高層建筑屋面構(gòu)造組合與分析

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[摘要]優(yōu)化屋面構(gòu)造組合(設(shè)計),有利于發(fā)揮屋面整體效應(yīng),并滿足結(jié)構(gòu)承重、防水、保溫、隔熱、節(jié)能及環(huán)保等功能。本文根據(jù)高層建筑的特點,著重說明屋面構(gòu)造組合的原則,并就有關(guān)案例進行對比分析。

[關(guān)鍵詞]  高層建筑;   屋面工程;  屋面構(gòu)造組合;  防水;  保溫 20世紀(jì)80年代,全國屋面滲漏水問題相當(dāng)突出,滲漏比例高達60%左右,隨著《屋面工程技術(shù)規(guī)范》GB50207-94的頒布以及新材料、新技術(shù)、新工藝的推廣應(yīng)用,全國性屋面質(zhì)量通病已得到較好的控制。然而屋面工程不僅是一個防水的問題,還涉及到保溫、隔熱、節(jié)能、環(huán)保等諸多功能,這些無不與屋面構(gòu)造的組合(設(shè)計)有關(guān)。 由于高層建筑設(shè)計耐久年限可達100年以上,且作用在建筑物上的各種荷載以及受自然條件的影響與一般建筑物相比差別很大,技術(shù)與質(zhì)量要求更為嚴(yán)格。尤其是變形荷載(它是不直接以力的形式出現(xiàn)的一種間接荷載),如溫度變化、材料的收縮和徐變、地基不均勻沉降、地面運動等,都需在屋面各構(gòu)造中加以防范與協(xié)調(diào)。因此優(yōu)化屋面構(gòu)造組合,發(fā)揮屋面整體效應(yīng)就顯得十分重要。 早在10多年前,筆者即對屋面構(gòu)造中存在問題及溫度變形的計算方法作過介紹[1,2],但因諸多原因這些問題并未得到很好的解決。多年來筆者發(fā)現(xiàn)在屋面構(gòu)造上常出現(xiàn)這樣或那樣的問題(這與設(shè)計人員接觸工程實際較少有關(guān)),而在事后分析質(zhì)量問題時又多注重材料及施工方面的缺陷,因此一般常見的設(shè)計問題屢被忽視而重復(fù)發(fā)生。為此我們愿意將這方面研究心得整理出來,供大家參考。 1　屋面構(gòu)造組合原則 1•1　要體現(xiàn)屋面的整體效應(yīng) 屋面構(gòu)造層次一般分為結(jié)構(gòu)層、找坡層、找平層、保溫層、隔汽層、防水層、隔離層、保護層、隔熱層、飾面層等,并根據(jù)各地氣候條件及使用要求有所取舍。各構(gòu)造層都有自己的作用和功能,按照系統(tǒng)工程觀點,彼此之間相互依存又相互制約。在確保防水功能的前提下,還應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)承重、保溫、隔熱、節(jié)能、環(huán)保等多種功能的需要,即屋面的整體效應(yīng)。這在高層建筑的商品公寓中尤顯突出。例如,在過去曾普遍使用過的整體澆筑的水泥膨脹蛭石、水泥膨脹珍珠巖類保溫材料,雖然材料本身的導(dǎo)熱系數(shù)較小,但因施工中窩有大量多余水分,長期無法蒸發(fā),因此不僅達不到計算的保溫效果,且比不設(shè)保溫層的屋面還要耗用更多能源。更有甚者,在夏天高溫時,因溫差引起的巨大蒸汽壓力,又會導(dǎo)致防水層起鼓、開裂和滲漏水?，F(xiàn)今新型保溫材料如擠塑聚苯乙烯板、發(fā)泡聚氨酯等,在眾多工程中得到應(yīng)用,此問題就不復(fù)存在,但這一歷史教訓(xùn)必須記取。值得注意的是,為發(fā)揮屋面的整體效應(yīng),必須使結(jié)構(gòu)層(含找平層)之“剛”與防水層之“柔”兩者之間得到完滿的統(tǒng)一。具體地說,首先是高層建筑的屋面結(jié)構(gòu)層(實際上一般建筑也應(yīng)如此)必須有足夠的強度、剛度和抗裂性,并應(yīng)在結(jié)構(gòu)層的表面配置相應(yīng)的溫度筋,如有條件在混凝土施工中還可通過摻入外加劑等方法,提高混凝土的密實性和防水性(但不能視為一道防水設(shè)防)。