概括
以吉林人民大剧院金属屋面项目为例，从屋面造型、防水、挡雪、防结露、冬季施工焊接、冬季低温铝卷屋面板现场压型等方面全面分析了该工程的特点，并针对性地改进了屋面施工工艺和技术，最终确保了金属屋面施工安全的同时还保证了安装进度和质量，取得了良好的社会效益和经济效益，为我国北方地区同类工程冬季施工提供了借鉴。
关键词
金属屋面; 防水; 冬期施工; 施工措施
1 项目概况
1.1 项目概况
本项目建设地点位于吉林市东山区，江湾大桥南端东侧，北至东山街，南至规划路，东至会展街，西至城市环路。建筑面积约12500平方米，建筑高度34.6米，地上4层，地下1层，建筑上部屋面为单层网壳，下部屋面为双层网壳，部分区域为单层网壳，结构形式为框架+剪力墙结构。
图1 吉林人民大剧院效果图
1.2 屋面结构概况
本工程金属屋面系统主要由屋面装饰板、铝镁锰合金金属屋面、不锈钢天沟系统、采光侧天窗等结构和功能体系组成（见图2）。
图2 金属屋面系统结构图
1.3 季节性施工概述
本项目位于吉林市，冬季漫长寒冷，区域内年平均气温3℃至5℃，1月份平均气温最低，一般在-18℃至20℃之间，7月份平均气温最高，一般在21℃至23℃之间，无霜期山区120天，平原地区130至140天，年降雨量约700mm，全区日照时数2400至2600小时。本项目施工期贯穿雨季和冬季两个自然节气。
2 工程冬季施工重点、难点及解决方案
2.1 建模控制
2.1.1 建模控制重点与难点
如果说立面美是建筑的灵魂，那么屋顶造型则应是这个灵魂的着力点。屋顶面积占整个建筑立面的80%之多，是建筑师用来表达设计灵感的载体，如何保证屋顶造型的圆滑过渡，满足建筑要求是屋顶设计的重点之一，是建筑效果的重要组成部分。本项目的难点在于高低屋面板的混合搭配和坡屋顶，这导致屋顶的搭接较多。
2.1.2 建模控制解决方案
（1）整体造型实现
为了找到建筑的造型，首先需要将结构模型与施工图提供的平面尺寸、立面数据进行对比，找到建筑外皮的控制点，确定它们的坐标。然后利用三维建模软件建立建筑外皮模型作为控制面（如图3所示），按照结构层结构逐层重建各标准面。这样就可以找到檩条各点的坐标，通过弯曲圆弧将檩条做成近似的建筑面。檩条结构安装完毕后，在铺设屋面板时，根据设计提供的建筑外皮控制点坐标进一步测量、铺设结构面，并进一步微调高强度铝合金支架，以满足屋面板的铺设要求。通过三维网格将装饰板分成若干个单元块，在三维模型上找到每个单元块点的坐标，通过专用转接器固定在防水屋面板上。根据三维模型控制各主层的形状和调整，在施工过程中控制各层的误差：檩条精度误差控制在正负15mm以内，防水板精度误差控制在正负5mm以内，装饰板精度误差控制在正负15mm以内，板面精度误差控制在正负3mm以内。
图3 3D建模
（2）局部立面建模的实现
竖锁缝屋面板、装饰板等材料根据外立面的双曲率或者单曲率通过三维放样进行切割，将竖锁缝屋面板按照合理的间距排列后根据屋面各弧段半径大小通过全数控机械弧弯设备折弯成弧形板材；屋面装饰铝单板、异形玻璃在工厂经过单、双曲加工工艺，再在现场进行精确定位安装，以贴合屋面弧形造型。
2.2 屋面系统防雨雪保护
2.2.1 屋面系统雨雪防护的重点与难点
金属屋面工程，除了体现建筑整体的美观性之外，屋面的防水是重点问题，竖向锁缝屋面系统由于其本身的结构设计和板块布置，防水性能相对优越，但根据常规工程的经验，在天沟、天窗、洞口等位置，是比较容易发生漏水现象的位置，需要采取足够的防水措施，才能保证整个屋面的防漏性能。同时，由于本项目所在地吉林市冬季多雪，对防雾设计也有较高的要求。
2.2.2 保护屋顶系统免受雨雪侵袭的解决方案
