VC柔性轻钢屋面系统在广东科学中心的设计及实践应用

VC柔性轻钢屋面系统在广东科学中心的设计及实践应用
PVC轻钢柔性屋面系统在世界范围内有着广泛的应用，在欧美地区已经有超过五十年使用的成熟历史；尤其是大型公项目、厂房、仓储、物流等屋面的大量应用；但在中国起步较晚，只有十几年使用的成熟历史。

标签：PVC轻钢柔性屋面系统；单层防水系统；屋面风荷载动态实验；渗漏；热风焊接
1、工程概况
广东科学中心位于广州市大学城（番禺区小谷围岛西端），占地面积45万平方米，建筑面积14万平方米。

整体建筑造型独特，气势恢宏，正面像一只灵动的“科学发现之眼”，侧面像一支整装待发的“舰队”，俯瞰酷似一朵盛开的“木棉花”，是我国“绿色建筑”代表工程，广州市的标志性建筑。

广东科学中心复杂多变的建筑特点及布置不规则的结构平立面形式，将广东科学中心平面分为7个区，并在结构上采用了巨型钢框架结构、钢网壳结构、PVC 单层轻钢结构屋面防水系统结构、预应力混凝土结构等结构形式。

广东科学中心的屋面C区、D区、E区、F区、G区工程的特点：
（1）采用了大跨度悬挑钢结构，船头部位悬挑长度超过以往钢结构工程实例，屋面变形大，面积大，总面积约26000平方米，增加了屋面渗漏风险；
（2）屋面由五个叶子形状的部分组成，外形独特新颖，但同时增加了施工的难度；
（3）工程跨度大，屋面变形缝及其他细部节点（内天沟、排汽井、风井）较多，渗漏概率大；
（4）屋面高度高：30米。

鑒于传统轻钢屋面系统（明扣、暗扣、绞边）的防水效果很难达到理想效果。

经过多方论证，从屋面防水效果、屋面保温隔热绿色环保节能的方面考虑，最终采用西卡渗耐PVC柔性轻钢屋面系统。

2、PVC柔性轻钢屋面系统的特点
本系统指以PVC柔性防水卷材、保温隔热板、隔汽层及附属配件组成的一套防水保温为一体的屋面单层防水系统。

该系统用于钢结构屋面、砼屋面等，具有其他屋顶无法比拟的优越性：自重极轻、防水和保温密闭性好、极易维修、色彩丰富美观、可以做各类曲面造型屋顶。

其构造简单清晰，共分四层，由上而下：
1.5mm厚聚酯纤维内增强PVC防水层
40mm厚XPS保温隔热层
0.3mm厚PE膜隔汽层
0.8mm厚YX35-125-750镀锌彩色压型钢板结构层
各层次分别承担整个屋面的各个功能；其中，压型钢板放置在檩条上，起到结构承载的作用，隔汽层同时具有降低屋面内外的压力差和降低屋面发生冷凝现象的作用；保温层直接铺设在钢板上，形成一道连续的平均保温隔热层，整体屋面保温隔热中间没有断隔，对屋面起到有效的降低屋面冷凝及冷桥效果；而防水层则是整个屋面系统免受雨水的影响，各层次通过螺钉、垫片进行机械固定，形成一道严密的防水抗风保护层。

施工便捷，细部处理简单可靠，尤其对内天沟、排水口、风机口、女儿墙等部位的处理，可以有效保证施工质量，从根本上避免了传统屋面的风险。

防水效果好，便于检修、保养、维修成本低、可以任意变形。

由于防水层的作用，使得整个屋面没有了渗漏的隐患，对由于人为的原因造成的破坏，可以随时进行维修；屋面表面没有固定用金属构件（全部被防水层覆盖），因而避免了由于金属构件的腐蚀而造成的渗漏隐患。

消除噪音。

由于采用柔性防水层作为屋面系统的最外层，大大缓冲了雨水本身的冲力，采用高容重岩棉，增强了隔音性能，平均隔音量Rw大于40（dB）分贝。

吸音系数NRC达到1.03；同时由于防水层与保温层紧密结合，消除了共鸣音的产生原因，从而即使室外大雨倾盆，室内依然保持安静。

3、柔性轻钢屋面系统的抗风设计
3.1风荷载的设计
广东科学中心屋面结构形式独特，现行规范无可供参考的体型系数，风振计算也无直接引用的方法。

通过风洞模拟试验，得出了该屋面各区域的风压分布和最高最低风压峰值等参数，为确定风振系数，进行结构设计提供了依据。

PVC柔性轻钢屋面系统的设计主要是考虑风荷载的破坏作用，由于防水层、保温隔热层和隔汽层是通过螺钉固定在钢板上，其设计原理是螺钉固定在钢板上的极限破坏力必须大于风对螺钉的破坏力。

螺钉固定在钢板上的极限破坏力大小起决于螺钉抗拉力及螺钉固定在钢板
上的咬合力，通过做拉拔破坏实验可求出其值。

实验证明钢板厚度越厚，其极限破坏力就越大，但同时会造成屋面静荷载加大，增加建筑成本；通过模拟屋面风荷载动态实验计算分析，对钢板厚度取值为0.8mm是性价比很高的选择。

