实施措施方面解决和处理问题。

2.1 抗风揭性能保证

大面积金属屋面在实施过程中及完成后，由于受强风影响造成构造损坏，从而引起防水、节能、安全问题故采取以下措施：①第1道保障 将原设计的无檩体系屋面优化为有檩体系屋面，保证屋面本身荷载传递和抵抗外界荷载性能；②第2道保障 利用直立锁边+抗风夹形式，增强金属屋面系统的防渗漏、抗风揭性能，及锁边体系公母肋与固定支座的咬合；③第3道保障 用来缩小固定支座间距，降低屋面板承受荷载的变形；④第4道保障 在金属屋面板咬合安装完成后，在屋面板顶部与固定支座相应位置安装抗风夹。

2.2 防渗漏性能保证

构造层之层间结合处是屋面易产生渗漏的部位，TPO防水形式系统、金属面板防水过于单一。本工程采用金属屋面板+TPO防水卷材的上下构造，在上层金属屋面板防水局部失效的极端情况下，下层卷材屋面仍具有独立防水能力，保证屋面整体防水安全。同时屋面板为270°公母肋双重设计，即270°公肋咬合固定支座，然后270°母肋咬合270°公肋，有效防止由于降雨量较大流入屋面板下方。屋面板由于板受温度影响磨损严重，为满足屋面板伸缩方向受力合理、伸缩量均衡，每块屋面板选择靠近屋脊处的2个支座作为固定点，屋面板公肋与支座咬合后，用拉铆钉固定公肋与支座，控制坡屋面板因温度收缩的下滑力，减轻温度收缩对屋面板的磨损，避免屋面板被磨穿而漏水。

2.3 节能效果保证

国家级展馆节能要求高，传统金属屋面为单层保温或双层紧贴型保温系统，很难达到设计节能效果。本工程保温层采用双层中空式设计，屋面系统下层岩棉安装在檩条间的凹槽内(檩条高度大于岩棉厚度)，将镀锌钢丝网固定在檩条顶部，可支撑上层岩棉，同时使上下层岩棉间形成空腔，增加屋面系统的隔声、保温性能。

3 超大面积金属屋面设计与管控

3.1 屋面抗风揭初始构造复核检验

3.1.1前期试验参数确定

通过风洞模拟试验分析建筑物在风力、风速影响下的受力情况。本试验在中国建筑科学研究院风洞实验室进行，模型缩尺比为1∶350，试验段长宽高分别为22，4，3m，风速在2～30m/s连续可调。风洞测试模型如图4所示。

图4 风洞测试模型

通过风洞测压试验，得到测点平均压力系数和50年重现期极值风压统计值云图、测点平均压力系数随风向变化云图。极值风压以50年重现期基本风压为基础，风向角10°为间隔，共36个风向角。风洞测压试验结果表明，建筑表面极值风压变化范围是-4.4～1.3kN/m2。

由风洞测压试验报告得出屋面风压值的基本参数取值。考虑天津国家会展中心屋面系统工程的重要性，结合当地风压形式及风压值，进行静态(负压)抗风揭试验。根据《系统吊顶组合负风压分布图》确定组合负风压值为-4.40kN/m2(标准值)，初始负风压分布如图5所示。本工程最高点33.9m，最不利角部位置体形系数考虑-2.0，风压高度变化系数为1.582，阵风系数考虑1.442，基本风压取0.6kN/m2，故最不利风吸标准计算值Wk=-2.0×1.582×1.442×0.6=-2.737kN/m2，绝对值相比风压图中最不利位置的风压小，因此取-4.4kN/m2， 整体试验值按-4.4kPa×1.4=-6.16kPa进行计算。整个屋面按4个区域分别控制，各区域具体数值如表1所示。抗风揭试验目标值分布如下：展厅室内部分对应屋面为3.516kPa，展厅挑檐部分对应屋面为5.860kPa，中央大厅室内部分对应屋面为3.822kPa，中央大厅挑檐对应屋面为6.370kPa。

表1 屋面各区域抗风揭试验目标值

图5 初始负风压分布(单位：kN/m2)

