选个“好帽子”｜五种金属屋面系统“Battle”
近年来，因台风、暴雨等引发的机场、体育馆等大型公共建筑屋面工程安全问题，引发广大门窗幕墙从业者的深思……金属屋面作为建筑表皮重要组成部分——共同着眼于建筑顶部空间利用、设计、施工，以及安全应用迫在眉睫！
到底这“顶”建筑的“帽子”应该如何选呢？是让他成建筑之“冠”，还是错配成张“冠”李戴，今天中国幕墙网ALwindoor.com邀请专家为您分析解读！
1、定义及基本特点
金属屋面系统是指采用金属板材作为屋盖材料，结合结构支撑、防水、保温等功能层为一体的屋盖形式。根据《采光顶与金属屋面技术规程(JGJ255-2012)》定义：金属屋面是由金属面板与支撑体系组成，不分担主体结构所受作用且与水平方向夹角小于75°的建筑围护结构。
金属屋面的基本特点可以概括如下：
a、功能性强。
在建筑功能性要求的前提下，能够较好的实现排水、保温隔热、透气、隔音等所有要求。
b、结构轻巧简洁。
现对于混凝土屋面体系，金属屋面系统具有构造层薄、支撑结构轻巧、跨度大，并能够适应复杂的建筑造型。
c、施工灵活、安装周期短。
在施工中，金属屋面系统基本能够达到全装配式安装方法，绝大部分工作都能够在工厂或现场的加工车间完成。现场施工受季节及天气影响较小。相对于传统屋盖，安装效率极高，能够较大的缩短安装周期。
d、经济性较好。
在于传统屋盖对比时，在大跨度及复杂屋面形式上，具有明显的经济性。
2、 金属屋面板分类及其基本构造
目前，工程中通常根据金属屋面板的固定方式，将各种金属屋面进行了区别和分类。现在工程中常用的几种基本做法如下：
2.1 穿钉式金属屋面系统
此种屋面系统在应用较早也相对普遍。本系统屋面板材靠螺钉固定在支撑龙骨上。连接螺钉直接穿透屋面板。为了防止穿透点渗漏，连接螺钉一般配有特制的压紧垫片和防水垫圈，也有用带胶垫的封闭型抽芯铆钉固定面板的做法。基本节点构造图，如图2.1.1：
图2.1.1 穿定式金属屋面的基本节点构造
2.2暗扣式金属屋面系统
此种屋面系统最早出现在澳洲，所以也叫澳式暗扣板。特定的板型配有对应的安装支架。安装时，首先将安装支架固定于支撑龙骨或基材上，屋面板与屋面板、屋面板与支架采用暗扣卡接固定。基本节点构造图，如图2.2.1：
图2.2.1 暗扣式金属屋面的基本节点构造
2.3直立咬合边金属屋面系统
此种屋面系统通常上也称矮立边直立锁边金属屋面系统，本文为了区分，称之为直立咬合边金属屋面系统。其按咬合程度分为单锁边和双锁边两种形式。屋面板采用机械加工成型。安装时，首先将专用扣件固定在支撑龙骨上，相邻屋面板及连接扣件相互咬合，然后通过机械或手工的方式进行锁死、定型、固定。基本构造及节点如图2.3.1、2.3.2：
图2.3.1 直立咬合边金属屋面的基本构造
图2.3.2 直立咬合边金属屋面的基本构造
2.4直立锁边金属屋面系统
此种屋面系统通常被称作高立边直立锁边金属屋面系统，也叫直立锁缝lok板。金属面板通过机械辊压形成双边行成公母扣。安装时，首先将专用铝合金T型码与支撑龙骨连接。然后将屋面板及T型码相互咬合，最后通过机械或手工的方式进行锁紧、定型。
基本节点及构造如图2.4.1,2.4.2：
图2.4.1 直立锁边金属屋面的基本构造
图2.4.2 直立锁边金属屋面的基本节点
2.5平锁扣板金属屋面系统
此种金属板块一般通过机械冲压或手工裁剪成型。安装时首先将专用锁扣件固定在基材上，然后板块的四周通过折边与锁扣件相互咬合成型固定。基本构造节点如图2.5.1：
图2.5.1 平锁扣板金属屋面系统基本节点
3、各种金属屋面系统的对比分析
3.1 主要材料对比分析
各种金属屋面系统主要材料如下表：
通过上述表格结合工程经验：
a、主要金属屋面系统面材均采用金属薄板，受机械加工影响及材料物理性能制约，厚度大多在1.0mm以下，所以在进行面材选择时，材料本身的防腐性能就成为首先的考虑指标。
b、屋面的保温材料除了要求保温性能外，必须考虑材料的防火性能。所以当前屋面的主要保温材料是岩棉、玻璃丝绵，同时一些新材料保温材料也逐渐被应用，比如发泡玻璃等。
c、主要的配件种类和数量区别不大，相对来说，矮立边直立锁边屋面，配件较少。
3.2 板型对比分析