與此同時,在混凝土施工中還應(yīng)加強振搗、抹壓和養(yǎng)護以及適當(dāng)延遲拆模時間等,確保結(jié)構(gòu)層混凝土不出現(xiàn)大于0•2mm的貫穿性裂縫,對坐落于軟土地基上的高層建筑尤需采取可靠的技術(shù)措施;其次是防水層的設(shè)置應(yīng)根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求,采用多道防水設(shè)防,此時應(yīng)優(yōu)先使用卷材與涂膜相結(jié)合的柔性方案或使用多層新型防水卷材,而不宜選擇對溫度變形和裂縫比較敏感的細石混凝土等剛性防水材料。 1•2　各構(gòu)造層次要相互匹配 屋面各構(gòu)造層之間相互匹配有2層含意:①各構(gòu)造層不僅要保證自己的功能,且不應(yīng)危及相鄰構(gòu)造層的質(zhì)量;②在考慮到溫度變化時,由于各種材料的線膨脹系數(shù)不同,各構(gòu)造層就會產(chǎn)生不同的變形值,加之施工時材料的收縮和徐變等影響,會在各構(gòu)造層之間出現(xiàn)約束應(yīng)力,如不加以有效防范或減少約束影響,就會產(chǎn)生不同程度的質(zhì)量問題。為此需要解決在屋面工程中實際存在的“濕脹干縮”和“熱脹冷縮”2種自然現(xiàn)象。“濕脹干縮”主要是由屋面找坡層、保溫層以及找平層的濕作業(yè)引發(fā)的,它隨齡期的增長而逐步減少。由于水泥類材料初期收縮很大,因此在下道工序施工時必須有一定的技術(shù)間歇時間。例如常見的水泥砂漿找平層,在夏天施工時2~3d即具備相當(dāng)?shù)膹姸?但收縮值大,如立即鋪貼卷材(即便是延伸性較好的合成高分子防水卷材)會因基層開裂破壞卷材防水層而引起滲漏,且卷材與基層開裂的位置相對呼應(yīng)。 “熱脹冷縮”則是由屋面環(huán)境溫度的變化而引起的,屬周期性發(fā)生,其作用是長期的。因此對于水泥砂漿找平層,必須按一定間距(如4~6m)留設(shè)分格縫;如在卷材防水層上作水泥砂漿保護層及鋪貼飾面磚時,則應(yīng)在兩者之間鋪設(shè)隔離層,即使鋪設(shè)很薄的聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)材料都會起到很好的隔離作用。值得指出,屋面找坡層目前多數(shù)采用工業(yè)廢渣與水泥拌合而成。如屋面坡度為1%~2%,按通常12m流水長度計算,找坡層最高處厚度可達150~270mm(最薄處厚度設(shè)定為30mm)。如在施工過程中遇到雨水,后果不堪設(shè)想。雖然可以采取排汽措施,但是1~2年甚至更長時間內(nèi),其中多余水分無法通過汽化而逸出。找坡層中多余水分如同水泥膨脹蛭石、水泥膨脹珍珠巖保溫層一樣,在夏天會穿透找平層使防水層起鼓;在冬天結(jié)冰時,如屋面四周嵌固稍差,因體積膨脹引起的破壞更為嚴(yán)重,過去磚砌女兒墻的推裂就是最好的例證。令人不安的是,現(xiàn)在還沒有更好的替代找坡材料,這是值得注意的。對于平屋面,其排水坡度最好由結(jié)構(gòu)找坡的辦法解決,以便使保溫層或找平層的厚度取得一致,尤其是高層建筑的設(shè)備層屋面,更應(yīng)采用結(jié)構(gòu)找坡。 1•3　合理的工程造價才能有合理的使用年限 評價屋面防水設(shè)計是否合理,主要看其防水層能否達到相應(yīng)的使用價值。早在1985年有關(guān)專家針對當(dāng)時屋面防水工程中采用“二氈三油”瀝青防水卷材中的實際情況,按照技術(shù)經(jīng)濟學(xué)原理分析指出:“我國目前屋面防水工程中存在著功能與成本的比值不合理的現(xiàn)狀,即功能系數(shù)較高,而工程成本費用偏低(僅占總造價的2%~3%),這樣就造成屋面的耐用年限與建筑物的壽命不相適應(yīng),以及由此帶來的設(shè)計構(gòu)造簡陋,施工質(zhì)量粗糙,屋面滲漏水嚴(yán)重,返工維修費用增高等弊病,并長期難以根治”[3]?，F(xiàn)今由于大量采用新型防水材料,并按《屋面工程技術(shù)規(guī)范》進行設(shè)防,因此上述弊病已有較大改變,但其中有一點即在實際中防水工程發(fā)包價格偏低的情況還較普遍。 殊不知,只有科學(xué)的屋面構(gòu)造組合、合理的工程造價,才能確保工程質(zhì)量,減少維修費用,并達到合理的使用年限。