概括
本文从目前常用的垂直锁缝金属屋面系统入手，阐述了目前国内常用的金属屋面系统存在的问题及亟待变革的事实，进一步指出了变革的方向和原则，并列举了国内工程项目中不锈钢屋面应用的一些案例。介绍了不锈钢焊接屋面的形式、特点及原理，结合青岛新机场案例介绍了连续焊接不锈钢屋面的应用，并指出了连续焊接不锈钢屋面在推广实施过程中的注意事项。
关键词：金属屋面；不锈钢；连续焊接
1 简介
金属屋面自在我国应用以来，已成为工业和公共建筑常用的屋面形式之一，并得到了迅速发展和普及。金属屋面所用材料和形式很多，材料有镀锌钢板、镀铝锌钢板、铝板、不锈钢板、镀钛锌板、铜板等；形式有搭接、插接、锁边、卷边等；板型有高肋、低肋；结构有单板、复合板等。20世纪80、90年代，金属屋面形式较多应用于工业建筑，公共建筑偶尔也会涉及。但随着“铝镁锰直立锁边屋面系统”的推出，这种情况发生了根本性的改变，直立锁边金属屋面系统大多采用铝板，铝板比较耐腐蚀，加工方便。同时该系统还具有施工方便快捷、对热变形适应性强、板材本身强度高、板材可超长加工避免长期搭接等优点，对建筑造型的多样化具有一定的适应性，因此很快得到了建筑行业和建筑业主的认可，并在公共建筑屋顶上得到了广泛的应用，成为机场、车站、体育馆、展览馆、博物馆、影剧院等公共建筑最常用的屋顶围护形式。
直立锁缝铝板屋面系统在我国应用已有二十余年历史，但随着案例的增多，该系统的问题也充分暴露出来，其中最常见、最严重的问题就是风蚀和渗漏，这两个问题一直困扰着建筑行业和建筑业主。目前的情况是，每一个采用金属屋面的重点建设项目在实施前，都将这两个问题作为需要解决的重点技术问题。但风蚀和渗漏依然是金属屋面工程的顽疾，采取的各种技术措施只是一些局部的修缮和改进，并没有从根本上解决直立锁缝屋面问题的内因，因此效果并不理想。特别是一些大型重点工程项目，经常出现风蚀、渗漏现象，造成了非常恶劣的社会影响和巨大的直接、间接损失（见图1至图4）。
图 1 机场屋顶遭受风损
图 2 车站屋顶被风损坏
图3 某车站屋顶严重漏水
图4 某机场漏水
2 金属屋面技术需变革
困扰金属屋面行业和建筑使用者的问题长期成为常态，这很不正常，这证明金属屋面行业本身的建设和发展存在问题，技术、设计、管理、工艺、思维等方面都有很多需要改进的地方，亟待改进和变革。
通过技术创新从设计基础解决金属屋面问题是行业变革的趋势之一，在这个方向上，金属屋面行业的有识之士一直在探索。但由于技术惯性和经济利益，行业变革的呼声并不强烈，很多尝试还停留在竖向锁缝屋面的修复和工艺管理措施的细致改进上。虽然这种修复解决了一些问题，但工程实践证明这并不是一个好的出路。因此，除了改进原有技术的思路外，改变国内金属屋面传统竖向锁缝金属屋面一统天下的局面已经刻不容缓。正确的思路应该是提倡金属屋面系统的多样化，因时因地选择不同的屋面系统，保证屋面能更好地实现其建筑功能。只有深入研究不同金属屋面系统的特点，设计方式更加多样化，把好的东西用在对的地方，才能务实的解决问题。以体系打天下的“懒惰”行为不应成为常态，技术创新的推进、大胆变革的肯定，需要金属屋面行业和建筑项目用户多做努力、多想长远。
直立锁边系统之所以能在全国范围内迅速发展，除了一些技术上的优势外，还有很多其他的原因，比如技术门槛低、设备投入少、工人操作方便、现场施工速度快等。该系统在国内已经应用了20多年，生产厂家越来越多，市场规模不断扩大，但屋面系统的样式一直没有大的改变。虽然在使用过程中问题不断，但仍然被市场认可和广泛采用，是公共建筑金属屋面的主要系统选择。要改就改，只有改才能进步。但改变不是否定，而是技术进步和认识提高。
2.1在保持传统直立锁边体系优点的同时，改进屋面板体系与工艺。
