金属屋面系统设计考虑——耐久性

金属屋面系统设计考虑——耐久性中国钢结构协会冷弯型钢分会金属围护产品委员会（彭耀光、刘晓丹、谢冬梅）在金属屋面系统中，屋面材料的防腐性能对屋面的防水、美观、耐久等功能有直接的影响，其中尤其以屋面板的防腐性能最为重要，屋面系统作为建筑物外围护构件且处于不容易经常维护的区域，经常会受到风、雨、雪、紫外线等恶劣气候条件的影响，它们长期暴露在空气中，或处在有污染的环境中，这些外部条件或内部条件均给屋面系统带来了不可忽略的破坏作用，从而影响建筑构件的综合性能要求，下面，我们从材料角度出发，继续向大家介绍金属屋面围护系统设计考虑因素之一的耐久性的意义和要求。

一、概述耐久性能是指结构在规定的工作环境中，在预定时期内，其材料性能的恶化不致导致结构出现不可接受的失效概率。

金属屋面系统耐久性能是决定使用寿命的指标，建筑使用寿命分为设计使用寿命和维护使用寿命。

建筑本身的有效使用寿命是指设计使用寿命，在设计使用年限内建筑依然能发挥着其作用。

维护使用寿命是建筑物在使用过程中通过定期维护保养达到一定使用年限。

总而言之，在工程概念里，足够的耐久性能就是指在正常维护条件下结构能够正常使用到规定的设计使用年限。

二、影响金属围护系统耐久性因素金属围护系统在正常使用情况下决定其耐久性能的是系统组成材料的防腐蚀性能和抗老化性能，综合分析材料的耐久性要结合其使用环境以及其发挥的功能作用。

金属围护系统在使用过程中需抵抗来自气候环境、大气环境、周边环境等因素的影响。

（一）温度影响高层屋面、覆盖层和外部结构的建筑金属常年暴露于空气中，温度的变化会造成金属建筑材料的热胀冷缩从而造成严重的后果，如改变材料内压力的限制，焊接和稳固固件的松动。

温度的变化还会改变材质的化学性能，加速材质氧化，高温挥发物的损失，从而降低金属围护系统的耐久性。

（二）辐射影响太阳辐射是影响建筑耐久性能的重要环境因素，我国炎热地区的夏季，水平面的太阳辐射强度可高达1000w/m2，而在冬季，某些地区如果就的水平面太阳辐射强度也可以达到400w/m2。

金属围护系统这样的不透明建筑对太阳辐射的透过率为零，照射在金属表面的太阳辐射对围护外表面吸收，表面温度提高，加快了金属表面有机涂料的氧化速率，造成金属围护系统在使用期间的掉色和脱落。

（三）大气污染影响人类活动和工业经济蓬勃发展，越来越多的有害物质排入大气环境中从而造成大气污染。

大气污染不仅对人和环境造成不良影响，而且加快建筑特别是金属建筑腐蚀从而影响建筑外观以及缩短建筑使用寿命。

大气污染物包括粉尘、烟、雾、硫化合物、氮化合物、卤素化合物等，这些大气污染物排入大气中产生直接的化学性损害。

金属通常能在干空气中抗拒腐蚀，甚至在清洁的湿空气中也是如此，然而当空气中存在着吸湿性颗粒物、酸雾、酸滴时，能使金属表面产生严重的腐蚀，使金属涂料变质，降低其保护效果。

据研究，城市大气中金属的腐蚀率约是农村环境中腐蚀率的1.5~5倍。

铝在农村地区暴露达20年以上，其抗张强度只减小1%或更少些，而在同样长的时间内，在工业区大气中铝的抗张强度却减小了14%~17%。

我国的大气污染比较严重，主要表现是城市大气环境中总悬浮颗粒物浓度普遍超标，二氧化硫污染保持在较高水平，机动车尾气污染物排放总量迅速增加，氮氧化物污染呈加重趋势。

全国降水PH值分布大气污染加快了金属建筑的腐蚀大大降低了金属建筑的耐久性从而缩小了使用寿命。

因此金属建筑在设计应用时应该结合使用区域的大气污染现状环境，选择适当的金属材质，如华中地区有严重的酸雨现象，在选用金属面板时则应该考虑面板是否有化学稳定性能抵抗酸雨腐蚀。

根据我国大气腐蚀等级选用适当的金属材料，避免金属建筑的过度腐蚀。

（四）小环境影响建筑金属围护系统耐久性能受环境影响会因室内、室外环境的不同而有差异。

直接与外部大气接触的金属外板受外部环境影响，周边工业区排出的废水废气或者所处地质环境所产生的挥发性腐蚀性气体均对金属外板的耐久性产生影响。

与室内大气接触的金属内板受内部环境影响，如干燥的室内体育馆对内板影响较小，而制革厂则会产生酸性腐蚀性气体则对大大降低内板的耐久性。

而系统内部的各构配件所处环境相对稳定且污染较轻。

典型的屋顶围护系统构造区分环境类别示意（五）不兼容的材料影响两种存在电位差异的材料被连接成为一个部分，电位差越大发生电化腐蚀的机率越大，例如数百毫安的电位差就有可能导致电化腐蚀，但如果只有数十毫安的电位差则不大可能会导致这个问题的出现。

为避免不同金属材料接触时产生电化学腐蚀，固定支架（座）宜选用与压型金属板同材质材料制成。

当固定支架（座）选用材质与压型金属板材质间接触不产生电化学蚀及其他害时，可以选择采用其他材质的固定支架（座）。

另外，海水或富含盐分的湿气比普通的雨水的腐蚀风险要高的多。

如果金属本身是干燥的，双金属的电化学腐蚀就不会发生。

因此，在高湿度和腐蚀性工业区和高盐度海淀地区要特别注意选用同材质材料的固定支架与金属板(金属板间的电位差不大于0.10V），或者在固家支架与金属板间做好隔离保护。