各种金属屋面板主要规格参数如下表：
通过上述表格结合工程经验：
金属屋面面材都是采用卷材原材加工，理论上，面板长度可以无限长。但是收到运输条件、节点构造、安装工艺、气候条件等因素影响，实际工程中最大板长并不一致。无可否认的是，板接缝越多，屋面系统产生渗漏的风险越大。而板型越多，其适应性就越强。
图3.2.1弯弧直立锁边屋面板材
3.3 功能性对比分析
各种金属屋面系统基本功能性对比如下表：
通过上述表格结合工程经验：
a、对于防雨性能：暗扣式、矮立边、高立边金属屋面均具有很好的防雨性能，其系统本身具有接近100%的防雨性。工程中的渗漏多出现在屋脊、山墙、檐口等地方的做法处理不当或屋面板损坏破坏。
b、对于抗风掀性能除了本身系统设计性能外，高立边直立锁边屋面系统受人为因素影响较大。相对于其他几种屋面形式，其咬合定型到位的检查相对困难，特别是在采用人工锁紧的时候。建议采用防风夹等保护机构。
c、暗扣式、矮立边、高立边金属屋面均有良好的热涨冷缩性能，就是说这几种屋面单块板材能够适应跨度更大的屋面。但须注意的是，在连接角片及T码的生产时，应该将其边缘倒角，避免在往复温度变形是，形成剃刀效应，破坏屋面板。
d、对于安装性能来说，几种屋面系统在其功能层一致的情况下，区别不大。其中锁扣式金属屋面系统，需要有内层防水及板块相对较小，安装相对繁琐一些。
3.4、适应性对比分析
适应性主要是表述各种金属屋面系统对于建筑外形、外观、特殊部位及双层屋面的应用性能。下表主要结合上述屋面板的基本性能和屋面系统的基本性能对各种屋面系统的适应性进行对比。
双层金属屋面定义：根据《采光顶与金属屋面技术规程(JGJ255-2012)》定义：在金属屋面外侧附有装饰层的金属屋面系统。
通过上述表格结合工程经验：
以上各种屋面系统的适用侧重点各不相同，其中穿钉式金属屋面系统技术相对落后，美观程度较低，但由于其特有的经济性，仍被广泛使用。直立锁边金属屋面系统、直立咬合边金属屋面系统适应性较强，应用也最为广泛。当然，各种屋面系统的细节也对其适应性有一定影响，比如檐口的做法，直立咬合边金属屋面系统采用的流线型自咬合方式，不需要相关配件，美观性就较其他几种屋面形式要好。
4、各种金属屋面系统的选择的建议
结合上述分析，在选择适用与建筑的金属屋面系统时，不仅要在考虑设计年限、当地气候条件、系统的使用性能，同时也与建筑本身造型及外观效果要求有关。其实在现实工程中，金属屋面系统的外观往往占据主导地位。所以在施工单位在进行屋面方案建议或者方案设计时，首先需要了解建筑师或业主对于建筑外观的具体要求，其后再考虑建筑具体的使用性能。
一般情况下，对外观要求不高的建筑体可以选择穿钉或暗扣式金属屋面，但穿钉式最好用在零时建筑或对防水要求不高的建筑上，以便后期进行维修及更换不会影响正常的使用。而对于外观要求较高，面积或跨度较大、使用年限较长的公共建筑最好选择直立锁边或咬合边金属屋面体系。
典型工程示例如下：
5、结束语
近年来，国务院办公厅发布了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》 ，国内建筑形态必然会出现大幅度的更新。同时伴随着国内市场对于绿色建筑、低能耗建筑的日渐青睐，金属屋面系统以其优越的使用性能、良好安装性能、适应了相关政策与市场的契机，必然在未来的建筑市场上大有作为。
作者：杨涛 张洋 张立坤
扩展阅读：
《采光顶与金属屋面技术规程》JGJ255解析
1. 概述
1.1 标准的编制过程
JGJ255-2012《采光顶与金属屋面技术规程》是2012 年10月1日开始执行的关于采光顶、金属屋面的专业行业规范。该标准2006年开始编制，2010年1月通过住房和城乡建设部的审查。
1.2 标准的适用范围
1.2.1 面板为玻璃、聚碳酸酯板等材料的采光顶
采光顶的主要面板材料为玻璃、聚碳酸酯板等。面板支承方式也多种多样，主要包括框架支承和点支承，其中框架支承包括三边、四边、多边支承，与玻璃幕墙类似，框架支承还可分为明框、半隐框和隐框方式；点支承包括三点、四点、六点等支承方式，通过钢爪或夹板固定玻璃。聚碳酸酯板可采用平板、多层中空板等，其中U 型中空板结构设计合理，防水性能好。采光顶的支承结构也千变万化，通常采用钢结构、铝合金结构或玻璃结构等，钢结构包括：刚性结构（梁、拱、树状支柱、桁架和网架、单层和双层网壳等）、柔性结构（张拉索杆体系、自平衡索杆体系、索网和整体张拉索穹顶等）和混合结构（同时采用刚性结构和柔性结构的支承体系）等。
