铝镁锰直立锁边金属屋面系统浅析

杨廷海 赵 鹏 盛 辉

北京佑荣索福恩建筑咨询有限公司

1 引言

随着我国经济突飞猛进的发展，一些大型体育场馆、机场、展示场馆及高铁站房[1]等建筑物不断涌现，如首都机场T3航站楼、北京汽车博物馆、津秦客运专线唐山火车站站房等大跨度公共建筑中轻型铝镁锰直立锁边金属屋面凭着其色彩丰富的外观、优异的结构防水性能、优良的抗风性能、施工的方便快捷以及良好的保温降噪的特点，得到了广泛应用。本文主要结合北京汽车博物馆工程，针对铝镁锰合金直立锁边金属屋面系统的结构特点与施工技术进行研究。

2 工程概况

北京汽车博物馆屋面为一只“眼睛”的造型。有以开放和包容的视野看世界的寓意（图1）。

图1 北京汽车博物馆模型图

其结构由装饰铝板、铝镁锰直立锁边金属板与保温岩棉、吸音棉及压型钢板组成。

3 北京汽车博物馆项目铝镁锰直立锁边金属屋面系统基本构造

对于各层面的球面设计，采用了三维空间设计的方式，采用空间坐标定位等准确实现几个层面的位置关系，如图2所示。

图2 立体节点图

（1）外层是装饰铝板。（2）中层为铝镁锰直立锁边金属板和保温岩棉，采用扇形分格，通过空间坐标定位确定面材及龙骨位置与弧度。（3）内层为压型钢板和吸音棉，亦采用扇形分格，通过空间坐标定位确定面材及龙骨具体位置曲度弧度等。

3.1 主要材料

（1）装饰铝板：3mm板单板，材质5005-H34。（2）防水板：1.0mm铝镁锰合金直立锁边板。（3）承托板：0.5mm彩色镀铝锌压型钢底板。（4）泛水板：2mm氧化铝板。（5）铝型材：阳极氧化处理。材质为6063A-T5。（6）铝管：Φ50×5mm圆铝管，表面阳极氧化。（7）钢型材：C型檩条200mm×70mm×20mm×3mm，表面氟碳喷涂处理。转接钢件，材质Q235B，表面热浸镀锌。（8）密封胶：单组分，黑色。（9）其他：25mm吸音棉（外包黑色玻璃丝布）、100mm保温棉、钢制连接件、连接紧固件、隔离垫片等。

3.2 构造设计（图3）

图3 基本节点

3.2.1 主次檩条连接设计

总包负责主体钢结构，主、次檩条由幕墙施工单位施工。主檩条与主体钢结构通过钢制转接件连接。沿球面的经线设置。转接件设计长条孔，采用螺栓连接。次檩条通过螺栓连接到主檩条上。次檩条也设计有长条孔，通过长条孔设计即加强了抗震形变能力又可消除幕墙的伸缩噪声。

3.2.2 压型钢板与吸音棉的连接设计

压型钢板位于主檩条的顶部，通过不锈钢自攻自钻钉与主檩条连接。不锈钢自攻自钻钉钉帽处使用防水垫圈，并采用耐候密封胶进行密封。压型钢板需由下往上竖向排布，压型钢板通过相邻的波峰（或波谷）实现横向搭接，竖向由上而下搭接，搭接量约50mm～80mm为宜。隔音层采用无机纤维喷涂25mm厚吸音棉。在压型钢板上平铺吸音棉，需要拼接密实且不要留有缝隙，宜错开搭接。吸音棉与檩条也要不留有缝隙，压型钢板宜开设用来消音的孔以保证吸音效果。

3.2.3 铝镁锰合金直立锁边防水板和保温岩棉的连接设计

铝镁锰合金直立锁边防水板和保温棉应按先保温后防水的安装顺序。采用100mm厚保温岩棉。使用钢丝与次檩条连接，钢丝起到承托作用，保温岩棉平铺在钢丝上。同时在椭圆球的下半部，也采用钢丝在外侧拉设钢丝，以保证保温棉固定的稳固。保温岩棉铺设同吸音棉搭接密实不留缝隙。

铝镁锰合金直立锁边防水板的连接设计：由于屋面扭曲，导致局部板宽变化，板肋产生侧偏现象，局部设计上窄下宽的扇形板来解决，避免采用全部直板时，屋面最大扭曲部位板肋需侧偏。若用直板则不能连续铺设覆盖屋面，如强行安装，存在铝镁锰合金直立锁边防水板受损，导致重大漏水安全隐患。铝镁锰合金直立锁边防水板的固定，首先是将铝合金固定座用高强不锈钢螺钉固定于镀锌檩条上翼缘，再将屋面板扣在铝合金固定座的梅花头上，最后用电动锁边机将屋面板的搭接边咬合在一起[4]。

