黄帝故里铜结构屋面制作和安装工艺研究

宋永彬

传统建筑是我国重要的文化符号，具有巨大的历史和美学价值。然而，随着时间的推移和环境的影响，许多传统建筑出现损坏，因此对传统建筑的保护和修复尤为迫切。对于传统建筑的修复不仅要注重外观效果和基础的物理性能，而且要考虑实施过程的生态性。陶勇[1]认为传统建筑作为重要的文化符号，具有不可替代的历史和美学价值。梅阳等[2]认为屋面是传统建筑的重要组成部分，在传统建筑的修复和保护过程中屋面的保护和装饰尤为重要。尹槐[3]认为铜结构屋面因其独特的质感、耐久性和美学价值，被广泛应用于文化遗产的保护和修复。

1 黄帝故里铜结构屋面的意义

1.1 文化遗产保护与传承

文化遗产的保护与传承对于维护国家文化自信、促进社会进步和加强国际交流具有重要意义。传统建筑文化作为文化遗产的重要组成部分，是中华民族历史文化的瑰宝。铜结构屋面作为传统建筑文化的代表之一，通过独特的制作工艺和美学价值，为黄帝故里传统建筑文化的保护与传承做出了积极的贡献。

1.2 增添建筑美感

在黄帝故里的修复工程中，铜结构屋面的应用意义不仅仅在于保护传统建筑，更在于赋予建筑以新的生机和美感，为黄帝故里的建筑增添了独特的历史韵味和文化气息。同时，铜结构屋面的优良质感和光泽，使建筑在阳光下闪耀着独特的美丽光影，为黄帝故里增色不少。铜结构屋面的应用，可使传统建筑得以与现代社会相融合，同时展现出了传统与现代相互交融的美妙景象。

2 黄帝故里铜结构屋面的制作工艺

黄帝故里铜结构屋面的制作工艺包括深化设计和选材、下料和加工、制模、冲压制作、焊接和打磨以及表面处理等。这些工艺是铜瓦屋面质量和美观性的保证，有助于保护和传承黄帝故里的传统建筑文化。

2.1 深化设计和选材

黄帝故里历史悠久，建筑的铜结构屋面独具特色，令人印象深刻[4]。铜结构屋面不仅赋予了建筑独特的外观，而且提高了建筑的稳固性和经久性。铜的性能稳定，具有较强的耐腐蚀性，与空气接触后会生成氧化铜膜，氧化铜膜能够有效防止铜的进一步氧化[5]。此特性使得黄帝故里的铜屋面长期保持卓越的性能。

铜结构屋面同样具有优越的耐火性能。铜的熔点为1083 ℃，因此在发生火灾时铜建筑不易受到损坏。同时，铜结构屋面的抗风能力较强，但黄帝故里的铜瓦能够抵御风力，可确保建筑的稳定性和安全性。铜作为一种可持续的建筑材料，能够100%回收和循环利用，不仅能够减少制作过程的资源浪费，而且有助于保护环境，符合绿色建筑理念。

2.2 制作流程

铜瓦一般由油压机冲压而成。在加工过程中，需要根据铜板厚度调整冲压吨位。例如，对于1.2 ～1.5 mm厚的铜板，油压机的压力需设置为100 t。滴水和勾头的制作较为复杂，需要采用传统锻打工艺，以确保成品的精度和工艺水平。在底瓦、盖瓦、滴水和勾头制作完成后，使用氩弧焊将各个部件焊接成型。焊接完成后，需要对焊缝区域进行多次打磨，从粗磨到细磨，再到锉刀和砂布打磨，以确保铜瓦表面清晰和整洁。

屋面铜瓦的表面处理是一道严格且复杂的工序。先用抛光机去除铜瓦表面的痕迹，然后用高压水枪去除杂质，最后使用专用溶液进行反复清洗，以去除表面的油污。其中，预氧化工艺是决定铜瓦色泽稳定性的关键步骤。该工艺通过特殊的药水使铜表面形成“氧化物岛”，目的是延长铜瓦的使用寿命。在此过程中需要严格控制溶液的参数，如温度和浓度等，并进行多次氧化，以确保铜瓦的质量和色彩的稳定性[6]。