1.2.2 金属平板屋面和金属压型板屋面
金属屋面是六、七十年代开始使用，近几年才大量应用的屋面系统。从发展阶段上看，由开始的金属平板类建筑幕墙系统发展到专业压型板（连续板材）类系统，在技术方面实现很大的飞跃。采用建筑幕墙构造的金属屋面可以参考幕墙类规范执行，技术方面相对成熟。采用压型板的金属屋面构造设计方面比较成熟，但在计算理论方面尚需进一步研究。通常压型板金属屋面可以分为四类：直立锁边屋面系统、直立卷边屋面系统、转角立边双咬合屋面系统和古典式扣盖屋面系统。
直立锁边点支承屋面系统是该规程的重点，该系统通过专用设备或手工咬合工艺，将直立锁边板和T 形支座咬合并连接到屋面支承结构的金属屋面系统，主要用于大跨度建筑屋面。其特点是：T 形支座通过咬合方式连接，屋面板不设置穿孔，防水性能好；U 型直立锁边板自身形成相互独立的排水槽，使屋面能够有效地进行排水，排水性能高；在面板和支座之间能够实现滑动，有效吸收屋面板因热胀冷缩等产生的温差变形，使得该系统在纵向超长尺寸面板的应用中有明显优势。
1.2.3 屋顶太阳能光伏系统
太阳能光伏系统一种新型的绿色的能源技术。光伏建筑一体化是光伏系统在建筑上应用的重要形式，是国家重点支持的新能源领域。为配合财建[2009]128号“关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见”，为了更好地获得太阳能资源，通常将光伏系统与采光顶和金属屋面结合设计，为确保工程质量，该规程编制组在大量工程实例调查分析基础上，编制了光伏系统应用方面的内容。
1.3 设置三条强制性条文
1.3.1针对保温和隔热材料提出“采光顶与金属屋面工程的隔热、保温材料，应采用不燃性或难燃性材料。”，要求使用岩棉、矿渣棉、玻璃棉以及防火板等，其燃烧性能不应低于B1 级。
1.3.2针对光伏组件，提出“光伏组件应具有带电警告标识及相应的电气安全防护措施，在人员有可能接触或接近光伏系统的位置，应设置防触电警示标识。”。
1.3.3 针对采光顶和金属屋面热工性能，提出“有热工性能要求时，公共建筑金属屋面的传热系数和采光顶的传热系数、遮阳系数应符合表4.5.1-1（内容略）的规定，居住建筑金属屋面的传热系数应符合表4.5.1-2（内容略）的规定”。
2. 采光顶与金属屋面建筑要求及测试要求
2.1 采光顶、金属屋面性能确定与建筑幕墙相近，采光顶与金属屋面的物理性能包括承载力（荷载组合）、水密性能、气密性能、热工性能、空气声隔声性能、光学性能和光伏系统各项性能。该规程对采光顶与金属屋面的性能指标的确定方法作出了具体的规定。但需要注意以下几个方面：
1 抗风压改用“承载力”，其指标确定应符合下面的规定：
1）采光顶、金属屋面的所受荷载与作用应符合该规程第5.3和5.4节的相关规定。
2）在自重作用下，面板支承构件的挠度宜小于其跨距的1/500，玻璃面板挠度不超过长边1/120。
3）采光顶与金属屋面支承构件、面板的挠度应符合表4.2.2（内容略）的规定。
2 采光顶和金属屋面风荷载应按下列规定确定：
1）面板、直接连接面板的屋面支承构件的风荷载标准值应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的有关规定计算确定。
2）跨度大、形状或风荷载环境复杂的采光顶、金属屋面，宜通过风洞试验确定风荷载。
3）风荷载负压标准值不应小于1.0kN/m2，正压标准值不应小于0.5 kN/m2。
3 采光顶和金属屋面的雪荷载、施工检修荷载应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定采用。
4) 雨水荷载可按该规程第4.3.3 条规定的最大雨量扣除排水量后确定。重要建筑宜按排水系统出现障碍时的最不利情况进行设计。