屋面板在实际工程中要通长安装，不许搭接[2]，由于板比较薄，在加工、运输、安装过程中，易造成各种损坏现象，导致渗漏隐患。所以屋面板通常是现场加工安装（图4）。

图4 现场压型

收边、泛水、伸缩等是金属屋面常见的问题，本工程采用了2mm泛水板与屋面板连接搭接，并在此部位打胶密封，保证泛水板既能伸缩自如又保证整体结构的防水性能。

3.2.4 装饰铝板的设计

装饰铝板采用方形，铝单板通过螺钉与铝合金副框连接。曲面通过装饰铝板折线拼装来完成。通过三维空间设计的方式，采用空间坐标定位，从而明确各板块的实际尺寸规格。在曲率较大部位铝板采用冷压或接技术保证板块安装效果。

3.2.5 装饰铝板的连接设计（图5）[4]

装饰铝板通过铝合金副框及角铝与铝板幕墙龙骨连接，铝板幕墙龙骨通过铝合金特殊夹具固定在屋面板T型固定支座上。角铝通过连接螺栓与铝合金副框固定，在角铝立板上，设计竖向长条孔，用以实现调整高度。角铝预先安装在铝合金副框上。装饰铝板通过铝合金压板与铝板幕墙龙骨连接。此结构即满足安装过程中三维调整，又通过角铝与装饰板块的自由调节实现各个自由度方向的转运，从而大大提高了幕墙的温度变形和抗震变位能力。同时，在角铝立板上还开有条纹，与螺母垫圈配合使用，达到板块的限位和固定作用。

3.3 防水设计

排水与防水性能是屋面系统工程的关键。本工程外层是装饰铝板，下层铝镁锰合金直立锁边板实现防水。此防水板使用专用机器进行锁边，不需要用螺钉穿透屋面板，也不需要使用防水密缝胶，即可形成一个防水及抗风的整体[1]，肋高采用65mm，具有更理想的防水性能。从以下三个部分介绍如何保证水密性能。

3.3.1 铝镁锰合金直立锁边板系统让雨水有序收集排放

铝镁锰合金直立锁边屋面板由上至下分层设计，板与板间通过对泛水节点处理形成环向伸缩缝，使上下层板既能伸缩自由又密闭良好，具有良好防水和保温性能。弧形扇面屋面板肋高65mm，板面宽度400mm，确保雨水顺利排出。经计算，此系统可抵御每小时79.2mm的强降雨而不出现渗漏。

3.3.2 在壳体的最大横剖面上四周设有集水槽

集水槽采用3mm厚316不锈钢板加工，集水槽宽500mm，高250mm，一边设计在铝镁锰合金直立锁边屋面板内部，收集顺铝镁锰合金直立锁边屋面板流下的雨水。

采光天窗与屋面板交接收口处设有泛水的2mm氧化铝板，从天窗排下的水沿着屋面防水板进入周圈排水沟（图6）。

3.3.3 在集水槽上周圈均布Φ150mm的不锈钢落水管（图7）

落水管沿直立锁边屋面板曲线布置。落水管与集水槽可靠连接，保证水密性能。

综上所述，使雨水有序排出，保证系统水密性能。

3.4 抗风荷载能力

铝镁锰直立锁边金属屋面通过调整支撑檩条间距及T型支架距离，能够满足较强的抗风荷载要求。有研究模型试验表明，铝镁锰直立锁边金属屋面系统，风压小于风揭极限荷载前，屋面板支座与屋面板锁缝处连接较好，没有发生咬合松弛；但接近或达到风揭极限荷载时，会产生塑性变形，最终导致风揭破坏。所以，为提高金属屋面系统的整体抗风揭强度，应着重提高锁边处的咬合力，例如可以优化锁边咬合方式或者在无支座处的跨中位置增设抗风夹等措施来提升系统抗风揭能力[3]。

4 结束语

直立锁边金属屋面系统耐腐性强，对建筑物复杂造型有很好的适应性，并可通过现场制板，所以制作长度可以达到整个跨度，避免搭接节点，大大减少雨水渗漏的可能性。目前作为一种较成熟的建筑幕墙系统，值得广泛的推广与应用，希望能给类似工程提供一些参考。