3 黄帝故里铜结构屋面的安装工艺

3.1 安装工艺流程

3.1.1 设置预埋件和测量放线

在铜结构屋面安装前期要设置预埋件，按照预埋施工图确定预埋件的位置和尺寸。预埋件设置完成后，开始测量放线，放出基准线、标高线和轴线等，以确定整体结构的位置。

3.1.2 安装紫铜幕墙

安装紫铜幕墙有6 个步骤，每个步骤需要注意的事项具体为：

1）测量放线。通过测量放线，确定龙骨的位置和标高，为幕墙安装提供参照。

2）标识龙骨位置线和复验。在测量放线的基础上，标出龙骨的位置线并进行复验，确保安装的准确性。

3）焊接安装龙骨。根据节点施工图选择合适的龙骨型号，并进行安装和焊接。焊接完成后，要清理焊渣并进行防腐和防锈处理。

4）检查验收。对安装完成的龙骨进行检查和验收，确保焊缝质量和连接稳固性。

5）安装防水板。在幕墙底部安装防水板，避免雨水渗入结构内部。

6）安装紫铜屋面板。安装紫铜屋面板，确保每块板材安装准确。

3.1.3 安装底瓦、勾头瓦、盖瓦以及挑檐

底瓦、勾瓦头、盖瓦和挑檐的安装均有自己的方法和注意事项，具体步骤如下：

1）安装底瓦。安装前要检查屋顶结构并进行必要的加固。先安装底瓦支承件，再铺设底瓦，最后进行调整和校正，以保证底瓦的平整度和形状，确保排水畅通。

2）插入勾头瓦并焊接。将勾头瓦插入底瓦接口下部，并进行焊接连接。焊接完成后检查焊缝质量和连接稳定性。

3）安装盖瓦。先对盖瓦进行预处理，确保其表面保护完好，然后将盖瓦插入底瓦接口下部，并进行焊接固定，最后检查焊缝质量和铜瓦排列是否符合要求。

4）安装挑檐。先安装支撑结构，再将挑檐安装在支撑结构上并进行固定。在安装过程中要考虑排水和防护，确保挑檐的稳固性和美观性。

3.2 寻根门紫铜屋面的安装施工方案

3.2.1 项目概况

寻根门为黄帝故里园区的主大门，是中国传统牌坊建筑，其立面呈古典三段式。寻根门的平面为3 开间，有1 个主门和2 个侧门，总建筑面积约722.4 m2，建筑高度为16.65 m，宽度为56.8 m，主门净宽约20 m。寻根门紫铜屋面如图1 所示。该建筑包括现浇混凝土框架结构、大跨度钢结构屋架和紫铜屋面。屋顶采用685 个方形椽头雕刻不同姓氏，寓意为“归家寻宗，寻根溯源”[7]。项目建设内容包含基础、框架结构、钢结构屋架、石材堆砌、紫铜屋面、幕墙装饰以及水电设备安装等。

图1 寻根门紫铜屋面（来源：作者自摄）

3.2.2 屋面瓦施工

屋面主要包括瓦面盖瓦、瓦面底瓦、铜勾头、铜滴水、铜屋面正脊、斜脊、封檐以及固定配件。安装铜瓦前，要根据图纸复核屋架安装尺寸，检查铝镁锰合金直立锁边屋面板的平整度和接缝处的防水密封效果。步骤如下：首先，根据图纸弹线定出屋面屋脊的外边缘线和标高，并在屋面上安装不锈钢支撑架，将其焊接在屋面直立锁边铝合金转接扣件系统上。其次，确定单翼屋面中心线，根据施工图的尺寸进行分垄，并调节各垄的间距，将多余的尺寸分配在两翼角的端部。最后，根据分垄间距安装通长的底瓦支撑架，并且将其焊接在屋面直立锁边铝合金转接扣件系统上，支撑架尾部与脊的不锈钢支撑架通过焊接方式连接。撑架和底瓦支撑架均采用20 mm×20 mm的304不锈钢方管制成。

在安装铜封檐板时，根据底瓦和盖瓦的尺寸，将封檐板切割成弧形口。安装铜底瓦时，可以先将底瓦瓦当固定在底瓦端部，并定出底瓦外挑出檐口的尺寸，然后根据尺寸拉出整体外挑的水平线。铜底瓦尾端要伸进屋脊内，伸入长度应控制在50 ～80 mm，防止雨水流入。安装完成后，要核对安装尺寸和平整度。在不锈钢支撑架上安装铜屋脊构件，将构件底部焊接在铜底瓦面上，并在安装完成后检查尺寸和平整度。打磨焊接位置并进行抛光，对打磨范围进行修补着色处理。

安装盖瓦要先安装带铜勾头的盖瓦瓦当，勾头要紧贴底瓦的滴水，通过点焊将盖瓦固定在底瓦上，盖瓦端部要设置折边，在尾部要设置凹槽。然后安装不带勾头的盖瓦，端部折边与前一块盖瓦的尾部凹槽卡位固定，盖瓦可通过点焊固定在底瓦上，瓦间接缝要吻合，靠近脊的盖瓦尾端要伸进屋脊内。