這里必須指出,雖然通過不同防水材料的組合與多道設(shè)防,可以延長防水層的耐用年限,但因缺乏必要的科學(xué)試驗,加之在規(guī)范中對新型防水材料的選用僅以“道”來表示,而對品種及規(guī)格不作任何界定,忽視了防水材料的等效性,使設(shè)計工作無所適從,且給不規(guī)范的防水市場留下很大的后遺癥。與此同時,即使選用相同品牌與規(guī)格的防水材料,但在構(gòu)造組合上也有不少值得推敲的地方。如果不掌握這方面的專業(yè)知識和相當(dāng)實踐經(jīng)驗,有時設(shè)計出的屋面構(gòu)造組合,仍達不到預(yù)想的結(jié)果。 1•4　應(yīng)符合可持續(xù)發(fā)展的需要 就屋面工程而言,“可持續(xù)發(fā)展”主要是堅決不用淘汰或落后的不符合環(huán)保要求的材料,改革不科學(xué)的施工陋習(xí),減少屋面濕作業(yè),盡可能延長屋面防水的耐用年限。同時在屋面構(gòu)造組合時,應(yīng)考慮屋面維修或重建的方便,減少建筑垃圾對環(huán)境的污染。 2　方案比較 北方某海濱城市有1幢100m高的雙子座高級公寓建筑,按《屋面工程技術(shù)規(guī)范》要求屬于Ⅱ級防水,其防水層耐用年限為15年,采用2道防水設(shè)防,其中應(yīng)有1道卷材。該高層塔樓屋面設(shè)計分為保溫上人屋面及保溫不上人屋面2種?，F(xiàn)以保溫上人屋面為例,將原設(shè)計與修改設(shè)計方案進行比較,并提出了今后的建議方案。 3　幾點看法 3•1　隔汽層如何設(shè)置隔汽層一般應(yīng)設(shè)置在屋面結(jié)構(gòu)層之上、保溫層之下,可采用卷材或涂料按1道防水作法設(shè)計。其功能有:①阻止室內(nèi)水汽從鋼筋混凝土屋面結(jié)構(gòu)層的裂縫或縫隙中進入保溫層內(nèi),以免降低屋面熱工性能;②防止保溫層中的積水滲入室內(nèi),這在過去工程中并不鮮見,如北京毛主席紀(jì)念堂屋頂。但據(jù)《屋面工程技術(shù)規(guī)范》第4•3•3條的規(guī)定:“在緯度40°以北地區(qū)且室內(nèi)空氣濕度大于75%,或其他地區(qū)室內(nèi)空氣濕度常年大于80%時,保溫屋面應(yīng)設(shè)置隔汽層”。按此要求,高層建筑需做隔汽層的保溫屋面就很少。 實際情況是很復(fù)雜的,例如整澆鋼筋混凝土屋面結(jié)構(gòu)層,在施工時難免有一些質(zhì)量缺陷,也會發(fā)生0•1~0•2mm的常見施工裂縫,但恰恰這些細小裂縫,不僅室內(nèi)水汽可以透過混凝土進入保溫層內(nèi),而保溫層中多余水分又會向室內(nèi)滲入,這已成為不爭的事實。因此在一般情況下,高層建筑的保溫屋面仍宜設(shè)置隔汽層,但不應(yīng)視為1道防水設(shè)防。在本文案例中,原設(shè)計的聚氨酯涂膜隔汽層置于結(jié)構(gòu)及找平層上、白灰爐渣找坡層之下,在理論上是說得通的。這樣雖然可以防止找坡層施工時多余水分不致向室內(nèi)滲漏,但保溫板長期置于潮濕的找坡層上,勢必影響其保溫性能。鑒于此,在修改設(shè)計中,將找平及隔汽層移至找坡層之上是比較合理的,這樣不僅滿足了屋面的保溫功能,而且還有利于保溫板鋪設(shè)在堅固、平整的水泥砂漿找平層上。至于找坡層中多余水分如何排除,一方面可在施工中盡量減少水分;另一方面可在找坡中留設(shè)縱橫排汽孔道,并將排汽孔置于檐口向室外排出。 3•2　保溫板鋪貼工藝在屋面工程設(shè)計中,僅標(biāo)出保溫板的種類和厚度是不夠的,還應(yīng)指明它的鋪貼工藝。例如擠塑聚苯乙烯保溫板在外墻與屋面上,因受力情況各異應(yīng)有不同的鋪貼工藝,照搬外墻鋪貼方法顯然不符合實際情況。根據(jù)我們多次摸索,在屋面施工時,擠塑聚苯乙烯保溫板在水泥砂漿基面上施工,宜采用點粘或條粘法,粘結(jié)面積不少于30%。此外為了保證保溫層鋪貼后的整體性,防止上部水泥砂漿找平層施工后出現(xiàn)開裂,需在保溫板的拼縫處鋪設(shè)200mm寬的耐堿玻纖網(wǎng)格布,隨后以專用聚合物砂漿粘結(jié)固定。與此同時,為使防水的基層達到堅固、平整的要求,考慮到此類聚苯板較薄,且強度較低(一般為0•1MPa),在保溫板鋪完后,宜在上部覆蓋至少20mm厚的水泥砂漿找平層,不得省略。