变革的方向之一是在保持传统竖向锁缝系统优点的同时，改进屋面板系统及施工工艺。在新系统的开发使用中，尽可能保持竖向锁缝系统的优点，同时运用新材料、新设计原理、新工艺等理念，提高屋面系统的防水、防风能力。
目前国内外金属屋面市场已出现一些此类系统结构，并在一些工程中得到应用。随着技术的改进和应用水平的提高，相信这种改革方式有着很好的前景。因为这种改革方式并没有从根本上改变国内屋面系统的设计原理和施工习惯，改进的是原有竖向锁缝系统的不足，是竖向锁缝系统的一次技术进步。竖向锁缝系统在多年应用中形成的设计、加工、安装、管理、维护等经验仍然适用，因此市场比较容易接受。但新系统的质量如何，仍需工程案例实践的验证，这也需要金属屋面行业的决心、耐心和辛勤的努力。
2.2更换金属屋面材质，根据不同的材质选择适合该材质的施工方法。
直立锁边系统使用的主要材料是铝。由于铝质轻、易加工、耐腐蚀性好、性价比高，铝与直立锁边系统的结合，使得“铝镁锰直立锁边金属屋面”在中国大获成功。除铝外，其他适合金属屋面的材料还有铝锌钢、钛锌、铜、钛等。这些材料也在一些屋面上得到了成功的应用，不同的材料有不同的应用方法和特点。
镀铝锌钢板的耐腐蚀性能相对较弱，一般在工业建筑中使用较多，在公共建筑室外表皮方面较少，因此并不是现代城市公共建筑金属屋面的发展方向。钛锌板、铜板、钛板的耐腐蚀性能优异，材料延展性好，材料的建筑表现力也受到设计师和建筑使用者的青睐。但这些材料价格相对较高，生产厂家较少，国产产品与进口产品相比品质竞争力不强，材料供货渠道少，价格高昂。性价比因素决定了钛锌板、铜板、钛板的应用还比较小众，并不是公共建筑金属屋面未来的发展方向。因此，生活中常用的材料不锈钢进入了我们的视野，在建筑屋面上能不能好好利用呢？
2.3 在金属屋面中使用不锈钢正逐渐成为一种可行的选择。
在我国，不锈钢在建筑上的应用比较早，但由于其价格昂贵，长期以来不锈钢一般只用于建筑门、栏杆、雕塑、造型、柱包等部位，在建筑表面大规模应用的案例很少。近年来钢结构屋面防水的参考文献，不锈钢生产加工在我国发展迅速，2015年我国不锈钢产量已超过世界产量的50%，不锈钢价格持续下降。随着我国国民经济的不断好转，不锈钢材料价格的下降，不锈钢在建筑表面应用的时机已经到来，前景比较广阔。现在建筑幕墙、金属屋面采用不锈钢作为围护材料的情况也越来越多。我国建筑装饰用不锈钢消费量占比不到5%，说明建筑装饰用不锈钢还有很大的发展空间。
不锈钢具有优异的耐腐蚀性能、较长的使用寿命、较低的全寿命周期成本以及独特的建筑美感。尤其是不锈钢将两种最基本的建筑材料特性——强度和耐久性完美地结合在一起，这在建筑材料中几乎是独一无二的。这些特性注定了不锈钢在建筑领域发挥着独特的魅力。虽然不锈钢的初期投资成本较高，但如果能够正确使用不锈钢，将节省大量的维修和维护费用，并且全寿命周期内年化成本较低。因此，如何正确使用不锈钢进行金属屋面已成为国内金属屋面行业探索的课题。
据了解，目前国内已建成并投入使用的、影响较大的不锈钢屋面有广州国际会展中心、澳门北安码头、广州亚运城综合体育中心等。
（1）广州国际会议展览中心[1]（2002年投入使用）
下部顶板采用0.6mm厚奥氏体304不锈钢面材，65mm筋高，360°折边构造体系。顶板加装1.0mm厚奥氏体316毛面不锈钢装饰板（见图5、图6）。
图5 广州国际会展中心
图6 360°折边屋面系统
（2）澳门北安码头[2] （2006年投入使用）
顶棚采用0.7mm厚的奥氏体316L不锈钢表面材料，肋高75mm，180°卷边结构体系（见图7、图8）。
图7 澳门北安码头金属屋面
图8 180°卷边屋面系统
（3）广州亚运城体育中心[3]（2010年投入使用）
