淺談廠房屋頂采光的優化技術

上海電力建筑工程公司 上海 200437

1 工程概況

上海崇明燃氣電廠地處崇明島中部南側的長江岸側，工程建設2 臺424.2 MW燃氣-蒸汽單軸聯合循環機組。每臺機組主廠房縱向長53.3 m，橫向總寬度為51 m，高度21.5 m。主廠房外墻圍護結構采用來實檁條彩板系統，其中汽機房屋面為雙層帶保溫棉壓型彩板，底層彩板為厚0.40 mm的來實TD—MAXIMA板，上層彩板為厚0.53 mm的來實KL700暗扣板，內外層彩板之間填充厚50 mm玻璃纖維保溫棉；屋面走道板為厚0.53 mm的來實KL700暗扣板（反扣鋪設）。汽機房屋面上設置了7 條雙層厚1.5 mm的700 mm×28 615 mm FRP（玻璃纖維強化樹脂）采光板帶。具體布置如圖1所示。

圖1 主廠房屋頂采光帶布置示意

主廠房從功能布置上分為電氣開關及熱控電子設備區域、輔助設備區域、主機設備區域及檢修場地區域，每個區域布置有大量的設備。據上海地區同類型工程建設情況，通過門窗進入室內的天然光線不能滿足施工安裝階段室內采光的要求，還需配備許多臨時照明，同時采用側窗采光也對主廠房斷水施工進度質量帶來難度，而采用屋頂采光的方式則能合理地解決這些難題。

2 屋頂采光的特點[1,2]

根據《火力發電廠建筑設計規程》（DL/T 5094—2012）關于“采光”部分的條文說明“采光方式以側窗為主，必要時可采用側窗采光和頂部采光相結合的方式。側窗設計除考慮建筑節能和便于清潔外，臺風多發地區還應兼顧其安全性”“主廠房固定端、擴建端墻上宜設置一定面積的采光窗，以滿足端部檢修場地的采光要求”。按此要求，通常火電廠在擴建端及A排上設置一定數量的采光排窗來滿足廠房內的采光要求。而采用排窗后必然增加主廠房圍護結構施工工序，對確保主廠房斷水進度增加難度；同時采用排窗也產生了窗洞口密封處理的難度，可能造成排窗漏水隱患，對移交生產前的保管維護提出了較高的要求；再有，主廠房斷水后的室內施工無法利用天然采光，往往要依賴許多臨時施工照明，增加了施工成本。

而采用主廠房屋頂采光板帶，既去除了側面排窗的施工工序，杜絕了窗洞口漏水的質量通病，又減少了施工成本投入，更是提高了主廠房天然采光率，達到盡量減少室內照明光源的目的，也使能耗符合節能減排新的發展趨勢，同時還為主廠房立面處理提供了有利條件，使主廠房立面簡潔大方、色彩明快，充分反映現代化工業建筑的風格，成為全廠建筑的主體。

3 屋頂采光的設計與安裝[3,4]

3.1 采光板材料

作為主廠房屋面，一方面除了要承受自身的荷載外，另一方面還要承受風荷載、檢修荷載等偶然性活荷載。本工程每臺機組屋面上設置有12 臺軸流風機，7 臺排氫風機等，今后這些設備都將在屋面上進行就地檢修，這對屋面系統的強度提出了一定的要求。

本工程主廠房屋頂采光板帶采用ALSYNITE G20型FRP采光板，采光板由厚20 μm表面保護上膜、特殊優化樹脂中層及強化玻璃纖維下層組成，其保護上膜作為全天候表面，是由杜邦公司開發的Melinex A15改進型U.V表面保護涂層，具有長期耐風雨侵蝕的特性，具有20 年質量保證年限。根據實驗表明：FRP采光板抗彎強度為177 MPa，抗剪強度為90 MPa，耐壓強度為135 MPa，沖擊韌性約為140 kJ/m2，撞擊強度是普通玻璃的250～300 倍，是同等厚度亞克力板的30 倍，鋼化玻璃的2～20 倍，用3 kg錘從2 m高處墜下擊打也無裂痕。其抗拉強度為94 MPa，采光板抗拉強度的大小決定采光板抗風壓的大小，本工程主廠房屋面檁條間距在855～1 215 mm之間，以厚1.5 mm的G20FRP采光板計算，其抗風壓強度可以達到1 kPa。

3.2 采光板帶節點設計

由于主廠房圍護及屋頂均采用彩鋼板結構，需要進行彩鋼板的深化設計，將FRP采光板引入主廠房屋面系統，面臨采光板帶與屋面彩板的搭接以及與屋面鋼結構的連接問題。

在屋面彩板深化設計時，通過對比選用的FRP板與屋面彩鋼板板型基本一致，這樣采光板帶可采用與彩鋼板相同的安裝方法，采光板與彩鋼板搭接一個波峰采用自攻螺釘固定，安裝便捷，施工人員易于掌握（圖2）。

