金屬拱形波紋屋頂在改造工程中的應用

宋　萌　鄭必杰　劉　彬

[摘要]金屬拱形波紋屋頂是一種新型的空間鋼結構，在北京蒲黃榆危房改造中應用了這種新型結構。通過與傳統材料的對比，這種空間結構具有傳統結構不可比擬的優越性，在工程應用中張顯了自己獨特的魅力。

[關鍵詞]改造方案 金屬拱形波紋屋頂 綜合效益

中圖分類號：TU8文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0510094－02

一、工程概況

本工程位于北京市蒲黃榆鐵路住宅區內，三面環繞住宅樓，一面臨小區馬路。建筑面積580平方米，跨度14米，長40米。原為單層磚木結構，磚墻、木屋架、瓦屋面。由于建造年代久遠，房屋的壽命已無從考證，也找不到相關的建筑資料。經過長年累月的風雨侵蝕，現存在多處病害，且表現的相當突出，木屋架、望板輕度腐朽，瓦屋面破損漏雨，已嚴重影響了使用功能和結構的安全性。經過技術人員的認真鑒定，決定對此房屋進行改造利用，建成大空間的菜市場。

二、傳統的設計方案及存在問題

根據北京市規劃部門的要求，不可能進行整棟房屋的拆除新建，只能進行內部及屋頂的維修改造。鑒于木屋架等已危危可及而外墻尚好，決定更新屋頂結構，只對下部結構進行改造。因此，結合使用要求，提出了以下兩個方案：

第一方案：拆除室內吊頂以上所有屋頂結構（含木屋架）及室內所有縱橫隔墻，保留外墻為圍護結構，并將外墻加高至4.5米，現澆鋼筋混凝土壁柱，采用鋼筋混凝土梁及預應力空心板屋蓋，另做保溫及卷材防水屋面。

第二方案：拆除部分同上，也保留外墻為圍護結構，現澆鋼筋混凝土壁柱，采用鋼屋架、瓦屋面及輕鋼龍骨吊頂。

隨著方案的出臺，將所遇到的難題歸納為如下四點：

1．工程造價偏高；

2．施工復雜，周期較長；

3．與原有結構難有良好銜接；

4．建筑造型普通，室內凈空小。

由于房屋的跨度較大，無論是對鋼筋混凝土梁板還是鋼屋架，都會有較高的要求，而資金有限，屬于單位自籌，目的就是要用最低限度的投資，來最大限度的創造經濟效益。可這兩個方案均需耗費大量的人力物力，施工周期也較長。換個角度，從主觀方面來看，人為的影響因素也是不可忽略的，本房屋與周圍住宅樓僅有十來米的間距，施工場地狹小且不必說，長時間的施工噪音，必然會引起周圍居民的不滿而產生糾紛；從方案本身的結構來看，新建部分與原有圍護結構不能形成整體，對于單層空曠房屋的抗震十分不利，一些節點的處理也將十分復雜；從方案本身的建筑方面來看，建筑造型為平屋頂或坡屋頂，外觀不夠優美，也不符合商業建筑須引人注目的要求，另外，因面積較大，室內凈空較小，人在里面感到壓抑，影響使用效果。

問題如此之多，采用什么設計方案才能消除以上這些弊端呢？

三、金屬拱形波紋屋頂簡介

要尋求解決問題的方法，首先得把思路從傳統結構的桎梏中解放出來，來認識一種新型結構金屬拱形波紋屋頂。

金屬拱形波紋屋頂屬薄壁輕型鋼結構，它是由很薄的彩色鍍鋅鋼板（0.8～1.5mm）通過金屬屋頂成型機連續冷模輥壓成帶有橫向波紋的拱形槽板，然后用自動封邊機將若干這樣的槽板鎖縫，組成吊裝單元，并吊至屋頂圈梁安裝就位而成的一種屋頂結構形式。它優美的外形，梁板合一的獨特優點，開闊的空間，低廉的造價，快速的施工速度，無疑使它成為首選設計方案。因為是改造工程，還必須同時考慮房屋的抗震加固。經過慎思密慮，一個全新的設計方案成熟了。