相对于饱和硫酸铜参比电极（CSE)，不同金属在土壤中的腐蚀电位（V）三、材料评级标准及耐久性检测（一）材料应用评级标准组装系统所用材料耐久性能直接影响使用寿命，不同环境下材料使用寿命不同。

从安全等级、使用功能、设计使用年限、选材标准等方面考虑。

重要建筑、一般建筑、次要建筑要求不同，因此选用压型金属板材料应有区别。

重要建筑用外层压型钢板宜采用聚偏氟乙烯彩色涂层热镀铝锌合金钢板，一般建筑用压型钢板可采用彩色涂层热镀铝锌合金钢板，次要建筑用压型钢板可采用热镀铝锌合金钢板或彩色涂层热镀锌钢板。

永久性地标建筑，因涂层先天耐候性能不足容易粉化损失，在建筑使用期间出现基材锈蚀而进行修补会造成建筑外观不美观等不良状况，因此应该直接选用不锈钢面板。

如果金属建筑属一般永久性建筑，则可以直接选用铝板。

压型金属板基板公称厚度不小于0.6mm。

金属板（铝合金、钛等）在大气中会生成一层致密的氧化膜，对大气具有良好的防腐蚀作用，但在某些酸性和碱性介质特别是碱性介质的作用下，氧化膜有可能被溶解而使金属遭到侵蚀。

因此，压型金属板都要根据外界的侵蚀作用，采取相应的防腐蚀措施。

主要紧固件必需考虑耐久性能是否能达到系统耐久性能的要求，在屋面系统中，碳钢材质的螺钉，表面必须采用镀层来提高其耐候性能，可以进行表面电镀镀层、热浸镀层等处理。

螺钉头部常裸露于外部，在环境腐蚀严重的条件下，为保证耐候性能，可采用不锈钢螺钉或不锈钢复合螺钉，以达到耐候性要求，保证屋面系统性能不会因单个零件的破坏而失效。

屋面、墙面内层板宜采用彩色涂层镀锌钢板、彩色涂层或原色镀铝锌钢板，对一般建筑，室内环境对钢板的腐蚀性小，可采用彩色涂层镀锌钢板或无涂层的镀铝锌钢板，但有无涂层取决于建筑设计的要求。

对腐蚀性较强的室内环境建筑，如化工类厂房及室内游泳池等，则需选用耐腐蚀性能较好的内层板。

对重要建筑，应根据实际情况考虑选用不低于本条要求的内层板材料。

基板公称厚度通过设计计算确定，但不小于0.5mm。

隔气膜应具有良好的防水隔气性能，有效阻止水蒸气进入保温层，对保温层形成全面保护，确保保温层的功效，避免当保温材料含水率增加后热阻下降以及结露现象，从而达到持续节能的作用，提高建筑耐久性。

透气膜应具有防风、防水透气功能，将外界水与空气气流阻挡在建筑外部，阻止冷风渗透，同时能将室内及墙体中的潮气排到室外，从而预防冷凝水的产生，提高建筑的寿命。

隔汽透汽膜跟水蒸汽相接触应该选用耐氧化材质，要求能抵抗各种酸性物质腐蚀。

保温棉受金属内外部环境影响较小，因此只要根据不同结构形式选择不同的保温隔热材料。

在钢结构中，应优先选用无机材料制成的保温隔热材料，在混凝土结构中无机材料、有机材料制成的保湿隔材料均可选用。

（二）材料耐久性能检测方法1、压型金属板耐久性能检测建筑金属围护系统中金属材料的构配件均需进行相应耐久性能检测，根据其使用部位不同对其耐久性要求存在差异，涉及金属材料的构配件有：金属压型板、内支撑构件、泛水等收边装饰用构件、紧固件等。

压型金属板耐久性能一般采用实验室人工加速老化检测方法进行。

2、有机涂层检测方法现代金属围护建筑中，有机涂层的应用很广泛，而有机涂层的粉化及褪色现象是无法避免的，不同材质的有机涂层其耐久性能也不同，对此也需对涂层进行耐久性能的检测，涂层耐久性能通常也采用人工加速老化检测的方法进行。

3、密封材料耐久性检测密封材料通常指在金属材料搭接处用来增强防水作用的阻水材料，一般有橡胶类、塑胶类和粘结剂，而作为金属围护系统，其使用环境均处于外露，而密封材料通常处于高温或寒冷的条件下，有可能会经受紫外线的长期直射，从而影响其密封效果，而导致密封失效，引起漏水、气透性等一系列问题。

针对材料的耐久性，可采用盐雾试验、硫化橡胶人工气候变化（荧光紫外老化）、可程序交变湿热试验、二氧化硫加速老化等方法进行检测。

而在系统应用中，粘结剂类及塑胶类密封材料不适用于建筑金属围护系统，因为其耐久性能远低于金属材料，所以在建筑金属围护系统中建议采用橡胶类密封。

4、隔汽透汽膜及保温材料保湿材料与防水材料一样，处于系统内部环境，其所受气候条件影响较小，而主要是在建筑收口位置中由于密封不严，会导致其受到湿热空气作用加速失效等，根据使用条件，可进行盐雾试验、可程序交变湿热试验、二氧化硫加速老化等检测。

四、小结：可见，系统耐久性能决定一个建筑的使用寿命，而一个好的建筑的评价标准，往往与使用寿命成正比，也就是我们常常说的“实用性”。

由于金属屋面在建筑中属于不容易经常维护的区域，故在选择材料时我们需要多方面综合考虑考虑材料使用寿命以保证能达到建筑设计使用寿命，打造出一个既安全又实用的建筑。