风对螺钉的破坏力的计算考虑因素主要有：
a.屋面各个部分所受风压是不一样的，屋面的最外角最大，其次是周边，屋面的中间部分相对最弱。

b.风压对每个螺钉的破坏力起决于螺钉的位置及其固定的屋面面积S。

风对螺钉的破坏力F=风荷载标准值ωK×S
风荷载标准值ωK可按《建筑结构荷载规范GB50009》计算。

通过屋面系统抗风揭验证试验，求得每个螺钉的设计荷载取值为0.8KN.
屋面的加密范围为6米，加密区的螺钉株距为0.125米，行距为0.94米；
非加密区的螺钉株距为0.25米，行距为1.88米。

取最大破坏值验算如下：
粗糙度：B。

基本风压ω0：由《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）可查出ω0=0.50KN/M2
屋面柔性系统标高：30米，风压高度变化系数μz=1.39，振风系数βgz=1.59，风载体型系数μs= -2.2，活载系数γQ=1.4
熟悉屋面结构图，确定所需用的防水卷材、垫片、固定件长度、固定件设计负荷值。

屋面区域采用PVC卷材、垫片、65mm长固定螺钉，取W=Wadm=0.6KN 抗风设计为：固定件全部按加密区固定，行距：0.94米，株距：0.125米.
取最不利点作为验算如下：
屋面最不利点风荷载标准值：
ω=γQβgzμsμzω0
=1.4×1.59×（-2.2）×1.39×0.5=-3.403KN/m2
熟悉屋面结构图，确定所需用的防水卷材、垫片、固定件长度、固定件设计
负荷值。

屋面区域采用PVC卷材、垫片、65mm长固定螺钉，取W=Wadm=0.6KN
由公式N=L×ω/W确定每米固定件数量，其中L为固定件排距。

由公式S=1/N 确定固定件间距；
抗风设计为：固定件全部按加密区固定，行距：0.88米，株距：0.125米.
抗风能力验算为：
0.8KN/0.88m/0.125m=7.273KN/m2>3.675KN/m2
所以，该屋面区域的螺钉加密分布满足抗风要求。

3.2钢板波型的选用
由于钢板上面铺设保温隔热层，所以波峰宽度越大，开口净距越小，其保温隔热层的整体受力效果越好；由于螺钉固定钢板波峰上，螺钉的间距是峰-峰间距的倍数，波峰距离越小，螺钉的间距就越密，每个螺钉固定的屋面面积S就越小。

钢板最小厚度满足0.8mm，其中波峰高度min.40，波峰宽度min.50；峰-峰间距20～25cm；开口宽度≯15cm。

最终选用0.8mm厚YX35-125-750型压型钢板
3.3防水层的选用
由于PVC防水层直接暴露在外面，常年累月受到日晒、风吹、雨淋、腐蚀等自然因素的破坏，故对其质量有着很高的技术要求。

a.采用耐老化性能好，寿命长的防水卷材。

其使用寿命应大于建筑屋的使用壽命，通过国家检测中心检测热老化处理实验和3500小时以上人工侯化实验。

b.采用聚酯纤维内增强型PVC具有拉伸强度高（≥250N/cm），断裂伸长率（≥15%），热处理尺寸变化率（≤0.5%）的特点，以保证PVC卷材的优越的受力性能。

c.防水层的面层颜色宜采用浅色，如白色、银灰色等，这种浅色表面反射了很大一部分太阳能，保证对热量的吸收最低。

但微生物在有水分、灰尘和其它污染物存在和合适温度的情况下生长在卷材的表面，会造成反射率的下降，所以卷材要求具有抗紫外线、耐酸碱和具有自洁功能。

d.热风焊接技术是PVC防水卷材用于屋面系统的关键技术，使无接缝屋面结构变成现实，接缝具有永久性，保证使用寿命要求，同时具有钢板结构无法比
拟的防渗漏特性。

3.4保温隔热层的选用
选择保温层材料的基本要求/功能是：一是要有低的满足设计要求的导热系数，二是材料本身须耐霉化。

屋面系统采用机械固定法施工时，保温层需满足如下要求：
a.抗压强度：压缩比根据欧洲标准EN 826/12430，保温层变形达到10%时，抗压强度应达到60Kpa；或点荷载在保温层变形5mm时达到500N。

b.良好的尺寸稳定性：由于长期温差应力作用，材料产生收缩或膨胀变形，甚至老化，引起屋面防水或保温结构的破坏。

挤塑聚苯板（XPS）作为（下转71页）（上接69页）保温层，其要求是：最小容重25～30kg/m3；厚度40～80mm。

其特点是尺寸稳定性好，不易变形，表面平整度高，抗压强度大于150KN/M2；导热系数低，可达0.028W/mK；与PVC不相容，应加隔离层；不耐有机物；重量轻，易安装；耐潮，不吸水，适应于阴雨天气；防火指标可达B1级。

3.5隔汽层的设计
隔汽层的作用主要有两点：
a.当屋面有保温层时，降低屋面结构产生冷凝的风险。

b.在保证不透气的情况下，可以抵御建筑物内部空气压力，降低总风载。

本设计选用PE膜作为隔汽层，PE膜的适宜厚度为0.3mm，其特点是性能致密，具有良好的隔汽性能；质量轻，施工简便。

结语：
实践证明，该工程经过九年的日晒雨淋，其间屋面系统还多次遭遇了50年一遇强度暴风雨的考验，经过材料老化性能测试，PVC防水卷材的各项性能仍然保持在98%以上.PVC特有的优越可焊性及耐老化性能使PVC防水卷材破坏处经过重新热风焊接修补，仍能达到令人满意的防水效果。