大型钢结构厂房围护结构防渗漏技术研究

黄奇斌 李安政 张 涛 潘祥健 程玉松

钢结构因具有施工效率高、外形简洁、污染小、材料可循环利用等优势，逐步取代了部分大跨度混凝土结构。但是从实际情况来看，如今的钢结构建筑正面临着钢结构不断发展、围护结构原地踏步的窘境。尤其屋面渗漏问题已经成为钢结构建筑面临的主要问题。本研究针对钢结构建筑的围护结构渗漏问题展开探讨，从围护结构的各个节点与施工环节出发，全面阐述钢结构围护结构防渗漏技术，对于提高工程质量具有重要的现实意义。

1 工程概况

项目位于滁州市琅琊区，名称为滁州市琅琊区光伏产业园一期项目，属于大型钢结构工业厂房。项目总建筑面积15.06 万m2，其中钢结构建筑面积10.09 万m2，混凝土结构建筑面积4.97 万m2。项目计划开工时间为2022 年7 月1 日，计划竣工时间为2023 年6 月25 日。项目由门式钢结构主厂房和构架砼结构小单体组成，其中电池车间的建筑面积约9.8 万m2，平面尺寸为603 m×163 m[1]。

2 围护结构渗漏原因

2.1 屋面材料热胀冷缩产生残余应力

围护结构水分传输与结构裂缝形态、孔隙结构、外部荷载存在直接关联。如果温差较大，屋面钢结构产生的拖曳、拉动情况将更明显，致使屋面钢结构连接处产生破坏、紧固件松动、裂缝问题。因为温差变化，钢结构产生的应力变形关系计算公式为：

式中：a为钢结构温差所产生的线胀系数；ΔT为钢结构单位温度变化；ΔL为物体的线长变化率；L为材料收缩长度[2]。

假设厂房屋面夹滑移的最大值为70 mm，通过计算后屋面单坡长度可达83 m。在围护结构中设计出两个固定端与一个自由端能够实现面板的相对自由移动。本工程的屋面较长，根据滁州市的气候条件以及温度变形应力要求，采用预打孔技术设计屋面结构能够一定程度上消除温度变形应力。

2.2 雨荷载作用

强雨降落是围护结构产生渗漏问题的主要原因之一。雨滴的自由落体运动因为受雨滴直径、空气阻力、自身加速度等因素影响，在下落过程中很容易产生破碎合并现象[3]。同时，雨滴速度会随着雨滴合并后的直径与质量增加而加快。不同降雨强度下的雨滴直径与雨滴终点速度如表1所示。

表1 不同降雨强度下的雨滴直径与雨滴终点速度

雨滴对围护结构的冲击力度变化受很多因素影响，运动中的雨滴与刚性结构产生碰撞后在阶段时间内变化为0，二者之间的相互作用力遵循牛顿第二定律，由此可得动量定理：

式中：v为雨滴加速度；m为质量；z为雨滴与刚性围护结构表面碰撞的瞬间速度；f(t)为单个雨滴撞击力矢量。

2.3 风荷载作用

风荷载是风对建筑物的动力作用。在风荷载作用下，建筑物四周表面产生的压力、吸力使得建筑迎风面空气压力大于大气压而产生压强。在较高风速中产生的压力或吸力会对建筑结构产生不同程度的影响[4]。如果建筑物的立面、侧面、背面与屋顶持续受空气强大气流时会对建筑外饰面以及维护结构产生破坏。

建筑物围护结构表面风荷载作用与基本风压值存在关联，以《钢结构工程施工质量验收标准》（GB 50205—2020）为参照，得到建筑外围护结构相关系数，如表2 所示。

表2 风荷载相关系数

风荷载标准值计算公式为：

式中：Wk为风荷载标准值；ρgz为围护结构阵风系数；us为风压高度变化系数；uz为风荷载体型系数；W0为基本风压。

3 围护结构防渗漏技术

3.1 钢结构屋面形式的选择

本项目的钢柱柱脚为刚接柱脚，有3 种类型，分别为外露式、外包式和杯口式。外露式相对简单，施工最快，但外包式和杯口式在设计上对钢接更有利。外包式的柱脚需要把地脚螺栓埋置承台内部，不易操作且施工工序复杂。杯口式需要提前预留杯口，二次浇筑施工难度较大。项目部通过查询规范和综合分析工程的实际情况后，采用三山形式以及单山形式进行设计。

三山形式的优点在于屋面汇水面积较小，排水更加及时，效率也更高。但是该设计形式需要在屋面设置内天沟，破坏了面板连续性[5]。强风、强雨侵袭时，天沟埋处存在极大的渗透隐患。天沟拼接处如果留有焊穿孔或遇到落水口堵塞问题，将面临巨大的漏水威胁。滁州市的降水量较为丰富，需要尽可能避免此类问题。