下部顶板采用0.5mm厚奥氏体304不锈钢面材，筋高65mm，竖向锁边构造体系，屋面板加贴1.0mm厚冷轧毛面高耐候铁素体不锈钢装饰板（见图9、图10）。
图9 广州亚运城体育中心金属屋面
图 10 65mm高肋直立锁边屋面系统
这三个项目都成功地将不锈钢运用到了屋顶上，从这三个案例中我们可以看出：
①目前国内使用的不锈钢屋面基本采用高肋设计，卷边、卷边、锁扣形式均已付诸实践；
②除广州亚运城体育中心外装饰板采用铁素体不锈钢外，金属屋面板主要采用奥氏体不锈钢；
③其中2个项目在屋面板外面安装了装饰板；
④不锈钢的应用主要注重其耐腐蚀性能，同时也能提高屋顶的防风性能。
但综合以上案例分析，仍有一些值得商榷之处：
①高筋设计、厚板材没有充分利用不锈钢的高强度；
②奥氏体不锈钢成本与镍价相关性较大，价格波动较大；
③屋面系统加装装饰板的设计，干扰了屋面系统的验证，不具有代表性；
④该系统与传统的钢屋面系统、铝屋面系统在设计原理上并无太大区别，只是改变了面层材料。
那么在屋顶上应用不锈钢还有其他选择吗？
3 焊接不锈钢屋面的发展
说到不锈钢，很多人都会想到焊接。不锈钢的可焊性也是材料的一个特点。如果把所有的屋面板都焊接在一起，那么垂直锁缝金属屋面的工作原理就会发生根本性的改变，由开放式屋面系统变成封闭式屋面系统钢结构屋面防水的参考文献，由“排水屋面”变成真正的“防水屋面”。从根本上解决了形状复杂、坡度较小、排水不畅的地方开放式屋面的渗漏问题。同时，屋面的焊接将明显提高整个屋面的防风性能。
传统不锈钢板材焊接多采用“氩弧焊”。如北京建设大厦不锈钢球形屋面工程于1997年竣工，是我国最早采用焊接不锈钢作为屋面板的工程之一。面层不锈钢接缝采用手工氩弧焊现场连接密封（见图11、12）。
图11 北京建设大厦球形焊接不锈钢屋面
图12 北京建设大厦球面焊接不锈钢屋面模型
但手工氩弧焊对焊接技术和焊接工人的要求较高，对于需要大量纵向焊接的屋面工程，其焊接效率较低，因此在屋面施工中应用并不广泛。近年来，一种连续焊接不锈钢屋面形式被引入国内，它不同于垂直锁缝屋面体系，施工方法不使用效率低的氩弧焊，而是采用连续焊接，大大提高了施工速度和效率。
不锈钢屋面连续焊接技术出现于20世纪60年代的北欧，其发展实现了传统包边系统的工业化改造，以焊接代替手工包边。焊接不仅提高了工作效率，而且保证了焊接后屋面的防水性能。但可调速连续包边机出现后，解决了机械连续包边工艺，欧洲焊接屋面技术发展比较缓慢。
日本由于受海洋性气候的影响，对金属屋面的耐腐蚀性、抗风性和防水性要求更为迫切。为了解决金属屋面的这三个问题，日本在上世纪80年代引进了连续焊接不锈钢技术，并运用到金属屋面工程中。由于不同地区、不同需求，重视程度不一。正是由于日韩对焊接屋面的重视和研究，才使得连续焊接不锈钢屋面技术有了长足的进步和发展。先后开发了几代产品，形成了成熟的焊接不锈钢屋面体系。并且在日本的《钢板屋面施工标准》（SSR 2007）中，将不锈钢焊接屋面体系正式纳入标准（见图13至图18）。
图13 不锈钢屋面系统示例a
图14 不锈钢屋面系统示例b
图15 不锈钢屋面系统示例c
图16 不锈钢屋面系统示例d
图 17 不锈钢屋顶系统示例
图 18 不锈钢屋面系统示例
4 不锈钢屋面连续焊接实施原则和基本条件
焊接不锈钢屋面技术在工程中的应用应满足以下条件：
（1）面板材料及其焊接件具有较强的防腐能力；
（2）系统具有良好的抗风、防水性能；
（3）焊接效率高；
（4）焊接质量有保证；
（5）焊接无死角；
（6）焊接效果容易检查；
（7）焊接缺陷容易处理。
这些原理决定了不锈钢的连续焊接方法——电阻焊。电阻焊是焊件组装后，利用电流通过接头接触面及邻近区域产生的电阻热，通过电极施加压力的焊接方法。
