摘要：本文回顧了薄板金屬材料在建筑屋頂?shù)膽�用與發(fā)展歷史，介紹了薄板金屬屋面系統(tǒng)的類型及其特點。以裝配式金屬屋面系統(tǒng)為例，介紹了系統(tǒng)組成構件、材料的選用及應遵循的標準規(guī)范。
　　關鍵詞：薄板金屬；屋面系統(tǒng)；裝配；歷史；優(yōu)點；組成構件
　　　　
　　前言
　　利用金屬材料作為屋頂覆蓋物，歷史可以追溯至公元前970年，位于以色列耶路撒冷的所羅門神殿（TheKingSolomonTempleinJerusalem）屋頂，采用了鍍金的青銅作為屋頂覆蓋層。到了公元2世紀，歐洲一些國家及地區(qū)的手工匠已經(jīng)開始利用簡單的手工工具，熟練地把金屬銅或鉛安裝于一些著名的宗教建筑屋頂之上。
　　金屬薄板被大量應用于一般工業(yè)建筑或/和民用建筑，其歷史則只有不到200年的時間。金屬薄板的第一次工業(yè)化應用，要歸功于一位英國船塢公司的工程師亨利帕爾莫（HenryPalmer），他所設計一種瓦楞狀的薄鐵板在1829年被應用于英國船塢公司的貨倉屋頂及墻面上。這是壓型金屬板正式應用的最早記錄。到了19世紀中期，熱浸鍍技術的開發(fā)與應用，壓型薄板屋面的應用越來越普遍，適用的范圍也更為廣泛。隨著科技發(fā)展與進步，新材料、新技術、新工藝在不斷涌現(xiàn)，為傳統(tǒng)金屬屋面系統(tǒng)的技術改進以及應用技術的發(fā)展帶來了前所未有的機遇。
　　2金屬屋面系統(tǒng)的優(yōu)點
　�。�1）具有自重輕，耐久性強及經(jīng)濟性能高的特點。金屬薄板的厚度范圍在0.4mm-1.5mm之間，自重只有1.5kg/m2-5kg/m2，是一種輕型結(jié)構構件。另外，金屬是一種均質(zhì)、穩(wěn)定的材料，相比合成橡膠、聚乙烯、PVC等材料，其受大氣紫外線的影響是最小的。
　�。�2）具有優(yōu)異的結(jié)構性能。金屬薄板最初被應用于一些裝飾性的屋面覆蓋層，其結(jié)構性能的優(yōu)勢體現(xiàn)在它們具有良好的抗沖擊性能，為建筑提供一個堅固的外保護層，增強了建筑圍護構件的使用壽命。隨著壓型設備的出現(xiàn)及冷加工技術的成熟，金屬薄板經(jīng)過冷加工形成了規(guī)則的截面形狀，同時也大大提高了構件的強度及剛度性能。
　�。�3）具備良好的防水性能。金屬屋面板最早是被視作一種“蔽水性”系統(tǒng)應用于陡坡屋面上，它是依靠水的重力作用使屋面具有防水性能。隨著金屬屋面板技術的更新與改進，金屬屋面板的防排水能力得到較大的提高，屋面坡度要求也逐漸減小，部分的金屬屋面板也常常視作是一種“阻水性”系統(tǒng)被應用于一些平屋面系統(tǒng)上。
　�。�4）外觀適應性強，能滿足不同種類建筑的外觀需求。金屬薄板經(jīng)過壓型設備的冷加工，可以形成不同截面尺寸，不同形狀的連續(xù)或單元構件，可以滿足不同類型、不同使用要求的建筑外觀的需要。另外，結(jié)合先進的涂層及表面處理技術，可以令建筑外表面呈現(xiàn)出不同色彩、表面紋理的效果。
　�。�5）安裝便捷與快速，對于不同地區(qū)、環(huán)境及不同功能要求的建筑有較強的適應性。
　�。�6）具備熔點高、不燃燒的性能，有優(yōu)良的防火性能，是理想的屋面防火覆蓋材料。
　�。�7）是一種理想的綠色建筑材料。一方面，金屬屋面從制作、安裝、使用，直到壽命結(jié)束全過程，其對環(huán)境的影響都最小。另一方面，金屬屋面是一種可回收材料，在建筑壽命期完結(jié)時，金屬屋面材料還能被100%的回收利用。
　　3金屬屋面板及分類
　　3.1按屋面板的結(jié)構性能分類
　　3.1.1“建筑性”屋面板
