种植屋面变形缝构造防水措施优化研究——以北京地铁环球影城站为例

刘魁刚，郑莉莉，叶新丰，冯 鑫，范丽萍

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068；2.城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室，北京 100068；3.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)

引言

当前城市设计主张开放空间，建设中更加重视园林绿地的发展，屋面绿化将绿地还给城市的理念已广泛应用在各类建筑设计中，在海绵城市建设和城市“双修”工作中都占有比较重要的地位。种植屋面技术[1-2]可提高城市绿化覆盖，吸附尘埃减少噪声，有效改善了环境质量，同时也减少城市热岛效应，节约了建筑能源消耗；但在国内种植屋面推广过程中，也凸现出一些客观问题。例如，很多人对种植屋面仍然存在疑虑和误解，如种植屋面材料市场混乱、植物选择不当、施工管理不规范、建设成本过高、鼓励政策滞后等，都需要通过研究不断地加以改进、提高。其中，国内地景式建筑的屋面变形缝普遍存在功能性缺陷，如接缝处的构造破损，在结构收缩变形和动荷载作用下，卷材的耐久性不足，卷材破损或老化，造成开裂渗水；变形缝处的结构梁破坏造成向下或侧面渗水，严重影响使用，维修困难且费用高[3]。在景观要求较高的屋面绿化建筑中，尤其是针对采用柔性防水做法的浅埋地下室顶板种植建筑或地景建筑的变形缝处理尤为棘手[4]，对屋面绿化无法跨变形缝设置，变形缝需凸出屋面等特点，使屋面变形缝处的景观处理成为难点[5]。

关于变形缝的研究近年来一直不断在取得新的突破，林军钲[6]梳理了大型钢结构的工程特点及重难点，提到钢结构变形缝的设置与施工质量是结构施工的关键步序；刘杨[7]对建筑结构水平变形缝进行改进，通过增设滴水线条及排水管道，通过防排结合的方式有效解决了水平结构变形渗漏问题；薛荣义[8]分析了几种常见的直立锁边金属屋面变形缝的优缺点及合理的处理措施；陈立洪[9]等介绍了一种新型金属屋面天沟波纹板变形缝节点，解决了变形缝连续性问题，提高了实用性。

鉴于上述现有构造设计方案和工艺上存在的不足，在环球影城站的屋面变形缝构造设计中优化了变形缝位置，采用“互扣式”的防水密封构造，设置多道防排水措施及“防、排”措施相结合等，以解决上述问题。

1 项目概况

1.1 建筑概述

北京地铁环球影城站是北京地铁7号线东延和八通线南延的终点站，主要服务于北京环球主题公园，同时也将成为市区与城市副中心之间的重要轨道联络线。

由于车站位于旅游区内，紧邻影城的城市大道，因此，对车站布局、与周边景观协调等方面的要求非常高。通过前期方案征集确定了车站是一座人与自然互动共生的地景建筑，以自然的形态消隐于环境之中，整个车站为地下两层明挖岛式车站，地下二层为站台层，分别设置7号线东延和八通线南延站台，地下一层为站厅层，站厅公共区通过南侧地道与南侧下沉广场平接。车站屋顶南侧与园区景观道路平接，由南向北逐渐升高，逐渐露出地面，形成主要的入口标志。对由道路进入园区的游客而言，如此大规模屋面将会给其留下深刻印象，因此，屋面景观效果十分重要，而变形缝作为重要的结构界面接口，其设置应兼顾景观完整性，保证建筑效果的呈现。图1为车站总体效果示意。

图1 车站鸟瞰效果图

1.2 变形缝设置

车站站厅公共区上方为钢结构屋面，采用单层网格结构体系，钢结构屋盖长200 m，最大宽度78.2 m，总面积为13 000 m2，下部仅设置8根伞状格构柱，作为主要承托构件。本工程钢结构屋盖周边边界条件复杂，北侧屋盖钢结构悬挑，其他三侧均与主体结构关系密切，如图2所示。考虑到超长结构的温度效应和地震效应，将钢结构屋盖与主体混凝土结构脱开，采用滑动支座与混凝土相连，因此，形成了东西南三侧将近400 m长的屋面变形缝。屋面防水采用柔性卷材防水，混凝土楼撑板仅作为建筑做法的承托构件。车站利用自身北高南低的建筑形体排水，屋面南侧设通长排水沟，直接接入市政管网。南侧变形缝位于排水路径上，对防排水要求极高。