电阻焊又分为缝焊、点焊、凸焊和对焊。不锈钢屋面系统的连续焊接主要采用缝焊和点焊。其中，板筋自动焊和手持节点焊属于缝焊，配套的点焊机属于点焊（见图19、20）。
图19 电阻焊示意图
图20 电阻点焊示意图
各类电阻焊机的组合是保证不锈钢连续焊接技术实现的关键，包括自动缝焊机、手持节点焊机和点焊机及其附属设备（见图21至图24）。
图21 不锈钢连续焊接所需设备
图22 自动缝焊机运行中
图23 手持节点焊机测试
图24 点焊机运行中
同时，为了适应工程施工中的各种情况，保证在任何情况下都能采用焊接技术将面板接缝连接密封，真正达到无死角，实现“防水屋顶”的作用，连续焊接不锈钢工艺还需要很多专用的设备和机器，如各种锤子、手动折边机、檐口折边机、手动弯管机、电动剪刀、电钻、手动剪板机、鸭嘴钳、钳子等（见图25）。
图25 各种必备工具
电阻焊是通过加热熔化母材，实现密封连接的过程，因此连续焊接工艺比行业内熟悉的垂直锁紧工艺要复杂得多。要做好连续焊接屋面工程，必须做好各种前期准备工作，包括机械、技术、工艺、管理、人员等。技术的提高来自于学习、消化、吸收和试验验证，工艺的完善来自于不断的探索和实践，有序的管理来自于施工公司和使用单位的务实合作，人员素质的实现来自于培训和实践经验。这些都是学习、使用和实施不锈钢屋面连续焊接的必要条件。
5 不锈钢连续焊接屋面的应用
不锈钢焊接体系经过欧洲、日本、韩国几十年的应用和多次工程实践，应用技术研究已经比较成熟，我国已将此体系引入国内，应用于建设工程，应积极吸取别人的经验教训，认真研究，采用最完善的技术加以实施。
焊接不锈钢屋面的出现与包边系统屋面有关，因此欧洲多采用焊接与包边相结合的锁缝方式。经过分析，笔者认为该方式存在以下缺点（见图26、27）：
（1）焊接与卷边工序同时采用，工序复杂；
（2）焊缝堵塞，检查焊接质量困难；
（3）焊接缺陷不易处理；
（4）点焊位置位于缝焊的下方，在过焊的情况下，造成锁水线未闭合；
（5）由于受板形限制，长焊缝扭曲较大，板面波纹较多，影响外观。
图26 焊接与卷边结合的缺点
图27 焊接与卷边结合的缺点
但焊接不锈钢屋面系统优异的防水、防风性能已得到业界认可，因此在欧洲部分屋面工程中仍不时采用连续焊接不锈钢技术，一般用于小型屋面工程（见图28）。
图28 采用连续焊接不锈钢技术的小型屋面工程
连续焊接不锈钢屋面技术在日本经过30多年的发展，几经变革，基本解决了早期系统应用中的技术难题和重大隐患。目前的技术手段、施工工艺、检验标准等为连续焊接不锈钢屋面在实际工程中的大规模应用奠定了基础。我国屋面技术创新的重要目的是从技术基础上保证公共建筑金属屋面的耐久性、防风性、防渗漏性能，而不锈钢屋面连续焊接是其中一种方式。因此，需要进一步加强对该技术的深入研究、创新开发和工程实践。
目前正在实施的青岛新机场项目金属屋面就采用了该新型屋面系统（见图29）。
图29 青岛机场连续焊接不锈钢屋面基本结构
本项目不锈钢板采用太原钢铁集团有限公司生产的019Cr23Mo2Ti（445J2）超纯铁素体不锈钢，厚度0.5mm，板形为U型，宽度400mm，板面采用横向压花处理，板筋设有盖帽。
为了验证连续焊接不锈钢屋面设计是否能满足项目长期使用的需求，同时也为了培训队伍、验证施工工艺、制定检验标准，项目根据工程实际情况，在现场制作了大型样板段（见图30）。
图30 青岛机场连续焊接不锈钢屋面样板段实景
目前，青岛新机场工程连续焊接不锈钢屋面已完成相关论证和试验工作，结果表明该屋面在抗风、防水性能、使用效果等方面均表现优异，进一步的具体工作正在紧锣密鼓地开展。
6不锈钢连续焊接屋面应用注意事项
