田 韧

（中国民航机场建设集团公司， 北京 100621）

引言

随着我国经济发展和交通基础设施的不断完善，各地的机场建设也得到了持续发展。机场航站楼作为一个城市对外的窗口，其造型设计往往各具特点，体现了独特的地域和文化特征，从而成为地方标志性的建筑。在航站楼的造型设计中，屋面的形态和造型是最为关键的因素。金属板屋面系统由于其重量轻、可塑性好、整体结构性能优良等特点，在各地的机场航站楼建设项目中，得到了广泛的应用。航站楼的屋面设计和施工相对复杂，难度很大，要求也很高，需要根据使用功能的要求，综合考虑建筑造型、主结构选型、工程造价等因素，合理选择屋面系统的材料和结构形式，以达成最佳的建造效果。

1 金属板屋面系统在机场航站楼中的应用现状

金属屋面所用到材料及形式多种多样，包括镀锌钢板、镀铝锌钢板、铝板、不锈钢板、钛锌板、铜板等；形式有搭接、插接、锁边、摺边；板型有高肋、矮肋；构造有单板、复合板等等。20世纪八九十年代金属屋面在国内开始应用，其形式及构造均较为简单，一般采用低成本的单层彩钢板、彩钢保温复合板等，常采用波峰紧固件连接或咬边连接的搭接式构造。作为钢结构的附属产品，当时使用的金属屋面尚没有形成独立的系统，其主要用于工业厂房结构的屋面，公共建筑偶有涉及，实际的应用案例不多。

20世纪末，欧洲发明的“铝镁锰直立锁边屋面系统”（见图1所示）进入中国市场，此系统绝大多数采用了铝板这一相对耐腐蚀、易加工的材料。同时该系统还具备施工方便快捷，热变形适应性强、板材自身强度高，板材可超长加工并避免了长向搭接，对建筑多样化造型有一定的适应能力等等优点，迅速得到了建筑业界及建筑业主的认可。特别是借助北京奥运会申办成功，全国大量建设机场、体育馆等公共建筑的契机，得到了广泛的应用（见图2所示），例如北京首都机场T3航站楼、武汉机场T2航站楼等，成为了目前市场上主流产品。

图1 直立锁边系统构造示意

图2 直立锁边系统应用案例

随着广泛的应用和技术的进步，金属屋面越来越系统化，形成了独立于主结构体系的专门系统。各种新材料、新产品、新技术不断研究开发，并得到了推广应用，例如连续焊接式不锈钢金属屋面系统等。

2 航站楼金属板屋面系统在应用中存在的问题及成因分析

基于飞行净空安全、噪音影响、城市发展规划等多方面的因素，机场的选址会与城市的主要区域保有一定的距离。机场的位置往往位于城市郊区，周边环境空旷，根据不同地区的特殊情况，削山填海建设机场的案例也不鲜见。这就决定了机场航站楼相较于一般的城市公共建筑，在设计和建造中要更为充分地考虑周边环境的影响。尤其是航站楼屋面的设计，要充分考虑大风、暴雨、暴雪等不良天气，以及腐蚀、昼夜温差等环境因素对建筑本身产生的威胁。事实上，近年来航站楼通常使用的直立锁边金属屋面在使用中出现的种种问题已经频频出现，其问题与成因主要有以下几点[1]。

2.1 复杂的屋面造型处理

为体现建筑的标志性，目前国内新建的航站楼造型都力求新颖独特，建筑屋面往往采用三维设计辅助软件建模生成的非线性形状，造型复杂。这为金属屋面的深化设计、生产制作、安装施工，以及建成后的维护保养都造成了较大的难度。铝镁锰屋面虽然具备良好的材料可塑性，能够较好地适应复杂的建筑造型。但是，由于其直立锁边的板面衔接构造的形式特点，在局部或小面积弯曲时，仍然具有一定的处理难度，需要严格把控施工安装的过程，必要时还需要采取局部加强措施。

从另一方面来说，独特新颖的建筑造型是建筑设计方案得以成功中标并付诸实施必不可少的前提条件。因此，需要对航站楼的屋面设计作为一个重点的专项进行严格审查。建筑设计师应充分考虑屋面设计的可实施性和经济性，对屋面的构造搭接和施工提出切实可行的方案，而不是仅仅画出意向中的形状，将具体如何实现完全推给屋面厂家去解决。

2.2 屋面的抗风揭能力不足

近年来，机场航站楼屋面受大风掀开的事故时有发生，有的航站楼甚至出现连续多次屋面被风掀起的情况，从而造成不良的社会影响。这一方面是由于受全球气候变化的影响，强台风、强季候风等极端恶劣天气频频出现，风灾现场瞬时风压或局部风压超出屋面设计的抗风等级，从而导致屋面破坏。另一方面，也存在屋面设计、材料选用、构造工艺等各方面的影响因素，其主要体现在以下几点。