　　“建筑性”屋面板概念可以定義為：一種因金屬屋面板自身截面承載能力差，需要安裝于建筑的屋頂板結(jié)構上，主要是滿足建筑外觀（屋頂）裝飾功能的金屬屋頂覆蓋層材料。這種屋面板的截面構造形式較為簡單，對板的厚度要求不高，板件尺寸小，板件的截面多以平板為主；另外，這些金屬屋面板自身并沒有很強的截面承載能力，不能獨自承受外部風、雨、雪及施工等荷載的長期作用，必須安裝在有足夠支撐強度和剛度的屋頂板上，為防止雨水的進入，還需在金屬屋面板與屋頂板間加設一層防水層。
　　3.1.2.“結(jié)構性”面板
　　是指需要跨越檁條與檁條之間距離的屋面板，通常檁條的間距是由屋面板的材料、厚度、屋面板的截面承載力及屋面荷載所決定的。由于屋面板本身具有一定的截面承載力，可以不需要專門的屋頂板來支撐。實際上，“結(jié)構性”屋面板相當于建筑的屋頂板及屋面覆蓋層。最早應用于商業(yè)建筑屋面上的“結(jié)構性”屋面板是我們所熟悉的具有梯形截面（瓦楞板）或弧形肋截面（波形板）的金屬壓型板。
　　3.2按屋面板的防排水性能分類
　　3.2.1.阻水性屋面板
　　一般的柔性卷材屋面系統(tǒng)、瀝青或改性瀝青聚合物屋面系統(tǒng)，作為建筑屋頂?shù)姆浪�屏障，理論上是可以允許一定時間、一定深度（一般為泛水高度以下）內(nèi)的屋面積水而不引起屋頂滲漏，這樣的屋面稱作阻水性屋面系統(tǒng)。而作為防水屏障的金屬屋面板，其阻水性的概念與上述這些柔性防水屋面系統(tǒng)有所不同。這是因為金屬屋面板所遭受的熱負荷運動遠遠大于柔性卷材屋面，其上部連接方式及泛水的構造與一般柔性屋面的設計有所不同，金屬屋面板往往不能長時間忍受接縫位置以上的積水。因此，具有“阻水性”特性的金屬屋面板多指的是那些具有高排水截面的外形、長尺寸的安裝狀態(tài)、具有特殊防水構造的直立邊屋面板，但應滿足以下的應用條件：
　　a)屋面坡度應不小于1.5°；
　　b)金屬屋面板有較高的截面高度，具備足夠的排水能力，能防止一定降雨強度下的雨水跨過屋面板的接縫位置；
　　c)通過在屋面板板肋連接處填入嵌縫料或密封材料來保持屋面系統(tǒng)的永久防水性，有時嵌縫料在屋面板生產(chǎn)過程中被預先放置；
　　d)具有有效的防水構造。
　　3.2.2蔽水性屋面板
　　作為蔽水性的金屬屋面系統(tǒng)，主要但不完全是依靠重力作用使建筑屋頂具有防水性能的，坡度越陡，雨水從屋頂表面流走的速度越快。然而，水流的運動模式并不是單向性的，外界的風力作用在影響著雨水的運動方向。當風吹向屋面，雨水會沿著屋面的接縫位置進入，從而導致屋面的滲漏。因此，蔽水性屋面板的安裝坡度要求會比“阻水性”屋面的坡度要大。按IBC(InternationalBuildingCode)2006的定義，金屬屋面板的屋頂最小坡度應不小于10°。“蔽水性”屋面板還具有下述的幾個特征：
　　a)金屬屋面板截面高度低，自身的排水能力差，板間連接不具備防水能力。
　　b)金屬屋面系統(tǒng)內(nèi)部需要加設附加的防水層構造，用于屋面系統(tǒng)的二次防水。
　　c)蔽水性屋面板的連接及節(jié)點處理往往不具備氣密性能。
　　3.3按屋面板的連接固定方式分類
　　3.3.1.隱藏固定式
　　隱藏式緊固夾具的優(yōu)點就是，在保證了屋面板連接強度的前提下，進一步提高了建筑物屋頂?shù)姆浪�性能及緊固構件的耐用性。根據(jù)所采用的連接固定原理的差異，隱藏式固定式金屬屋面板又可細分為很多的小類，其中具代表性的有：折封式；彈性卡扣式；卷邊扣合式；熔焊連接式；板條扣合式；平鎖扣式。
　　3.3.2.穿透固定式