圖2 壓型采鋼板及采光板的搭接節點示意

3.3 采光板帶的安裝

本工程的采光板采用螺釘安裝法，采光板兩側的波峰搭接在兩邊彩鋼板的波峰上，采光板順坡自下而上搭接安裝，搭接位于檁條處，屋面搭接長度一般不小于300 mm。采光板的固定螺釘比同類型彩鋼板的固定螺釘長10 mm，并帶有專用的EPDM墊圈。彩鋼板的長邊及短邊方向在搭接前應設置止水膠條（圖3）。

室外安裝時，螺釘固定前應另用電鉆預鉆孔，孔徑大于固定螺釘，以容許采光板溫度脹縮的預留量。當板長小于8 m時，板孔直徑比螺釘直徑大3 mm；當板長大于8 m時，板孔直徑比螺釘直徑大5 mm。

圖3 采光板固定示意

4 其他因素分析

目前國內火電廠主廠房作為重要建筑物通常不采用屋頂采光帶的方式，主要是從采光板材料的變形、老化滲漏及實用性因素考慮，在本工程中對這些影響因素進行了進一步分析。

4.1 采光板龜裂、滲水

在常規采光板的應用中經常發現在螺釘固定處的采光板發生龜裂情況從而造成滲水，主要原因是采光板受溫度變形影響造成螺釘固定處剪裂。進一步分析FPR采光板在拉伸強度、彎曲強度、抗剪強度均遠低于鋼材，而線膨脹系數是鋼材的2 倍，從而導致FPR采光板的固定方面有著特殊要求。另外采光板固定均為透式固定，存在著固定螺釘處的防水處理問題，還要保證固定點處的螺釘與采光板有足夠的空間，以保證采光板在溫度變化下自由膨脹。

首先安裝時必須規范安裝程序，遵循預先打孔的方式，使采光板螺釘固定處留有膨脹余量，保證采光板熱脹冷縮時不被固定螺釘頂裂；其次采用專用的EPDM墊圈，該墊圈具有優異的防水性能，并使之安全有效地固定采光板，同時應注意打設螺釘時不可過緊以免引發應力集中。

4.2 采光板的老化

作為屋面的采光板，因其要全天候暴露在不同的天氣環境中，要適應每天、每季及非正常天氣等氣候環境條件的變化，復合材料采光板必須具有較好的抗老化能力，否則影響其使用壽命，并帶來安全、維護費用等問題。

本工程所采用的FRP采光板所使用的樹脂成分為間苯二甲酸聚脂，其在原材料出廠前具有0.15%～0.18%的UV含量，在生產采光板的過程中，在樹脂中又添加了0.2%的UV含量，使其樹脂原料中的UV含量達到0.35%～0.38%，乳白色G20優質型采光板的抗紫外線率為100%，可大大加強樹脂的抗老化及抗風化性能。

4.3 采光板的腐蝕

工業發展的副作用之一是給環境帶來了不同程度的污染，本工程處于生態島上，受工業污染的程度盡管相對工業集中區域小，但工程南側石洞口電廠的煙氣排放污染物成為對本工程主要的污染源之一，采光板要全天候接受煙氣等污染物的侵蝕。

FRP為熱固性材料，天然較金屬材料具有優異的耐腐蝕性，加上表面覆蓋一層抗化學性的薄膜與高品質的樹脂，薄膜與高品質的樹脂成中性（pH=7）、抗靜電，可以防止空氣、酸雨中的酸堿成分腐蝕采光板使之脆化，通過試驗，10%的鹽酸或者10%的氨水對其僅有輕微的影響，40%的鹽酸才能對其侵蝕。

4.4 采光持久性

本工程選用的FRP采光板，其20 μ m左右的上膜可保證采光板中的樹脂成分不受陽光的照射而發黃，保證了15 年的持久采光率，并且通過了澳大利亞NATA室內實驗室測試，其30年使用年限內透光率損失僅為5%。

4.5 采光充足性

G20型乳白色FRP采光板透光率約為60%，約為普通玻璃透光率的75%。在主廠房屋面上設置7 條700 mm×28 650 mm采光帶，使主廠房（單臺機組）采光面積達140 m2，約為同類型電廠采光面積的3 倍，采光率約為同類型電廠的2.2 倍。

5 結語

主廠房采用的屋頂采光方式對施工進度及施工質量控制有利，崇明工程在2 個月的時間內完成結構施工，實現主廠房斷水的目標，彩板圍護的施工進度是重點，而采用屋頂采光方式后，為施工提供便利，縮短了施工工序，為彩板圍護施工節約了寶貴時間。

從施工成本上分析，采用屋頂采光大大減小了施工臨時照明的投入，也避免了采用側窗采光的維護風險。

從節能方面分析，主廠房內晝間基本無需燈光照明。目前每臺機組主廠房照明總功率為9 375 W，每小時用電量為9.375 kW·h，2 臺機組每天（白天若按8 h開啟一半照明計）節約電能9.375×2×8/2=75 kW·h。

從業主投資角度分析，業主節約了側窗采光的投入及日常側窗維護的費用，并節約了日后的照明電費。