摘要：本文通过对高立边直立锁边金属屋面工程中常见问题的分析及对金属屋面设计中经常遇到的设计缺陷、不合理构造进行总结，针对性提出相应的设计依据及思路、优化的解决方案，力求在金属屋面的设计中做到精益求精。
关键词：高立边直立锁边金属屋面 防水构造
1 前言：
金属屋面在国内应用时间较早，目前已经大量应用于各种建筑工程中。从早期的波纹型屋面、压型板金属屋面到直立锁边金属屋面、直立卷边的金属屋面，再到不锈钢的焊接型金属屋面，金属屋面的种类逐渐丰富、构造逐渐复杂完善。但在实际工程应用中，众多金属屋面工程出现了质量问题。所以，如何根据建筑特点选择合适的金属屋面体系，确定合理的屋面构造及细节做法，是应该从设计初就认真思考的问题。
金属屋面的定义：由金属面板与支撑体系组成，不分担主体结构所受作用且与水平方向夹角小于75°的建筑围护结构。其主要的面材材质有：钢板、铝板、铝合金板以及铜板、不锈钢板等。
在众多的金属屋面体系中，高立边直立锁边金属屋面是应用最广泛的金属屋面体系。本文根据直立锁边的金属屋面体系的应用经验，总结本系统在设计中经常遇到的问题，希望能够为规范直立锁边金属屋面的设计提供参考，并提高直立锁边金属屋面的工程质量。
2 直立锁边金属屋面的基本特点：
2.1直立锁边金属屋面系统的基本构造
直立锁边金属屋面系统通常被称作高立边金属屋面系统，也叫直立锁缝lok板。金属面板通过机械辊压双边行成公母扣。屋面板安装时，首先将专用铝合金T型码与支撑龙骨连接，然后将屋面板及T型码相互咬合，最后通过机械或手工的方式进行锁紧、定型。
基本节点及构造如图2.1和图2.2：
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图2.1 直立锁边金属屋面的基本构造
图2.2 直立锁边金属屋面的基本节点
金属屋面面材是采用金属板卷材加工的，理论上，面板长度可以和卷材一样长。但是受建筑外形、运输条件、节点构造、安装工艺、变形控制等因素影响，实际工程中最大板长应综合考虑后确定。根据《采光顶和金属屋面设计规程》JGJ255的规定，金属屋面板的单块长度不宜大于25m。
2.2直立锁边金属屋面的基本特性：
2.2.1 屋面板的连续性：
使用比较长的屋面板，减少了块状板拼接缝隙问题;理论上如果金属屋面的面板根据建筑屋面的尺寸通长布置，则屋面板的拼接缝隙只有短边的咬合缝隙;
2.2.2 排水的有序性：
高立边直立锁边屋面板的凹槽造型，对雨水排放具有导向性。根据建筑屋面排水路径，此系统可以更好的将屋面雨水进行有序的引导、汇集和排出。
2.2.3构造防水：
金属屋面板不是通过封堵防水，而是构造防水。在排水方向上，金属屋面板通过上下搭接，左右侧板肋咬合，并在板肋咬合处设置凹槽形成等压腔，形成完整的防水构造，避免雨水反重力渗入。
2.2.4 支撑件不穿透：
金属屋面板的固定方式是通过板肋卡接在铝合金T码上，实现了屋面防水功能层的不穿透固定。目前针对此种连接方式的牢固性，业内存在着一定质疑，也有很多提高连接强度的解决方案，本文不做赘述。T码固定屋面板的构造见图2.3示意。
图2.3 直立锁边金属屋面的安装示意
2.2.5 良好的成型能力：
金属屋面板可以通过扇形板、弯弧板拟合比较复杂的建筑屋面外观，满足不同建筑外形的需要。但由于屋面板的成型特点，直立锁边屋面板不适合应用于小尺度，大曲率的建筑外形。扇形弯弧屋面板见图2.4示意。
图2.4 屋面扇形弯弧板
2.3直立锁边金属屋面的适应范围
直立锁边金属屋板可以设置不同板型和曲率(梯形板、扇形板)拟合复杂的建筑外形。但其适应的范围有一定限制。扇形板要保证扇形板的两端尺寸，不能过大或者过小。应该根据排水需要、工艺构造进行设计，通常情况在150mm~600mm之间。弯弧板应控制弯弧半径，弯弧半径过小会影响板的咬合精度。单一半径的屋面板加工精度相对好控制，而多半径的屋面板加工精度比较难控制。拟合的板型越多会导致板接缝越多，屋面系统产生渗漏的风险也就越大。
根据直立锁边金属屋面板的特点，直立锁边金属屋面系统不适合小尺度、大转折、大曲率的屋面形态;比较适合于大体量、大空间、小弯曲的屋面形态。
3 直立锁边屋面在设计中应注意的问题