3.1.2材料比选确认

应进行金属屋面系统深化设计及试验调整，并不断完善屋面整体构造及材料选型。

1)镁、锰元素对合金性能的影响 为加强屋面系统强度，满足材质本身性能要求，应对面板进行对比分析。常用的合金面板基材主要为Al-Mn系和Al-Mg系。Al-Mn合金是非时效硬化合金，不可热处理强化。镁对铝的抗拉强化作用较明显，含量每增加1%，抗拉强度约升高34MPa。但镁含量过高，会使合金在长时间室温下产生时效软化与热脆现象。

2)Al-Mg合金、Al-Mn合金状态分析 AA5754镁含量比AA3004高1.8%～2.3%，AA5754屈服和抗拉强度均比AA3004高4.8%～5.6%。锰作为弱脱氧剂，适量的锰可有效提高强度且不降低塑性。经过试验数据分析，可适当降低镁含量增加锰含量，选择AA5754铝镁锰合金材料，可在强度不显著降低的情况下增加材料延伸率，更适合海滨风压较大地区。

3.1.3试验方式确认及实施

专业试验检测依据为ANSI FM4474-2004(R2010)《美国国家标准-用静态正压和或负压法评价屋面系统的模拟抗风揭性能》，主要仪器为NSCTC-WH-010屋面综合性能试验机和NSCTC-WH-010-02-(1-6)压力变送器。其中气压上升速率为(0.07±0.05)kPa/s，即(1.5±1)psf/s，当压力达1.4kPa(30psf)时，保持该压力60s，打开池压阀门，排出空气，直到没有作用于屋面向上的压力，重复加压和施压，每次逐级增加0.7kPa(15psf)直至屋面板系统被破坏。

考虑天津市50年一遇的重大恶劣天气，及设计院与业内专家意见，结合实施前进行的7次试验结果，调整完成的初设构造满足设计及规范关于抗风揭的要求，如表2所示。

表2 抗风揭试验信息

3.2 屋面构造分层深化设计

利用BIM技术，结合深化设计要求及初步试验结果，完善屋面系统构造分层做法，并依据分层进行模拟、样板施工指导，如图6，7所示。考虑主体结构形式及找坡走向等情况，结合设计要求和现场勘察实施要求，同时考虑各工序出现误差消化等构造，保证结构稳固性及施工便利性。

图6 屋面标准分层构造

图7 屋面标准样板施工

由试验得出，增加抗风夹后，抗风揭效果非常显著，故深化过程中，在构造做法中均设置抗风夹。

3.3 现场管控措施及特殊部位细部节点处理

1)工序交接连续性 按照施工连续性要求，采用BIM模拟、课堂教学、现场模拟等方式进行交底工作，安装工序如下：定位放线→安装檩托→安装檩条→安装反吊龙骨及拉条→安装屋面底板→铺贴隔汽膜卷材→安装下层保温岩棉→安装钢丝网→安装几字件→安装上层保温岩棉→铺贴TPO防水卷材→安装固定支座→安装屋面板及抗风夹。

2)屋面板搭接方式 传统金属屋面多采用自攻钉固定、凹槽搭接等连接方式，闭水效果差。本工程屋面板两边缘加工成公母肋形式，公母肋夹角均>270°，即使雨水漫过板肋，也会从另一块板流走，不会渗到屋面板内，加强防渗漏和抗风揭效果，如图8所示。

图8 屋面板安装搭接

3)小波峰反吊底板施工 无檩体系金属屋面中，底板需承受屋面系统的全部荷载，屋面底板必须达到大波峰、大波谷、硬材质才可满足抗弯、承载力及强度要求。优化后的有檩体系金属屋面底板采用吊挂安装方式，底板仅作为下层岩棉支撑层，底板强度、抗弯性能要求低，可选用厚度小、波高小的钢底板，节约造价，减小屋面系统构造层高度。

无檩体系金属屋面底板波峰大、波谷大，施工过程中易破坏隔汽膜、保温层，成品保护效果差，无法保证施工质量。优化后的小波峰、小波谷底板中，隔汽膜与屋面底板粘贴操作简便，粘贴质量好，成品保护效果较好。