连续焊接不锈钢屋面系统是我国从国外学习而来，结合我国国情及相关规范要求，经过一定改进后应用于工程实践的技术。由于此项技术在我国才刚刚起步，虽然可以在别人研究成果的基础上吸收、改进，但还缺乏经验。值得提醒的是，盲目急功近利的投入、不规范的施工、混乱的管理，都会带来不可挽回的损失，把引进先进技术的好事变成行业不健康发展的坏事。
今后一段时期内，采用连续焊接不锈钢作为屋面系统在工程设计、施工、管理、检测、验收等各个环节仍需要很大的重视和完善，这项工作才刚刚起步。
6.1 不锈钢材料的选择
不锈钢材料种类繁多，但一般用于外墙、屋面的材料多为奥氏体不锈钢，牌号有022Cr19Ni10(SUS304L)、022Cr17Ni12Mo2(SUS316L)。奥氏体不锈钢具有加工硬化性大、加工回弹大、线膨胀系数大等特点。若用于不锈钢屋面的连续焊接，其材料性能及变形对系统影响较大，因此用于焊接屋面的奥氏体不锈钢单板长度受到限制。还应特别注意系统结构吸收热变形的能力。
目前，我国在不锈钢材料研究方面又取得了新的突破，超纯铁素体不锈钢的出现，对解决不锈钢连续焊接难题起到了至关重要的作用。
铁素体不锈钢是指使用时组织以铁素体为主的不锈钢。该类钢具有导热系数高、线膨胀系数小、抗氧化性能好、耐腐蚀性能强等特点。建筑物外表面常用的铁素体不锈钢牌号有019Cr23MoTi（445J1）、019Cr23Mo2Ti（445J2）。这两类铁素体不锈钢碳、氮等间隙元素极低，铬含量为22~24%，含钼，不含镍，添加铌、钛稳定化元素，加工性能好，焊接性能好，加工硬化小，回弹小，同时这种铁素体不锈钢的价格比SUS316L低。
因此，当选择连续焊接不锈钢屋顶面板的材料时，应根据项目的地理位置，周围环境，项目特征等进行全面的考虑。
6.2系统选择
并非所有焊接系统都适用于所有项目，并且在介绍，消化和吸收新系统的过程中，我们都必须详细了解它们，并注意我们也必须学习所有系统的构建者和计划的构建商，并不是一项范围。时间和地点。
6.3建筑技术的科学公式
良好的设计还需要实现整个项目结果的许多例子。在项目的实际建设过程中进行了测试和改进，最后通过工程经验，归纳和摘要，它将进一步促进行业标准的进步，实现连续焊接不锈钢屋顶的标准化和标准化，并最终实现该行业健康和良好发展的目标。
6.4测试，检查和接受措施
良好的构造还需要进行必要的测试，检查方法和接受标准，只有在检测到位时，检查是及时的，并且接受方法是适当的，可以完全施加监督和检查的作用，并且可以从第三方进行研究，从而进一步保证该项目的范围。随着相关研究的加深，它将继续丰富，有效和准确。
6.5加工和建筑工人的培训和水平发展
我的国家刚刚开始焊接不锈钢屋顶的技术，相对较小的项目，焊接质量的保证不仅是由设备解决的，而且还需要一定的技术技能来实施该项目。 ISE应该专注于工人的专业能力的培养和改善，为工人的日常培训的发展以及工人的运营水平的提高，以便以这种方式从事此类工程业务。
6.6该项目相关单位的合作与管理
这是一个不可避免的链接。
7结论
创新是专业进步和技术发展的推动力，如果任何行业只对当前的状态感到满意，就依靠技术惯性来占领市场，但不会从根本上解决这些问题，这将迟早被市场淘汰，而金属屋面的推出是不可行的。 ING行业为金属屋面行业的改革和进步提供了一种思维和方法，不可避免地会成为我国金属屋面行业多元化发展趋势的一种形式。
实践是在持续实践过程中测试真理的唯一标准，进一步的深入研究是促进行业进步的目标，这是工业技术创新的正常方式理解，应用，摘要和改进的过程，同时降低了快速成功，大胆的设计，稳定的工作，仔细的验证和科学实施的过程。
参考
[1] Jin Weiming，Zhou Guangen，Xie Youren等。
[2] Tang Jianwei。
[3] Huang Wei，Li Hong，Li Bing。