　　穿透固定式金屬屋面板具備優(yōu)異的結(jié)構性能，生產(chǎn)及安裝便捷，經(jīng)濟性能高的優(yōu)點，在目前仍然被廣泛的使用。但是作為屋面覆蓋層，由于緊固件需直接穿透金屬面板固定于屋面下部支撐結(jié)構，它的防水性能受屋面穿透、材料熱位移效應、外界荷載等因素的影響很大。往往在系統(tǒng)應用中，穿透固定式金屬屋面板多應用于一些屋面坡度大，防水要求低的建筑屋頂。
　　4裝配式金屬屋面系統(tǒng)的組成構件及材料
　　裝配式金屬屋面系統(tǒng)是金屬屋面系統(tǒng)的其中一種形式，系統(tǒng)的主要組成構件包括底板、內(nèi)支撐體系、隔熱保溫材料、吸聲材料、防水防潮材料、金屬面板、附件等，這些材料或構件均需要在工地現(xiàn)場按嚴格的安裝方法及施工程序裝配完成，并且裝配完成后的系統(tǒng)作為一個整體構件，應能滿足相應的建筑物理性能要求。
　　4.1壓型板
　　金屬壓型板可以由涂層鍍鋅鋼板、不銹鋼板、鋁或鋁合金板及其它的金屬板材制成。壓型板的生產(chǎn)尺寸，與生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)設備，壓型板的形狀，產(chǎn)品的運輸、儲存、安裝等因素有關。大開間的屋面或墻面，使用長尺寸的壓型板能有效地減少板長方向的搭接口的數(shù)量，降低屋面或墻面滲漏的風險。但同時也應充分考慮長尺寸的壓型板（金屬或其它熱傳導性好的材料）溫度膨脹引起的變形問題。壓型板是由兩種或兩種以上材料組成的，應該考慮它們的整體強度、剛度性能，材料耐久性能是否一致，及相鄰材料的兼容性問題。
　　4.2有機涂料
　　金屬薄板被制成壓型鋼板前，一般會在薄板表面（單面或雙面）預涂上一層有機涂料，涂層可以提高壓型鋼板的防腐蝕性能，同時也能為壓型板本身提供更多的色彩選擇。有機涂料多用于鍍鋅鋼板或鍍鋁鋅鋼板上，不銹鋼或鋁合金等耐腐蝕強的金屬板材，可以不考慮另外增加有機涂料以改善其防腐蝕性能，但考慮外觀顏色的要求除外。在同一厚度下有機涂料的耐久性能與其涂層的顏色有關，淡色系能更有效反射光輻射，在夏季涂層會有較低的表面溫度，而冬季則較高，因此，淡色系的涂層耐久性會更好，涂層的退化也更慢。涂料的一般性能要求包括：色牢度；干膜厚度;抗劃傷性;耐磨性能;粘附性;抗沖擊性;抗折彎性;耐腐蝕性;耐高溫性;耐候性;耐鹽霧性能;防火性能。
　　4.3內(nèi)支撐系統(tǒng)
　　內(nèi)支撐系統(tǒng)是裝配式雙層屋面系統(tǒng)中的一個重要組成部分，是創(chuàng)造屋面系統(tǒng)內(nèi)部有效凈空間，更好的實現(xiàn)系統(tǒng)保溫隔熱、吸聲性能的有效保證。內(nèi)支撐系統(tǒng)可以是單個構件構成，亦可以由多個構件相互組合共同實現(xiàn)。內(nèi)支撐系統(tǒng)是屋面荷載傳遞路徑上的重要一環(huán)，是系統(tǒng)內(nèi)部的一個重要結(jié)構單元，其組成構件自身除要具備一定的結(jié)構強度與結(jié)構穩(wěn)定性外，還必須保證與之相聯(lián)系的屋面板、下部支撐結(jié)構（檁條、結(jié)構底板）之間有效、安全的連接。常見的內(nèi)支撐系統(tǒng)構造有：板條式，支撐架式。
　　4.3.1板條式內(nèi)支撐系統(tǒng)
　　傳統(tǒng)的板條式內(nèi)支撐系統(tǒng)多由鍍鋅鋼板冷彎成型，截面形式有“Z”型，“U”型，“口”型。除壓型鍍鋅鋼材外，木材，鋼木復合材料也較為常用。板條式支撐構件由于具有截面形式簡單，加工容易，安裝方便的特點，被廣泛使用。但板條式內(nèi)支撐系統(tǒng)同樣存在明顯的缺點：首先，構件是連續(xù)布置的，系統(tǒng)內(nèi)部不可避免出現(xiàn)較多的熱橋，斷熱橋的措施必須充分考慮；另外，板條式構件的截面從其結(jié)構穩(wěn)定性、經(jīng)濟性的考慮，截面高度一般不會太高，這導致屋面系統(tǒng)保溫隔熱性能受到限制。