底板安装采用滑动吊篮加高空作业车相结合的方式，如图9所示。在保证施工安全与质量的同时，不需搭设满堂脚手架，实施方便，节省措施费，节约工期。

图9 底板采用滑动吊篮施工

4)固定支座及抗风夹安装处理 屋面固定支座施工是屋面板施工的关键工序，固定支座安装质量直接影响屋面板的抗风能力和整体屋面外观效果。应防止固定支座与钢结构材料直接接触，引发电化学反应，同时在深化设计时，在固定支座底部配备丁基而候胶，消除自钢钉穿透TPO造成的渗漏隐患，固定支座下增设丁基耐候胶，如图10所示。

图10 固定支座增设耐候胶

试验确定抗风夹间距为600mm，可增大防渗漏和抗风揭效果，防止铝镁锰屋面板被掀起，同时还可在金属屋面上部安装光伏太阳能等设备。由于铝镁锰屋面板通过直立锁边机连接，固定在铝合金支座上，受温度变化产生热胀冷缩作用而松弛，当遇到大风时易被掀起，安装抗风夹可加强抗风揭性能，还可延长金属屋面使用寿命。

屋面屋脊、天沟等位置风荷载较集中，极易被破坏，应根据抗风揭试验结果适当加密檩距、抗风夹间距。

5)天沟细部节点处理 原节点天沟下方及屋面下方TPO卷材均下反至天沟内，卷材重复搭接，安装效果差，防水不闭合。调整后，天沟TPO卷材与屋面TPO卷材焊接，首先形成TPO卷材完整防水闭合，再从屋面增设TPO卷材防水附加层延伸至天沟内，在原有防水闭合基础上将屋面内部冷凝水汇至天沟内部，通过雨水斗排出。

安装雨水斗时，首先在天沟板上部根据雨水斗尺寸进行标记，再对天沟开洞，确保开洞一致性。雨水斗盘与不锈钢天沟采用氩弧焊接，焊接线为雨水斗法兰的外边缘，不得有漏焊、焊穿、夹渣等缺陷。为防止天沟焊接、拖拽及下放损伤TPO卷材，天沟均以标准节的形式在天沟外焊接组装，并完成闭水试验，然后采用钢支架+尼龙带+手拉葫芦的方式，整体吊装下放至天沟内。虹吸雨水管条天沟节点如图11所示。

图11 虹吸雨水管穿天沟节点

岩棉切割洞口与TPO卷材洞口尺寸相同，雨水管安装完成后，填回缝隙处岩棉，且不破坏原保温系统。整体下放天沟时，在TPO卷材与雨水斗盘间增设防水胶带，使天沟底面与TPO卷材上表面紧密贴合，对闭水效果进行二次增强。

优化原有贯通天沟做法，每30m设置1条变形缝，减少温度收缩变形对天沟的内力影响，避免伸缩过程导致节点拉裂及防水磨损，同时优化变形缝处节点，优化雨水搭接扣，降低渗漏水隐患。

6)天窗及屋脊细部节点处理 对天窗周边加高波肋，并对周边构造进行封闭排水处理保证天窗口高于周边屋面，减少渗漏水的隐患。屋面天窗防渗漏的重点在于雨水引流，开启天窗高度应尽量超过固定天窗，避免雨水汇集、积聚。天窗泛起高度剖面如图12所示。

图12 天窗泛起高度

3.4 成品保护实施管控措施

1)建立健全材料追踪机制 从加工厂进场开始建立材料追踪机制，即追踪每种材料的来源和去向，实行专人负责制、现场对接制、验收程序制、全员管控制等，确保管控落实到位，利用BIM平台对材料加工、出厂、运输、到场各项过程进行追踪。现场通过信息化、智能化管控对实操动作进行监管。

2)屋面设置上人通道 从檩条施工完成至TPO卷材安装阶段，人行通道均采用脚手板进行铺设，避免屋面构造被踩踏损伤。综合考虑后期各项工序需要上人工作，会破坏面板成品，影响整体构造，为此在屋面板施工时，应及时安装成品检修通道，如图13所示。

图16 屋面检修遍道设置

4 实施效果

国家会展中心(天津)工程一、二期通过深化构造设计、现场管控、材料跟踪、制度建设等措施，保证质量的同时加快施工进度，得到各方一致好评。通过该工程的应用，形成完整的金属屋面施工技术。