1）设计标准体系不完善。目前国内关于金属屋面系统构造设计的理论研究还不成熟，在相关设计规范中尚没有专门针对轻型屋面系统抗风连接计算承载力等指标方法。影响建筑风荷载设计的因素很多，如气候条件、抗风等级、阵风系数、地面粗糙度、建筑高度、体形系数、屋面坡度、周围环境影响、设计安全系数取值等。我国现行的结构设计规范仅仅列出了风荷载的取值，但缺乏足够的实验数据和理论作为支撑。此外，虽然很少出现强风破坏航站楼主体结构的情况，但建筑局部表面装饰物或是局部屋面被吹落掀开的案例却时有发生。目前金属屋面的结构计算往往着重于其与主体结构的衔接等方面，而对上层屋面板与固定座之间的咬合破坏缺少研究。直立锁边是通过屋面板之间、屋面板与固定支座之间的相互咬合来进行连接，其抗弯和抗剪的承载力是通过摩擦力来传递，对其在风吸力作用下的传力机制，目前尚无成熟的理论可参考。

2）设计、生产、施工缺乏衔接。目前设计院比较注重于航站楼主体结构设计，金属屋面系统的构造往往需要厂家进行二次深化设计，设计院仅对屋面系统与主体结构的连接节点进行复核。对于下一步承担施工的总包单位来说，其一般也不具备金属屋面系统进行把控协调的专业技术实力，导致深化设计考虑不周，施工时的技术监督欠缺，从而埋下屋面系统被风力破坏的事故隐患。

3）直立锁边屋面系统构造自身的抗风能力缺陷。直立锁边金属屋面系统的上层屋面板之间的连接是靠板与板、板和屋面固定支座相互咬合。其形成风揭破坏的原理如图3所示。

通过图3可看出，直立锁边屋面板面在负风压作用下容易发生较大变形，进而对锁边产生拉扯作用造成松脱，从而导致屋面板与固定座脱离。此外，屋面的风揭破坏经常是从局部的某个薄弱点开始，例如在建筑檐口天沟交接处，此处位于建筑角区，收到的风荷载往往比其他区域要大得多。但是直立锁边的构造特性决定了在此处屋面板只能通过咬合在固定支座上，然后与檩条通过螺栓连接。为起到挡水的作用，屋面板局部需要悬挑进入天沟（见下页图4所示）。在强风荷载作用时，此处的螺栓极易受拔脱落，屋面受损。而一旦某处屋面板边缘掀起后，随着大风的灌入，会产生“吹气球”的现象，导致周边大面积的屋面被掀开。

图3 直立锁边屋面风揭原理图

2.3 屋面防渗漏的难题

直立锁边屋面在屋面板之间通过咬合连接，虽然一般会在屋面板下方辐射防水卷材或防水透气膜，但在防水原理上仍是以排水屋面为主，屋面下部仍然是非密闭空间，系统本身的自防水能力不足。薄弱部分较多，渗漏点难以控制。在实际的应用中，直立锁边金属屋面易产生渗漏的部位与渗漏产生原因主要有以下几点。

1）天窗、墙面与屋面连接处：渗漏主要体现在天窗、墙面与屋面结合处由于凸凹、转折所引起的应力不同步，因结构、温差、震动等产生的变形首先会影响到连接处的节点，导致此部位的防水做法开裂失效。

图4 檐口天沟抗风揭薄弱环节

2）屋面开孔部位：开孔部位如屋面上人孔，机场名称支架等。此部位渗漏原因一般在于开孔周边节点小但在局部区域较为集中，防水处理的难度较大，容易出现积水情况，进而导致渗漏。

3）檐口、天沟部位：由于要考虑温度变形的原因，屋面檐口及排水天沟的搭接难以形成完全密闭的结构，导致此部位渗漏现象频繁。直立锁边屋面产生漏水的原因归根到底是由于其构造连接方式决定的。因此，要从加强金属屋面系统的自防水能力着手，对现有直立锁边金属屋面所采取的被动式防水方式进行整体优化，实现从“排水屋面”到“防水屋面”的改进。

2.4 其他出现的问题

由于直立锁边屋面系统在构造原理上无法实现完全密闭，一旦局部有水渗入，或者优于昼夜温差和空气湿度的原因，在内部可能会出现结露、结霜的现象（见图5所示），长时间会导致面板及连接件锈蚀。此外，由于屋面板之间以及屋面板与连接件之间是依靠互相咬合产生的摩擦力进行固定，虽然有利于适应伸缩变形，但在板面的连接处，也容易在长时间使用后产生破损现象（见图6所示）。