另外在找平層施工時,應(yīng)先在保溫板上涂刷1道丙烯酸類專用界面劑,等干燥后即可鋪抹水泥砂漿,以利兩者結(jié)合。 3•3　如何選用防水材料選用防水材料主要考慮它的防水性和抗裂性。筆者在1994年曾對瀝青防水卷材、高聚物改性瀝青防水卷材、合成高分子防水卷材以及多種防水涂料進行抗沖擊和不透水性試驗,結(jié)果表明3•5mm厚的高聚物改性瀝青卷材在所有取樣中,其抗沖擊與不透水性不僅優(yōu)于各類涂膜防水層,也比1•2mm厚的合成高分子防水卷材類好。這說明在防水性能上,其厚度起決定作用,特別是通過長期考驗熱法施工的瀝青防水卷材屋面,其防水性是毋庸置疑的。至于防水材料的抗裂性,根據(jù)基層開裂零延伸和滿粘法施工時卷材在初始開裂時有一定剝離長度的理論,給出了多種防水材料最大承受的裂縫寬度。 在各類防水卷材中,APP及SBS改性瀝青卷材,雖然延伸率遠小于合成高分子防水卷材,但因材料厚度的關(guān)系,其最大承受裂縫寬可達6•9mm,說明這類卷材屋面抗裂性較好。通過以上分析,高層建筑的屋面防水層一般應(yīng)選擇卷材作為主要防水材料,且應(yīng)優(yōu)先采用防水性與抗裂性較好的高聚物改性瀝青防水卷材。當(dāng)然有一點應(yīng)該強調(diào),高層建筑的上人屋面,由于有飾面磚等材料壓在卷材防水層上,因此可不考慮大風(fēng)作用在屋面上產(chǎn)生的負(fù)壓力,所以在多數(shù)情況下卷材不必采用滿粘法施工。但對立面(女兒墻)以及距泛水邊800mm處、水落口周圍等部位,卷材應(yīng)采用滿粘,而且粘結(jié)得越牢越好,確保屋面防水的可靠性。另需說明,在本文案例的修改設(shè)計中,采用SBS改性瀝青卷材與涂料相結(jié)合的2道防水作法,不僅保證了防水的可靠性,而且有較長的耐用年限。較好的設(shè)計方案必須通過科學(xué)的施工工藝,才能達到優(yōu)良的工程質(zhì)量。為此在涂膜防水層中,應(yīng)采用“二布多涂”的鋪貼工藝(即底涂→網(wǎng)格布→中涂→網(wǎng)格布→面涂,涂料涂刷次數(shù)視其成膜厚度而定)。在涂膜防水層中增鋪耐堿玻纖網(wǎng)格布,其主要原因是防止基層砂漿開裂而影響涂膜防水的質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上,卷材防水層采用空鋪法施工就無后顧之憂了。空鋪法鋪貼卷材,有利于抵抗屋面溫度變形和防止地基不均勻沉降。 4　體會目前防水、保溫材料品種繁多,性能與適用范圍各異,發(fā)展與更新速度較快,且在多年建設(shè)中對不同屋面構(gòu)造組合的優(yōu)劣缺乏系統(tǒng)調(diào)查與分析,這些都給廣大設(shè)計人員帶來諸多不便,因此屋面工程的設(shè)計質(zhì)量一直是大家議論的焦點。如稍有不慎,將給工程質(zhì)量帶來隱患,并造成不必要的經(jīng)濟損失。筆者認(rèn)為,只有通過實證(包括工程實踐與試驗結(jié)果)和理論分析,才能使設(shè)計方案具有科學(xué)性和可操作性。除需具備較高業(yè)務(wù)素質(zhì)外,還應(yīng)有開拓性精神和開放性的思維,以及從工程實踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗而獲得的判斷能力,因此僅靠設(shè)計人員是難以勝任的。為此再次呼吁,重大建設(shè)的防水設(shè)計項目應(yīng)組織設(shè)計、施工、材料、科研等各方面、多學(xué)科的有關(guān)專家進行科學(xué)論證,這在全國性建設(shè)規(guī)模持續(xù)高漲的今天更有重要的現(xiàn)實意義。 參考文獻: [1]　葉琳昌.《屋面工程技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行中的幾個問題.建筑防水工程滲漏實例分析[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000.150-159. 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