　　4.3.2支撐架式
　　其組成由上部鋼制橫梁與支撐梁架及斷熱橋構件組成。橫梁一般采用冷成型鋼結(jié)構構件，通過與固定于下部結(jié)構（檁條或結(jié)構底板）的專用支撐架連接，使系統(tǒng)內(nèi)部形成空腔。該結(jié)構形式簡單，安裝便利，結(jié)構性能優(yōu)良，另外，由于下部支撐點相對的減少，結(jié)合相應的斷熱橋構件，可以有效的降低屋面系統(tǒng)內(nèi)部的熱橋效應。
　　4.4緊固件
　　4.4.1.常用類型
　　金屬屋面系統(tǒng)所使用的緊固件類型多樣，按其連接的結(jié)構重要性可分為主連接件，次連接件；按其連接強度可分為剛性連接，非剛性連接。英標BS5427-1:1997定義了部分建筑屋面常用的緊固件，它們是：
　　1）彎鉤螺栓及螺帽；
　　2）自鉆螺釘；
　　3）自攻自鉆螺釘；
　　4）螺栓及螺帽；
　　5）壓型金屬薄板專用夾具；
　　6）各類鋁制或鋼制拉鉚釘。
　　隱藏扣合式屋面板件的專用夾具或支架均屬于特殊的連接構件，屋面板件與連接構件多采用折邊、卡扣、卷邊扣合等機械連接方式，這些連接方式，在確定其連接強度或其他物理特性時，往往無法通過常規(guī)的數(shù)值計算得到，為此，一些特定的實驗室檢定方法被逐漸采用，而這些通過試驗所得到的數(shù)值對這類新型屋面板的設計與應用就顯得十分有意義。
　　4.4.2.性能要求
　　在設計與選用裝配式金屬屋面系統(tǒng)緊固件產(chǎn)品時，一些基本的性能指針應被考慮，包括：緊固件材料及保護層材料的耐候性能；緊固件及其配件的水密性能；滿足外觀的需要；緊固件的結(jié)構性能。
　　在設計與選用這類緊固件時，除要考慮其構件自身結(jié)構性能、耐候性能及水密性能外，評估螺釘板屋面系統(tǒng)在最不利風荷載及風雨共同作用下的綜合物理性能，對緊固件的選擇同樣重要。這些綜合物理性能包括：緊固件的承載力性能；風雨效應共同作用下的水密性能；動態(tài)風荷載作用下的抗疲勞性能；
　　4.4.3.材質(zhì)
　　緊固件的材質(zhì)種類繁多，金屬屋面常用的緊固件材質(zhì)有碳合金鋼，鋁合金、不銹鋼、高強合金鋼等，由普通的碳鋼與不銹鋼經(jīng)過特殊工藝復合制作的自攻自鉆螺釘，目前也被廣泛應用。從材料的角度考慮，影響其設計與選用的因素包括：
　　1)材料的物理特性，如材料的強度、硬度、脆性等；
　　2)材料的化學性能，如耐腐蝕性，電化腐蝕性能等；
　　3)經(jīng)濟性能。
　　4.5保溫隔熱材料
　　保溫隔熱材料是絕熱材料的一種，一般將導熱系數(shù)小于0.174W/(m.K)的材料稱為絕熱材料。絕熱材料是指不易傳熱的、對熱流具有顯著阻抗性的材料或材料復合體。絕熱材料性能的高低，是由絕熱材料導熱系數(shù)（λ-value）的大小決定的，導熱系數(shù)愈小，其絕熱性能愈好。除導熱系數(shù)外，還可以用熱阻值（R-value）表示，熱阻值愈大，其保溫隔熱效果愈好。為裝配式屋面系統(tǒng)選擇保溫隔熱材料，一般應遵循下述原則進行比較與選擇。
　　1)為確保建筑工程的節(jié)能效果，盡量選用高效優(yōu)質(zhì)的保溫隔熱材料。
　　2)保溫隔熱材料的密度要滿足建筑工程的要求。
　　3)保溫隔熱材料應具有良好的化學穩(wěn)定性。
　　4)保溫隔熱材料應首選不燃或難燃的保溫隔熱材料。
　　5)保溫隔熱材料應選用吸水率小的材料。
　　6)保溫隔熱材料應具備施工方便、存放簡便的特點。