四、確定新方案

金屬屋頂是通過圈梁中的預埋件同下部結構連接。因為本屋頂的自重很輕（12～26kg/m2），因而，下部結構的柱子主要承受它的水平推力，通常情況下，采用鋼筋混凝土圈梁和柱子比較經濟。

根據這種屋頂結構的受力、制作和安裝特點，確定了如下方案：拆除部分還同原方案，保留外墻作為圍護結構，外墻上門窗不變，可以滿足采光要求。在外墻頂現澆一道鋼筋混凝土圈梁，墻外側現澆鋼筋混凝土附墻柱，柱頂與圈梁頂保持同標高，柱與圈梁、外墻緊密聯結，圈梁頂預留埋件與屋蓋連接，屋蓋采用紅色銀河金屬拱形波紋屋頂。如下所示剖面圖。

這個方案很象現在砌體房屋的抗震加固，柱子、圈梁、墻體之間的連接確實完全符合抗震加固的構造要求，同時承受著拱形屋頂傳來的力。這樣不僅增強了原來結構的整體性與穩定性，提高了抗震能力，還不必專為屋頂配置梁柱，起到了一箭雙雕的作用。

需特別說明的是屋頂的保溫與防水問題，金屬拱形波紋屋頂結構的保溫可采用拱殼內側噴聚胺脂，1cm厚的聚胺脂可達到24cm厚磚墻的保溫效果，且現場發泡而成，保溫性能好，無冷橋。本設計采用了2cm厚的聚胺脂保溫。另外，這里所指的防水是指屋頂與下部圈梁的連接節點處。因屋頂鍍鋅彩板為鎖邊連接，且連接部位在屋面的高處，不會存水、滲水，故結構本身的防水性能無可挑剔，但節點處的防水若處理不好，一方面造成沿墻壁向室內滲水，另一方面積水腐蝕連接部位的角鋼及預埋件，影響結構的耐久性。在本工程中，節點內側噴聚胺脂同屋頂保溫層渾然成一體，節點外側以細石混凝土找坡，再用我段自產的海帕倫防水涂料刷兩遍防水，確保這個防水的薄弱環節萬無一失。（如下圖所示）

五、綜合效益分析

經過精心的設計，專業的施工，一道紅色的彩虹終于盤蜒于建筑群體之中，與周圍的綠樹灰磚相映襯，更顯出它的優美姿態。在本工程中應用銀河金屬屋頂帶來的綜合效益體現在以下五個方面：

（一）用料省、造價低

金屬波紋屋蓋采用0.8～1.5mm厚鍍鋅鋼板，實現板架合一，無需檁條、屋架等其他承重構件，具有自承重、自然防水的功能。盡管鍍鋅鋼板的價格較昂貴，但造價仍低于同等跨度的其他屋頂形式。以下是造價對比：

計取各種費率后，屋頂造價為38萬元，單方造價為678元/m2。

銀河金屬屋頂加聚胺脂保溫在本工程中實際發生14.56萬元，單方造價260元/m2。

以上數字表明，采用金屬波紋屋蓋與采用傳統的鋼屋架、瓦屋面相比，每平米竟能節省400余元，這體現出了巨大的經濟效益。

（二）生產效率高，建造周期短

屋頂成型機及自動封邊機全部是自動化的施工設備，專業的施工隊伍每臺班可制安800m2拱形板。本工程560m2的屋頂僅用了一天就全部制安完畢，最大限度減少了施工給人們生活帶來的不便。

（三）質量優，性能好

鍍鋅鋼板輕質高強，耐腐蝕，屋蓋采用機械封邊連接，氣密及防水性能可靠，現場噴保溫材料，施工簡單。另外，由于金屬波紋屋頂自重輕，因而對下部結構要求不高，梁柱不用設計的十分肥大。通常情況下，圈梁位于柱頂，將屋蓋的側推力及壓力傳給柱子，因為本工程為改造工程，須保留原外墻并采取加固措施，在構造上使梁柱牢固連接，同樣能夠協調作用，整體性能更好。