3 应用中的改进措施

3.1 在现有构造上进行加强改进

1）在屋面周边及薄弱区域设置檩条加密区，并在檩条间设置撑拉杆，保证檩条间相对稳定，减少因大风引起的檩条变形，保证屋面在风压作用下的结构安全。

2）对屋面板的固定支座进行改进，如采用滑动支座、移动式卡件等，提高屋面板的伸缩性能和适应变形的能力，能有效地减少因屋面板与固定件之间反复摩擦造成的损害。

3）在檐口等薄弱区域设置抗风夹具，加强屋面的抗风能力（见图7所示）。

4）增强天沟、天窗等凸凹部分的防水构造，适当增加屋面排水天沟的数量，在天沟内虹吸系统的部位增设集水井，以保证屋面的有效排水[2]。

图5 屋面内部结露、结霜

图6 屋面破损

图7 屋面抗风夹具

3.2 加强施工工艺和试验检测的控制

金属屋面施工必须制定专项方案，遵循从整体到局部的控制原则。按照“测量定位→檩条安装→天窗、天沟等骨架安装→衬檩安装→固定支座安装→防水、保温、隔气等中间层铺设→天窗、天沟、屋面板等安装”的工艺流程进行。关键节点在施工完毕后，应保证施工和现场管理人员分别进行自检和抽检，避免遗留隐患。大型金属屋面板尽量采取现场轧板直接安装的方式，减少屋面板的纵向搭接。金属屋面板的长度，应根据屋面的排水坡度、板型连接构造、环境温差及吊装运输条件等因素综合确定。尽量采用不穿透屋面的工艺进行作业，穿屋面的防水节点要采用专用防水或异形防水。

在施工安装前，必须要加强对屋面材料及施工工艺的试验检测工作，例如：屋面抗风承载力实验（包括静态、动态、低风压区和高风压区）、屋面气密/水密性能检测实验、紧固构建拉拔实验、保温材料热工性能检测、屋面板材机械性能检测、屋面板材防腐性能检测、屋面防水材料性能检测等。在安装完成后也要进行防水、抗风等性能测试。

3.3 采用新型的屋面材料和构造

直立锁边金属屋面在国内已经应用多年，并且几乎已经成为了机场航站楼屋面的唯一选择。但通过上文对传统直立锁边屋面系统特点的分析，不难看出，由于其本身构造系统的固有特点，该系统在防风揭、渗漏方面还存在一些问题和隐患。要彻底解决上述问题，需要从系统性的角度出发，整体提高金属屋面的性能。目前，国内已经开始引进以连续焊接不锈钢为代表的新型金属屋面系统，并逐渐在建筑工程中实现了应用。

从材料上来说，不锈钢具有优良的耐腐蚀性能，使用寿命长；钣金、焊接等可加工性能良好；强度、刚度、热膨胀系数等性能指标也优于钢板、铝板等其他金属材料（见表1所示）。不锈钢具有非常优良的导电性和可焊接性，整个屋面的面板可以实现完全地焊接密封，形成整体结构防水。

从构造上来说，连续焊接不锈钢屋面系统的原理是将不锈钢屋面板焊接与盖帽、连接件相互焊接，连接件固定于屋面望板，再将望板固定于檩条系统（见图8所示）。此种构造能够使上层屋面与下层望板形成整体，将传统直立锁边系统采用的“点支撑”方式转换为“面支撑”，可有效地约束板底的变形，极大地增强了屋面的抗风揭能力[3-4]。

表1 几种常用屋面金属材料的物理性能指标比较

在所有屋面转折、天沟、檐口、开孔等薄弱部位，将各个部位以连续焊接的方式连接，所有焊缝保持能够保持连续，形成密闭的体系，从而保证屋面的气密性和水密性，有效地避免渗漏、结露、结霜等危害（见图9所示）。

目前，焊接不锈钢屋面系统在日本应用较多，如关西机场航站楼、羽田机场航站楼、冲绳机场航站楼等，国内仅在青岛新机场航站楼中刚刚完成施工。现阶段国内关于焊接不锈钢屋面系统的相关理论和实验数据尚不完善，相关生产安装设备、人员，以及有经验的设计、施工管理企业仍较为缺乏，还需要在实际应用和推广过程中不断地总结经验，逐步完善。

图8 连续焊接不锈钢屋面系统标准构造

图9 屋面天沟、开孔部位的细部处理

4 结语

随着国内新建机场航站楼的逐渐投入使用，金属屋面的安全问题已经引起了社会各界的高度重视，从系统性的角度提升金属屋面的性能是预防并解决问题的关键。应在对现有直立锁边屋面进行改良和加强的同时，要广泛总结和吸收国内外的成功经验，研究推广新型材料、构造的应用，避免出现“一种系统打天下”的“偷懒”行为。同时，应组织行业内各参与方开展研究，及早制定金属屋面系统工程设计标准，并建立实行金属屋面专业设计与施工资质等级标准。金属屋面从设计到施工全过程也是一个整体的系统工程，要求设计、生产、施工等实施单位能够具备把握深化设计、生产制造、施工安装全过程的综合性能力，要重视加强金属屋面行业的管理，鼓励成立具备金属屋面设计与施工一体化资质的企业。