　　4.6防冷凝材料
　　4.6.1.防潮隔氣材料
　　常用的防潮隔氣材料的有塑料、瀝青油氈、高分子聚合物橡膠膜材、聚合物塑料膜材等，還有一些復合在玻璃棉底部的材料如鋁箔、纖維紙，也是一種防潮隔氣材料。應用于裝配式金屬屋面系統(tǒng)內(nèi)部的防潮隔氣材料，應考慮的物理性能包括：水汽滲透性；頂破強度；抗張拉強度（縱向、橫向）；耐滲水性；溫度性能（高、低溫）；防火性能。
　　4.6.2.防水透氣膜
　　具有防水透氣性的膜材安裝于金屬屋面板的底部、保溫絕熱材料的上部，能有效阻止產(chǎn)生于金屬屋面板底部的冷凝水對保溫絕熱材料的影響，同時，保溫絕熱材料中潮濕的水分又能順暢地經(jīng)過防水透氣膜排除外部。這種膜材又被稱為“呼吸膜”。
　　4.7底板
　　底板是裝配式金屬屋面系統(tǒng)的一個有效組成部分。不同形式的底板都應具備一定的結(jié)構強度與剛度，以保證它能承受除自身的重力外的系統(tǒng)內(nèi)部其它組成構件的重力荷載。常用的底板材料有，壓型金屬薄板、纖維水泥板、石膏板材，甚至是一些強度高的保溫絕熱板材也可以作為屋面系統(tǒng)的底板。在全支撐屋面系統(tǒng)中，壓型鋼頂板亦被認為是一種屋面底板。一般屋面系統(tǒng)底板應滿足的性能要求包括：結(jié)構性能；防火性能；材料的耐候性能；聲學性能。
　　4.8屋面采光
　　屋面采光材料應具有一定的透光性能、良好的耐久性能、熱工性能、安全性能及防火性能，能與金屬屋面系統(tǒng)緊密的配合，共同的工作，常用的采光屋頂材料有：GRP(GlassfibreReinforcedPolyester)，增強玻璃纖維采光板，國內(nèi)亦稱之為玻璃鋼或FRP板；PC（Polycarbonate），聚碳酸酯板；PVC（Polyvinylchloride），聚氯乙烯塑料板；安全玻璃。
　　4.9密封膠
　　在金屬屋面板板間連接處，或屋面穿透的位置，往往需要使用一些密封膠，以為這些位置提供額外的防水屏障。密封膠對于金屬屋面系統(tǒng)，是一種重要的構造材料。但是密封膠的有效使用壽命往往會低于金屬屋面系統(tǒng)的設計使用周期，在設計選用密封膠時，應有充分的設計考慮，包括：不定型性；對需粘結(jié)構件的不腐蝕性；缺口填補的能力；在產(chǎn)品的使用壽命期內(nèi)，正常使用溫度下密封膠能有效保持足夠的彈性；壓力作用下的可壓縮性能；粘結(jié)性能；屋面的伸縮縫位置，密封膠應具有一定的延展性；防水性能；對金屬板材或涂層材料的兼容性；對外露的密封膠材料應具有一定的防紫外線能力。
　　4.10附件
　　裝配式金屬屋面系統(tǒng)中使用了大量的金屬或非金屬構件，如金屬泛水板、屋脊蓋板、屋脊壓條、防水堵頭、擋水板等，這些構件與金屬屋面一起共同形成了一個完整的屋面系統(tǒng)。在設計選用這些屋面附件時，一些基本要素應該被考慮，包括：材料的物理性能；結(jié)構強度；連接方式及強度；材料的兼容性；材料的耐侯性能；安裝節(jié)點的處理。
　　
　　5結(jié)語
　　金屬屋面的應用歷史悠久，優(yōu)點突出，是理想的建筑屋頂覆蓋材料。裝配式金屬屋面系統(tǒng)以其優(yōu)秀的產(chǎn)品特性，逐漸成為業(yè)主、設計師、施工單位用于建筑屋頂材料的首選。金屬屋面系統(tǒng)，特別是裝配式金屬屋面系統(tǒng)，其構造形式多樣，所體現(xiàn)的功能要求也存在很大的差異，了解與認識裝配式金屬屋面系統(tǒng)的構成及材料選用準則，是確定一個優(yōu)秀金屬屋面系統(tǒng)的基本條件。
　　
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