单山形式的优点在于厂房的屋脊到檐口部分能够利用一张完整的彩板进行铺装。彩板之间只存在横向铰边搭接，不存在横向拼接情况。由于屋面面板形成统一整体的情况使得破孔问题几乎不存在。同时，搭配外挂天沟的形式，除非遇到特大暴雨、狂风，几乎不存在屋面漏水的可能性。单山形式的缺点在于要求屋面板型必须是铰边搭接的板型，在运输安装过程中会遇到一定的安全问题。经过综合对比后将屋面设计为单山形式，面板采用360°闭合式铰边板。综合工程实际情况后，屋面泄水坡度数值取5%。板檩条的连接主要采用固定座进行连接，不仅能使彩板滑动，还能减少因温差变化引起的形变问题[6]。

3.2 屋面排水天沟

屋面排水天沟一般分外挂天沟和内天沟。前者成本较低，主要由彩板折压而成，基本不会造成屋面漏水，对防水性要求也较低。后者的成本较高，主要由钢板或不锈钢板折压而成，一旦出现天沟漏水问题则很容易对厂房使用造成影响，对防水性要求也较高。因此，厂房屋面排水尽可能选择外挂天沟。厂房大多数檐口采用了外挂彩板天沟结合泛水挡板防止向厂房内溢流（图1），但是因为厂房部分檐口存在女儿墙，因此只能利用内天沟进行排水（图2）。虽然部分檐口采用的是内天沟设计，但是因为靠近边墙，即便出现漏水问题影响也较小。

图1 外挂天沟（来源：网络）

图2 内天沟（来源：网络）

内天沟可采用钢板天沟、镀锌板天沟和不锈钢天沟。钢板天沟主要由钢板折压成型。天沟所处位置的特殊性，使其常年处于日照、雨淋环境中，对于天沟外层的油漆防腐性能要求较高。镀锌板天沟需要焊接，导致天沟搭接处的镀锌层被破坏，极易出现腐蚀问题；不锈钢天沟与氩弧焊搭接后，将不锈钢板折压成型后即可使用。因为其安装便捷还耐腐蚀，本工程主要采用不锈钢内天沟[7]。也可以采用奥氏体不锈钢制作，但是因为其价格较高，可与铁素体不锈钢搭配使用。

3.3 围护结构节点处理

本文主要从厂房屋脊处、天沟处、山墙泛水收边、气楼根部及窗洞口几方面进行围护结构节点处理。

1）屋脊处。厂房屋脊处是最容易产生渗漏问题的部分。一般情况下，屋脊帽盖胶泥出现裂缝或螺钉扩孔是产生渗漏的主要原因。为了防止雨水倒流，将屋面板端部板谷上折70°～85°。另外，堵头铺设过程中应加强其与屋面板之间的契合度，对于屋脊帽盖、彩板间等部分需要铺设堵头。屋脊帽盖部分可以利用固定拉钉形式自由跟随面板伸缩变形。在檀条、彩板、堵头与铝拉钉有效结合的前提下，能够有效减少扩孔问题。屋脊帽盖在铝拉钉位置打上硅酮胶，搭接位置打不干胶泥，填充缝隙，确保渗漏问题得以解决。

2）天沟处。截面落水管排水能力不强、搭接缝隙较大、落水口堵塞是天沟漏水的主要原因。外天沟层面，为了减少向内溢流问题，外边缘高度应低于内边缘高度。檐口处应设置泛水挡板，使沟满后能够向外溢流。内天沟层面，因为其材质与施工工艺与外天沟存在差别，因此应从落水管管径、截面参数等方面精确计算。

3）山墙泛水收边。泛水板规格与彩板不适配、泛水板宽度不满足要求是山墙处漏水的主要原因。因此，铺设泛水板时应确保泛水板宽度在屋面板的波峰上。泛水板搭接位置打不干胶泥与铝拉钉[8]。泛水板与彩板主要利用丁基橡胶防水密封带粘接。铝拉钉位置打硅酮胶。

4）气楼根部。雨水倒流、胶泥开裂和螺钉处扩孔是气楼根部渗漏的主要原因。该节点的防渗漏方法可采用以下方式：敷设泛水板及彩板，并将彩板上折70°～85°，确保堵头形状与屋面板形相吻合。

5）窗洞口。对于窗口部分来说，砖墙顶部与墙梁的窗洞口是厂房窗洞口的主要节点[9]。安装窗户时应首先安装窗户四周包边，并实现对窗户周边的完全密封处理。密封操作完成后制作泛水构件，打2 道自攻螺钉与密封胶。安装泛水件前，需要重点检查泛水件端部尺寸，确保其能够满足节点设计要求。安装泛水件搭接口时，应设置双面胶条。

4 结语

本文以滁州市琅琊区光伏产业园一期项目为例，分析围护结构渗漏原因并针对性提出围护结构防渗漏技术，得出以下结论：第1，屋面材料热胀冷缩产生的残余应力、风荷载、雨荷载是破坏围护结构的主要因素；第2，单山形式对于钢结构屋面适配性较强；第3，厂房大部分檐口采用外挂天沟，紧贴女儿墙部分采用内挂天沟形式；第4，屋脊处、天沟处、山墙泛水收边、气楼根部及窗洞口是主要的渗漏节点，也是防渗漏措施的主要关注点。钢结构厂房围护结构包含钢结构与混凝土结构2 种类型，在实际工程建设期间很容易出现渗漏问题。防渗漏技术的良好应用能够有效提高围护结构的防渗漏效果，提高工程质量。