（1）屋面板防水设计
屋面板成型机运输至现场加工，确保屋面板加工与实际情况相符，同时，若现场安装过程中出现特殊情况，屋面板设备可及时跟进，确保生产质量。由于屋面板本身的特点，如其非穿透螺丝外露安装特性以及屋面板抗毛细槽阻水性能，从而达到屋面板间的防渗漏性（见图4）。
图4 屋面板防雨雪设计
（2）天沟的防水设计
天沟的结构处理涉及到屋面板与不锈钢天沟的连接，既要保证连接处的防雨、防雪、防风、防漏，还要处理好天沟与屋面板的胀缩问题，以保证屋面系统的完整性。本工程对屋面板在极端温差作用下的胀缩进行了计算，在屋面板贯穿天沟的端部预设置了胀缩裕度，在屋面板贯穿天沟的区域设置了带有滴水片的内堵，以防止风和少量雨水从防雨板与屋面板之间的缝隙中渗入（如图5所示）。
图5 天沟处防雨雪处理
考虑到可能出现的极端天气，排水系统采用虹吸系统，同时为了防止突然强降雨入侵，导致虹吸管不能及时排出雨水，发生“倒流”现象造成雨水飞溅，在雨水槽位置设置雨水槽，并安装防溅板，防止雨水溅入屋面系统（如图6所示）。
图 6 天沟节点设计
（3）屋面防雪条设计
图7 屋顶防雪杆设计
由于吉林市冬季寒冷多雪，对本项目等大型金属屋面的防积雪要求较高。根据以往项目经验，我们在屋檐、天沟处设置了防雪条（见图7）。一是防止屋面积雪滑落对下方人员或建筑物造成危害。二是防止屋面大量积雪滑落到天沟内，一时无法融化，导致天沟上的雪水汽渗入屋面结构内造成排水系统堵塞。防雪条设计可使屋面雪水有序流入天沟，并顺畅排出。同时，天沟内的电加热系统可确保板端及天沟内部无积雪、无冰层积聚。
2.3 屋面节能与防止冷桥现象
2.3.1屋顶节能的重点与难点
在建筑围护结构中，由于室内外温差较大，一些部位会形成热流比较密集、内表面温度较低的区域，这些部位成为更多热量传递的桥梁，造成房间冷量消耗增加，浪费能源钢结构屋面防水的参考文献，冷源处会形成冷桥现象。
2.3.2 预防冷桥的解决方案
为了防止冷桥的发生，我们在建筑的不同部位采取不同的措施，以达到建筑节能和防止冷桥发生的效果。
（1）屋面节能结构设计
首先应选用玻璃纤维棉作为保温材料，其技术指标为：100mm厚、不燃A级、平均温度70℃时导热系数不大于0.043W/(m·k)[1]，这种材料具有保温、隔音双重作用，可防止冷桥现象，阻止外界环境撞击屋面板产生的噪声直接传入室内。
支架必须采用高强度铝合金支架，并加保温垫片，支架及垫片实物样品如图8、图9所示。
图8 支持示例
图9 橡胶绝缘垫片
其中橡胶保温垫片在金属屋面系统中的作用，一是起到保温的作用，大大减少了通过支撑的热量损失，防止了冷桥的产生；二是防止了铝合金材料与钢结构材料直接接触而引发电化学反应。三是整个屋面板系统在温度变化下可以自由滑动、伸缩，橡胶保温垫片避免了金属屋面板在温度大变化时因热胀冷缩而膨胀，有效避免了因卡扣盖板缝错位而导致屋面漏水的现象。
（2）天沟冷桥防治设计
天沟系统与金属屋面系统为两个独立的系统，天沟处及天沟与金属屋面交界处是散热集中的地方，在天沟系统四周及天沟与金属屋面系统交界处设置保温棉，以减少天沟与室内的热传导，从而防止冷桥现象的发生，达到建筑节能的效果（见图10）。
图10 天沟防冷桥设计
（3）天窗节能设计
天窗节能设计可以从以下三个方面来阐述：
a.天窗玻璃的选择
天窗玻璃采用双层中空玻璃10+12A+10中空玻璃（LOW-E）。中空玻璃是两片或多片玻璃之间通过有效的支撑均匀分隔，四周密封，使玻璃层间形成干燥空间。用于空气空间的玻璃产品是良好的隔热、隔音、美观、实用的天窗玻璃材料。它还是一种可以减轻建筑物自重的新型建筑材料。中空玻璃的各项性能均优于普通双层玻璃。因此，它已得到世界各国的认可。间隔层的厚度可以最大限度的减少能量通过辐射传递，从而减少能量的损失，达到节能的目的。