3.1根据受力情况确定金属屋面板的T码间距
有些金属屋面工程设计时，没有进行屋面板的受力分析，直接规定金属屋面板的T码间距(通常情况下规定T码间距为1500mm~1800mm)，这是不合理的。在屋面工程设计中，应该根据不同项目的受力情况，把金属屋面板当作连续梁进行受力分析，每个T码是连续梁的支点，这样确定支点间距才是合理的、可靠的。
铝合金屋面板受力简化模型见图3.1。(参照《铝合金结构设计规程》 、 《采光顶与金属屋面技术规程》中相关规定。)
图3.1 屋面板受力简化模型
3.2 设置合理的排水坡度
根据 《采光顶和金属屋面设计规程》JGJ255的规定，金属屋面的排水坡度应该不小于3%，《坡屋面技术规范》GB50693中9.1.2规定金属屋面的排水坡度不宜小于5%;9.2.5规定：金属屋面的排水坡度应根据屋面结构形式、屋面形状、当地的气候条件等因素确定。屋面排水坡度的规定是为了保证金属屋面的排水效率。金属屋面板是卡接在T码上，如果出现积水现象，屋面板会出现变形，影响屋面排水。金属屋面板的排水速度和排水坡度相关。如果排水坡度不能保证，那整个屋面体系排水效率会降低，一旦出现积水现象，就存在渗漏风险。图3.2是实际工程中屋面积水的情况。
图3.2 屋面积水现象
3.3 合理设置屋面各功能层
屋面的各种功能层应根据建筑要求设计，以满足保温、隔声、吸音、降低雨噪音等性能要求。有保温要求的屋面设置保温层，保温层的厚度根据设计要求确定，保温棉在设置时可以两层上下搭接，减少单层铺设保温棉的缝隙影响保温效果。保温棉的铺设见图3.3示意。
图3.3 保温棉搭接
《坡屋面技术规范》GB50693中9.2.10 规定：当室内湿度较大或采用纤维状保温材料时，压型金属板屋面设计应符合下列规定：保温隔热层下面应设置隔汽层;防水等级为一级时，保温隔热层上面应设置透汽防水垫层。
保温隔热层下面设置防潮隔汽层是为了起到一定隔绝的作用，减少室内的温热空气进入保温层;防止室内温热空气在保温隔热层内遇冷形成冷凝水，导致保温隔热性能降低。保温隔热层上面设置透汽防水垫层，是为了设置一道柔性防水的基础上，仍然可以保证保温隔热层和室外空气进行交换。其构造示意见图3.4。
图3.4 屋面保温棉功能层
3.4 直立锁边金属屋面的排板设计
直立锁边的金属屋面排板从本质上说是对雨水汇流途径的设计，因此，排板应根据建筑屋面的外形、雨水在屋面上的自然流向、屋面排水途径等因素进行设计。屋面板排布设计应该遵循以下几个原则：
3.4.1金属屋面板排板应尽量根据屋面水自然流向布置，如果屋面板肋方向和屋面水自然流向存在角度，则应充分考虑屋面板的排水角度引起的排水能力下降，并且保证屋面板搭接方向和过水方向一致。见图3.5示意。
在设计上，应该避免金属屋面板出现雨水跨越屋面板肋的情况，因为如果出现了雨水跨越屋面板的情况，说明设计的排水路径已经失效。这不仅降低了排水效率、同时会造成屋面排水失序，对整体屋面性能产生了不利影响。
图3.5 屋面板倾斜布置示意
3.4.2金属屋面板排板应根据屋面外形设计，尽量避免过多的短屋面板;并且应考虑屋面板和天沟、屋脊的角度，避免屋面板和天沟、屋脊角度过小，造成构造上的困难。图3.6是项目上屋面板和天沟角度过小，导致滴水构造设置困难。
图3.6 屋面板和天沟的角度过小的情况
3.5 直立锁边金属屋面板的收口和搭接构造
直立锁边金属屋面板的每一块屋面都是一个小型的汇水槽，从构造上已经充分考虑了防水的性能构造，但是，由于屋面板的长度有限制，必定存在屋面板的两个端头以及屋面板的搭接。因此，这些位置是屋面防水的薄弱环节，能否处理好这些位置，是整个屋面板体系防水的关键。设计人员应该充分理解屋面板的标准做法，在标准做法的基础上针对各自的实际工程做出合理设计。
3.5.1屋脊的构造应该能通过盖帽子的方式实现防水，在屋面板的槽内封堵，上端覆盖通长的檐口板。屋脊应该是屋面的最高处，雨水应以这个位置作为分水岭。设计中要充分考虑屋面的坡度，对于复杂屋面形状应该充分分析屋面的成型机理，根据屋面的排水方向，确定屋脊位置。屋脊基本节点见图3.7示意。
图3.7 屋脊构造示意
