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