屋面分为种植区域及玻璃屋面采光区域，种植区屋面设置混凝土楼撑板，钢结构屋顶绿化与周边绿化均采用草坪形式，景观的统一性要求高，图2所示即为变形缝位置区域。

图2 屋面种植区变形缝分布示意

2 现有变形缝构造方案分析

环球影城站为地下车站，建筑设计使用年限为100年，屋面防水等级为一级，应采用3道以上防水措施，才能满足防水要求。目前，普遍实施的方案通常是现有构造图集，多为明确的屋面变形缝做法或地下室变形缝做法[10]，针对环球影城站这一类型的建筑变形缝，尚没有明确的做法图集。在实际工程中，变形缝“十缝九漏”，是造成工程安全隐患的主要因素。这些渗漏情况的出现，与设计的合理性相关，与施工的质量和工艺水平相关，也与日常运营维护情况密不可分。

在本项目中，环球影城站为地景式建筑，其变形缝是介于屋面变形缝和地下室变形缝之间的一种特殊构造，故在针对种植屋面的变形缝构造设计中，首先对屋面变形缝做法和地下室变形缝做法进行技术分析，在保证构造防水的前提下做好景观的连续性，对已有变形缝[11]进行结合和优化。

2.1 地下室变形缝构造分析

地下室变形缝构造主要采用中埋止水带构造与其他防水措施相结合的方式[12]，如图3所示。针对本项目，除了采用1道中埋止水带策略以外，还在变形缝处设置了留有变形余量的多道柔性卷材[13]，具体构造如图3所示。

图3 地下室变形缝构造示意(单位：mm)

(1)地下室变形缝构造应用的优势

地下室变形缝防水构造做法应用于本工程可以满足种植屋面的整体外观效果，使种植层平滑过渡，且附加结构较少，便于施工。多道卷材的设置提高了防渗漏安全系数[14]。

(2)地下室变形缝构造存在的问题

首先，本工程屋面为钢结构，伞状柱跨度40 m，属于大跨度重型种植屋面，对屋面荷载的限制要求很高。为减小屋面荷载，屋面种植部分下方虽采用混凝土楼撑板，但厚度较薄，仅作为建筑做法的承托构件，无法满足钢筋混凝土自防水要求，故在止水带预埋段的位置增加板厚，以满足预埋要求。因而，楼撑板上的柔性防水层并未与止水带形成一体的密闭防水层，混凝土在与止水带的连接构造处仍然存在渗漏隐患。

其次，虽然这种变形缝的构造属于常规构造，但由于本工程的变形缝沿钢结构屋盖的四周，呈“U”形布置，止水带在位于两角点时，将承受来自X、Y两个方向的地震力作用，更加容易产生破坏，且此处的变形量最大也最频繁，止水带易产生疲劳破坏。

再次，止水带破坏后维护较为困难，需将两侧混凝土整体破坏，才能进行更换，所以对环球影城站的正常运营影响较大。

2.2 屋面变形缝构造分析

屋面的变形缝构造多采用高出面层的迎天侧缝与金属扣板相结合的处理形式[15]，如图4所示。

图4 屋面变形缝图集做法

(1)屋面变形缝构造应用的优势

屋面变形缝防水构造做法将变形缝设置于屋面高点，防水和防渗漏技术的可靠性较高[16]。且屋面防水多采用柔性防水形式，与本工程有较好的匹配性。且该做法在屋面变形缝构造中已有较多的成熟优化措施[17]，在本工程可以加以利用。例如，将变形缝由迎天缝处理为侧缝的措施，可有效的降低变形缝的渗漏面，如图5所示。

图5 变形缝的优化示意

(2)屋面变形缝构造应用存在的问题

首先，由于本工程南侧变形缝位于排水沟前侧，恰恰位于排水的低点，如果按照此标准构造，会导致雨水在此低洼处汇聚，会阻断整个屋面的排水，增大渗漏风险。

其次，这种变形缝构造高出了种植层，变形缝连同两侧的缓冲带阻断了屋面景观的连续性，无法实现种植草坪的整体视觉效果。

综上所述，已有的变形缝做法在本工程的应用中各有其可取之处，但也均存在着各自的局限性，并不能完全适用于本工程。因此，对已有变形缝进行结合和优化，是解决环球影城站变形缝问题的最佳选择。

3 种植屋面变形缝构造优化

3.1 优化方案

通过对已有地下室变形缝构造与屋面变形缝构造的梳理和研究，针对环球影城站变形缝超长、位置位于低点、双向变形等特点，需将已有的变形缝构造进行优化和再创造，采用3种方案进行比选。