b.天窗型材的选择
天窗型材采用隔热铝型材钢结构屋面防水的参考文献，隔热性能好，隔热型材内外框采用软性结合，边框采用一道橡胶条、两道毛条的三道密封形式，封闭严密，气密、水密性能优良。窗扇与中空玻璃结构相结合，使窗户真正做到隔音、隔热、保温。这种型材与结构的组合，节省了大量的采暖、制冷费用，节能效果显著。
c.室内外连接处防冷桥设计
室内外结合处是热量损失较为严重、冷桥现象较为集中出现的地方，因此需要对此区域进行特殊处理，本工程在室内外结合处修建了封墙，室内外封板均采用彩钢板，彩钢板中间填充50mm厚保温棉，彩钢板之间设立骨架体系，增加封墙的刚度，既满足了保温的要求，又达到了建筑美观的效果。
2.4冬季焊接施工
2.4.1冬季焊接施工重点及难点
本项目所在地吉林市属温带大陆性季风气候，四季分明，春季干燥少雨，夏季温暖多雨，秋季凉爽晴朗，冬季漫长寒冷。本项目主要施工期多在每年11月至次年5月，为一年中最冷的季节，如何采取有效措施做好冬季施工是保证整体施工顺利进行的关键因素。
本项目屋面板采用铝镁锰合金，屋面系统采用直立锁边屋面系统，此屋面系统的一大特点是突出了铝合金材料的可焊接性，使屋面的接缝处可采用焊接方式，形成整体的集水性，增强了屋面的防水能力。
本工程焊接工作较多，无论是钢材的焊接，还是铝合金材料的焊接，施工焊接都不可避免，如何解决冬季焊接问题是本工程需要重点关注的问题。
2.4.2冬季焊接施工解决方案
首先，屋顶焊接位置要搭设移动式加温棚，加温棚温度应在0℃以上，加温棚最好是帐篷式，并有简易炉具；其次，焊接前必须对母材进行预热，焊条也必须放在保温桶内，冬季焊接也要注意焊后的保温问题；最后，冬季的大风也给焊接带来很大的危害，所以注意防风也很重要。
2.5冬季低温铝卷屋面板现场压型
2.5.1 冬季低温铝卷屋面板现场压型重点及难点
为满足屋面施工长度要求，本项目屋面铝镁锰合金板加工采用现场制造成型方案。
铝镁锰合金屋面板采用冷弯滚压成型，经过多轮滚压冷弯逐渐成型，在低温季节，特别是气温低于-5℃时，铝镁锰卷材在压料时容易产生开裂现象，对工程质量和原材料的损耗影响很大。通过了解此工程，冬季施工在所难免。那么如何做好冬季防护，保证现场加工的顺利进行是重点。。
2.5.2 冬季低温铝卷屋面板现场压型解决方案
首先，冬季施工时，要为屋面板压机搭建防风暖棚，保持屋面板出板温度，防止屋面板因剧烈热胀冷缩而收缩变形。为防止材料损坏，卷材还必须做专门的防冻处理。另外还要注意，当气温低于-5℃时，卷材压出板前必须进行预热[2]。
结论
在本项目施工过程中，施工方通过应用关键施工技术，结合我国北方地区项目的气候特点，推动了整个工程在全程受控下顺利进行，有效保证了屋面系统工程的施工质量，取得了良好的经济效益和社会效益，达到了预期目标和设计要求，为北方地区金属屋面冬季施工提供了良好的范例，今后类似的金属屋面工程可根据设计方案结合现场实际情况，参考本项目施工，对冬季施工的重点、难点及解决方法进行分析，提高北方地区金属屋面工程的施工质量。
参考
［1］中华人民共和国住房和城乡建设部.屋面工程技术规范:GB 50345-2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.
［2］中华人民共和国住房和城乡建设部.屋面工程质量验收标准:GB 50207-2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.