3.5.2 山墙的构造需要将墙体侧向的水流导入屋面板，连接固定的螺钉应该设置在防水构造以外。屋面板的山墙构造可参照图3.8示意。
图3.8 屋面山墙节点示意
如果山墙节点设计的过于简化，直接利用屋面板的折边收口，甚至没有考虑山墙接口处屋面板的排板关系，会导致施工中很难交接，给渗漏留下隐患。图3.9就是两种常见的简化构造。
图3.9 屋面山墙简化构造节点
3.5.3 屋面板和天沟收口构造应该注意两点：
3.5.3.1 屋面板在天沟的搭接量应该大于屋面板的伸缩量，且充分考虑施工的误差。按照《采光顶与金属屋面技术规程》的要求，屋面板伸入天沟的长度不应小于150mm。有些工程，屋面板在天沟处搭接量太小，温度变形时屋面板缩回到天沟以外导致漏水。
3.5.3.2 屋面板的端头应该设置滴水构造，尤其是屋面板的排水坡度比较小的情况下，要防止雨水在风力或者其它因素下引起回流导致渗漏。屋面板滴水的构造见图3.10示意
图3.10 屋面板滴水示意
3.5.4金属屋面板搭接同样要遵循构造防水的原则，设计要根据屋面类型、坡度设置搭接量，明确搭接构造。设置泛水板进行搭接的，要控制泛水板的角度。屋面板的搭接可依据《采光顶与金属屋面技术规程》的要求，具体见图3.11示意。
图3.11 屋面板搭接长度要求
金属屋面板搭接通过批水板转接的，需要控制批水板的坡度，避免出现积水现象。设计中可以控制批水板的坡度大于5%。基本构造可参照图3.12、图3.13示意。
图3.12 屋面板搭接构造节点示意
图3.13 屋面板搭接构造效果示意
4 金属屋面板设置夹具的注意事项
直立锁边金属屋面的无穿透转接构造在很多项目上都有应用，但如何正确理解和使用这种转接夹具是很多设计人员需要加强的。珠海市晶艺玻璃工程有限公司在国家大剧院的屋面体系中采用了无穿透夹持构件，之后这种构造在金属屋面上被大量使用。其基本构造可参考图4.1示意。这种不穿透屋面的构造对屋面的防水性能有很大好处，其设计应遵循以下原则：
图4.1 不穿透夹具的构造
4.1夹具的受力应满足设计要求：
设计应充分考虑金属屋面板的夹具在不同方向的承载力，结合实际工程所处环境确定每个夹具的受力，确保受力安全、可靠。
不同构造的夹具其各方向承载力不同，图4.2是国家大剧院对双夹具不同方向的受力试验时的照片。不穿透的夹具应该能可靠传递屋面外装饰的荷载，应该根据受力情况、装饰板尺寸、夹具分布等因素进行设计确定夹具的规格和分布。
图4.2 夹具受力试验照片
4.2直立锁边金属屋面的夹具的位置
直立锁边屋面上的不穿透夹具不应该设置在T码上。夹具和T码之间的距离会影响装饰板受力后夹具的受力和变形能力。如果采用双夹具，能够增加夹具的强度，可以比较好的控制夹具和T码的位置关系。之所以不能将夹具夹持在T码上，是因为金属屋面板的温度变形比较大，如果夹具夹持会限制夹具、屋面板、T码之间的错动，引起屋面板磨损或者T码连接点破坏。双夹具见图4.3示意。
图4.3屋面的双夹具
实际工程中，直立锁边金属屋面板上的夹具位置和T码位置很难有对应关系，因此，当夹具位置和T码重合时，应设置双夹具跨过T码。
4.3审慎使用屋面金属板的全铝焊
有些设计人进行屋面设计时，对于屋面板衔接位置习惯采用铝焊完成搭接、转折等形式。认为这种构造强度大、防水性好。但是，屋面板的焊接不能影响屋面板的伸缩变形，否则，金属屋面板在温度应力作用下，焊接位置会拉开，造成渗漏。图4.3是金属屋面铝焊的照片;图4.4是铝焊拉裂的照片。
图4.3 金属屋面铝焊照片
图4.4 金属屋面铝焊拉裂现象
5总结
金属屋面的设计，应该充分利用不同屋面体系的特点和适应性，以匹配不同的建筑屋面形态和要求，不存在一种屋面体系能够适应所有屋面。当选择直立锁边金属屋面体系时，应重视金属屋面构造设计。细节决定成败，如果在细节处理不好，造成破损、渗漏，那会导致整个屋面体系的质量缺陷。希望幕墙设计人员能够设计好、利用好直立锁边金属屋面，为建设方提供安全可靠、性能优异的工程项目。
作者单位：珠海市晶艺玻璃工程有限公司
作者：张洋 杨涛 马文超
来源：2022年会论文集
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