在结构双向变形的条件下，防止卵石挤压防水层，必须在卵石与披水板间留出空隙。方案1(图6)，将屋面变形缝构造优化为侧缝，并在一侧设置缓冲沟，上设盖板承担上部土体的压力，两端分别搭设在屋顶边缘及缓冲沟边缘挡土墙上，该做法使变形缝外部形成缓冲空腔，挡墙底部设置过水洞，可有效导流渗漏水，但盖板需要一定的厚度并承担上部土体压力，同时需防止在往复变形期间不坠落入缓冲沟内，容易破坏掉防水保护层；方案2(图7)，将变形缝调整为平面接缝，取消变形缝上方的种植层，在其上设置排水沟，可以保证变形缝自由变形，但不利于屋顶积水的外泄，同时在长期往复大变形条件下，变形缝部位被破坏的可能性极大，如接缝加强构造出现破损，该处将成为大量降水的下泄出口，造成后期渗漏风险；方案3(图8)，缓冲沟调整为排水沟，在其临近屋顶的一侧，单独设置缓冲空间。

图6 变形缝构造优化方案1

图7 变形缝构造优化方案2

图8 变形缝构造优化方案3

通过对比，方案3将屋面变形缝形式优化为侧缝，并结合保护墙及隔离带等做法形成整套防水系统，采用多道防排水结合的处理方法，最大程度减小了该节点处的渗漏水的风险，同时对景观影响最小，因此，本项目采用该形式作为实施方案。

3.2 具体策略

(1)结合屋面变形缝构造，优化变形缝位置

本工程优化后的变形缝整体依托于屋面变形缝的构造，并将高出屋面的迎天缝优化为地下侧缝形式，附加的防水措施皆设置在建筑外部，这一措施可以减小顶部设缝时带来的开裂风险，不仅减小了渗漏风险，而且使整个变形缝位于种植面下方，实现了景观的连续性呈现。

(2)结合地下室变形缝构造，形成一种“互扣式”的防水密封构造[18]

优化后的变形缝在侧缝外设置保护墙，对变形缝侧缝起到保护作用。结合地下室变形缝构造中的卷材附加保护构造，通过在保护墙和楼撑板间的伸缩缝预留防水卷材伸缩量，使保护墙与钢结构屋盖防水封闭，形成一种“互扣式”构造，将水隔绝在空腔之外，同时给屋盖提供一定位移空间。

(3)多道防排水措施，增加变形缝的安全性

优化后的变形缝在保护墙与结构挡墙、楼撑板三者之间形成空腔，保护墙上设置的空腔导流溢水管直接连通排水沟，使得伸缩缝渗漏时，也无水在空腔内滞留。

空腔内预留缓存高度，满足≮500 mm的地下室窗洞口泛水高度，可有效地起到挡水和防倒灌作用；在变形缝侧缝处则采用柔性材料封堵，以减小潮湿水汽在变形缝处的侵入，增设1道金属披水板保护措施，以避免伸缩缝渗漏时渗漏水对变形缝的直接冲刷，并附加防水卷材和密封材料封堵。

(4)“防、排”措施相结合，增加设计合理性

在外排水方面，优化后的变形缝侧排水沟根据盲沟排水原理，将暗埋缓冲带与屋面级配过滤层(土工布、豆石、砾石、卵石)结合，加速屋面排水，减小种植土的滞水作用，使屋面无积水。

在室内预防方面，在滑动支座与钢筋混凝土结构挡墙之间，增设金属导流槽和室内排水管，作为解决变形缝内侧的屋盖冷桥处冷凝水和外墙防水构造意外渗漏情况下的补救措施，将“防、排”措施相结合。

(5)加强日常运营维护，防患于未然

针对本项目的变形缝构造特点，屋面种植体系采用生态袋作为种植基层，其特点如下。

有效的保持水土，使种植基质始终保存于生态袋内，并且在灌溉或降雨时，能充分过滤掉种植基质中的碎石和泥沙，从而减少排水沟的清掏频率。

易于挪移，在日常维护时，可将种植带连同其表面的种植物一起搬运至排水沟一侧，即可进行排水沟的清理维护，便于操作。同时，日常运营维护中，应定期为排水沟进行清掏，避免淤泥淤积造成的排水不畅。

4 结语

轻型曲面钢结构种植屋面工程在国内应用实例较少，尤其在北方严寒和寒冷地区更为稀少，通过对该类屋面特点的分析，针对防水层采取了多道设防、功能明确的方案，针对变形缝采取了分类加强、缓排结合的方案，将变形缝高出面层设置方式优化为地下侧缝形式，防水措施皆在建筑外部考虑，同时采用“互扣式”构造代替铝合金盖板，结合保护墙及隔离带等做法形成整套防水系统，缝内设置制品型橡胶止水带及引流槽，达到防排结合。本构造于环球影城车站中实施，并经历多次雨雪考验，未见导流槽出现引排水，实践证明该做法已达到预期效果。

通过这种“互扣式”屋盖防水构造，可解决现有技术中因变形缝设置不合理造成的景观不连续，以及传统变形缝渗水漏水、可靠性不高的技术问题，补充了规范中种植屋面地下结构变形缝做法的内容，形成了一种易于操作、可靠性高的变形缝做法，可广泛适用于类似重点工程。