安装屋脊盖瓦时，首先将不锈钢内折件通过电焊固定在支撑架上。支撑架采用20 mm×20 mm 的304 不锈钢方管制成。其次，将紫铜收边条一端固定在内折件上，另一端焊接在不锈钢支撑架上。再次，自下而上安装屋脊盖瓦，并通过点焊将屋脊盖瓦固定在紫铜收边条上，转角处的切割接缝应吻合并进行焊接。最后，打磨焊接位置的表面并进行抛光，涂刷与屋面瓦同色的结构密封胶进行防水处理，对有瑕疵部位进行修补着色处理。

3.2.3 平锁扣紫铜板屋面施工

平锁扣紫铜板屋面主要包括平锁扣紫铜板、不锈钢配套平锁扣铜板挂件和固定配件。其中，平锁扣紫铜板的规格为400 mm×800 mm×1 mm。在屋面安装前，要根据图纸复核上道工序的安装尺寸，检查上道工序的防水基层是否存在起砂和开裂等缺陷。检查完毕后，由两端往中间安装平锁扣紫铜板屋面。

3.2.4 椽子施工

寻根门椽子包括钢构骨架、Z轴椽子、Y轴椽子、X轴椽子以及椽子头。在安装椽子前首先要进行试拼装，提前考虑拼装中可能出现的问题，并制订安装方案。然后，要根据图纸复核上道工序的安装尺寸，检查不锈钢龙骨横向和纵向的水平高度以及标高。最后，按照Z轴—X轴—Y轴的顺序有序进行安装。

3.2.5 铜幕墙板施工

安装铜幕墙板前，要根据图纸复核上道工序的安装尺寸，然后根据图纸详细核对铜幕墙板的产品编号和安装位置，最后将幕墙吊装至指定位置。幕墙板背衬铝蜂窝和不锈钢方管，单侧和尾部设置L 形收边内衬条，作用是控制图纸要求预留的5 mm 或者10 mm 的对接缝。幕墙主要采用不锈钢角码连接，不锈钢角码直接预置在铜幕墙上。安装时将铜幕墙上的角码一端固定在基材的不锈钢次龙骨上。竖向的檐口幕墙自下而上安装，端部以插接方式连接，尾部固定在次龙骨上。横向的檐口幕墙一侧采用插接拼接，另一侧固定在次龙骨上。铜幕墙的安装要横平竖直且标高准确，表面不允许出现机械损害，并按照要求进行表面处理。幕墙间的连接采用拼接的形式，拼接缝隙要根据图纸确定，应保证缝隙宽度统一。

4 黄帝故里铜结构屋面的美学价值

4.1 传统建筑文化的传承与美学表现

传统建筑以其独特的设计风格、建筑结构和装饰艺术，承载着丰富的历史内涵和民族精神。在保护和修复传统建筑的过程中，铜结构屋面作为一种传统的建筑材料，不仅是文化遗产的重要组成部分，更是传统建筑文化的代表之一。黄帝故里铜结构屋面的应用延续了传统建筑的历史传承，更为现代人了解和认识传统文化提供了生动的窗口。通过铜结构屋面的装饰和应用，黄帝故里传统建筑文化在新时代焕发出新的活力和魅力，实现了传统与现代的有机结合。

4.2 融入自然与环境的和谐

铜结构屋面作为一种天然材料，具有良好的耐候性和环保性。随着时间的推移，铜瓦表面会产生自然氧化层，使颜色逐渐变化，从初始的金黄色转变为深褐色或铜绿色。这种变化赋予铜瓦独特的自然美感，使其与周围环境相融合，呈现出一种与自然和谐共生的状态。在黄帝故里这种富有历史和文化内涵的地方，铜结构屋面不仅是建筑的一部分，更与周围环境相互交融，使传统建筑焕发出新的生命力，展示了中华传统建筑文化的独特魅力和永恒美感。

5 结语

黄帝故里铜结构屋面作为传统建筑构件，在文化遗产保护和可持续性方面具有重要地位。铜结构屋面在传统建筑中的应用，不仅赋予了建筑显著的特征，且具备出色的耐久性和环保性，有助于延续传统建筑的生命力。为了实现传统建筑文化的可持续发展，要进一步加强文化遗产的保护与传承工作，注重技艺的传承和培养传统建筑的工匠精神。同时，应推动传统建筑与现代科技的结合，利用现代技术手段保护和修复传统建筑，使其能够适应现代社会的需求和功能。