（四）施工機動、靈活

全部材料及配件隨設備安放在汽車上，可直接運往現場，制作與安裝方便靈活，且不用搭設腳手架。金屬屋頂是在現場將鍍鋅鋼板壓制成型，卻并不需要很開闊平整的場地，就可迅速完成金屬屋頂的流水生產線。本工程的施工現場，最寬處也只有十來米，對于其他結構的施工，可能連材料的堆放場地都不夠用，而銀河金屬屋頂就是在如此狹小的場地中一天完成了所有的工程量。

（五）造型優美，空間開闊

金屬屋頂有艷麗的色澤，優美的曲線，良好的裝飾性能。屋頂的矢跨比為0.2～0.3，室內無檁無梁，空間開闊，可利用屋頂自身的凈空來滿足建筑使用要求。考慮到房屋竣工后的商業用途，就采用了緋紅的屋頂顏色，在周圍以灰色為主色調的建筑群中，顯得光彩奪目，散發著勃勃生機。房屋的跨度依舊是14米，那么屋頂矢高為3米，室內凈高就達到了6米左右，形成了開闊明亮的空間，創造了一個良好的購物環境。

六、金屬拱形波紋屋頂的推廣應用

近年來，隨著我國經濟建設的飛速發展和鋼產量的迅速增加，輕型鋼結構得到了前所未有的發展。與傳統的磚木、混凝土結構相比，輕型鋼結構以其輕型、高強、施工快速、造型優美等特點受到建筑界的青睞。

金屬拱形波紋屋頂的應用絕不僅限于改造工程，它已廣泛地被工業廠房、倉庫、車庫、商場、餐廳、禮堂等建筑領域所采納，如北京市大旺食品有限公司食品生產車間、北京圖書發行部、國家糧食儲備庫網球館等均采用了這種屋頂結構，放眼全國范圍，金屬拱形波紋屋頂業已走入了許多大、中、小城市。

在實際工程中，根據工程規模大小和使用要求的不同，這些屋頂結構有單跨、雙跨和多跨以及不等高跨多種形式。雖然，單一曲率的圓弧拱，限制了這種結構的建筑造型，但這并不意味著建筑師們在這種結構上沒有文章可做，實際上通過不同矢跨比、不同色彩的搭配，以及屋頂采光帶和下部門窗的巧妙布置，一樣可以具有豐富多彩的建筑造型，更加拓寬了它的應用范圍。

通過金屬拱形波紋屋頂在本工程中的應用，能看到它在各領域的廣泛推廣和其中所蘊藏的巨大的經濟效益。由于此種結構從國外引進時間較短，目前我國還沒有這種結構的設計及施工規程，但它所具有的應用范圍廣、使用壽命長等卓越優點，能迎合現代社會快速、高效的發展要求，將會越來越受到人們的喜愛。相信不久的將來，這種結構會有完善的理論分析和；實驗研究，在建筑市場上將具有強大的生命力和光明的應用前景。

參考文獻：

[1]劉錫良，一種新型空間結構銀河金屬拱形波紋屋頂，建筑結構學報，96（4）.

[2]趙鳳花、張勇、李宗許，波紋薄殼梁板合一的新結構，建筑工人，97（3）.

[3]朱黎心，銀河金屬拱形波紋屋頂的設計，制作與安裝技術，建筑知識，97（4）.

作者簡介：

宋萌，女，漢族，北京海淀區人，中國礦業大學建筑工程學院06級土木工程專業，工業與民用建筑方向；鄭必杰，漢族，福建福州市人，中國礦業大學建筑工程學院06級土木工程專業，礦山建設與地下工程方向；劉彬，男，漢族，四川自貢市人，中國礦業大學建筑工程學院06級土木工程專業，礦山建設與地下工程方向。