5)采光顶玻璃活荷载应符合现行行业标准《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113的规定，金属屋面应能在300mm×300mm 的区域内承受1.0kN 的活荷载，并不得出现任何缝隙、永久屈曲变形等破坏现象。
6)作用在倾斜面板上的作用，应分解成垂直于面板和平行于面板的分量，并应按分量的方向分别进行作用或作用效应组合。
7)采光顶与金属屋面气密性、水密性、热工性能、空气声隔声性能、光学性能等确定方法与建筑幕墙基本一致。
2.2采光顶与金属屋面的试验方法JGJ255《采光顶与金属屋面技术规程》采用两个附录对采光顶、金属屋面的物理性能检测方法进行了规定。
2.2.1金属屋面“三性”试验在JGJ255《采光顶与金属屋面技术规程》中，采用抗风压性能模拟荷载组合，试验样品按实际安装角度进行试验，其设备应具有以下组成部分：压力箱体、风压提供装置、淋水装置、压力测量装置、空气流量测量装置和位移测量装置，这些设备和装置能够满足面板、檩条安装、位移测量等需要，测试精度达到现行国家标准《建筑幕墙气密、水密、抗风压性能检测方法》GB/T15227 的要求。
2.2.2金属屋面抗风掀试验方法抗风掀性能是金属屋面抵抗由于风荷载产生的向上作用的能力。该规程等效采用美国标准UL580《Tests for Uplift Resistance of Roof Assemblies》。测试设备由两部分组成：上部压力箱和底部压力箱，中间部位安装金属屋面试件，其中上部压力箱采用波动加压，下部箱体为正压腔体。金属屋面性能分级与UL580 基本相同。
3. 关于结构设计的基本规定和构造方面的规定
3.1 结构设计基本规定
1）荷载先进行组合，然后进行应力计算，还是先计算各类荷载的应力，然后进行应力组合，这个问题在现行国家标准GB50009《建筑结构荷载规范》中没有明确，当作用和作用效应为线性关系时，二者的计算结果相同，但考虑材料非线性和几何非线性后，其计算结果将有所不同。该规程采用GB50009 的方法，不出统一的组合公式，由使用者根据工程的实际情况和经验自行决定。
2）承载力计算采用荷载设计值进行组合，挠度计算时采用荷载标准值进行组合。
3）玻璃弯曲强度判据。玻璃采光顶荷载组合中，有长期荷载和可变荷载，通常长期荷载作用下，玻璃强度判据为立面玻璃强度的50%。为确保采光顶玻璃使用的安全性，在JGJ255《采光顶与金属屋面技术规程》中玻璃的强度判据取为立面玻璃强度的50%，不再区分长期荷载或其它荷载。
4）平行于玻璃面板分量的考虑。荷载或作用按屋面或采光顶角度进行分解（第5.4.5 条），垂直与面板的分量产生弯曲作用，进行组合，平行于面板方向的分量将不考虑。
5）在三角形面板承载能力计算中，以不同的边为计算特征长度，会出现三组不同的X，Y 方向的弯曲应力，为此JGJ255《采光顶与金属屋面技术规程》规定以长边为计算特征长度的一组为准，并按相关的规定进行判定。
6）铝合金材料的泊松比问题。在现行行业标准JGJ133《金属与石材幕墙工程技术规范》中铝合金泊松比为0.33，但在国家标准GB50429《铝合金结构技术规范》中铝合金泊松比为0.30。经过多方查证，并参考欧洲规范《BS/EN1999-1-1:2007 Eurocode 9:Design of aluminium structures–Part 1-1:General structural rules》中的规定，最终在JGJ255《采光顶与金属屋面技术规程》中铝合金的泊松比取为0.30。
3.2 构造方面的规定
1）为控制采光顶玻璃向大尺寸发展的趋势，确保采光顶的安全性，该规程规定玻璃面板面积不宜大于2.5m2，长边边长不宜大于2m。
2）关于采光顶与金属屋面的排水坡度，JGJ255《采光顶与金属屋面技术规程》规定：排水坡度应根据工程实际情况确定，采光顶、金属平板屋面和直立锁边金属屋面坡度不应小于3%。这条规定与2011年颁布执行的国家标准GB50693《坡屋面工程技术规范》规定的5%不同。主要原因是该规程所涉及的金属平板屋面和压型板金属屋面具有较强的排水能力，排水坡度3% 能够保证顺利排水。
4. 玻璃及金属面板结构设计
4.1 弹性薄板的设计计算
4.1.1 应力与挠度的计算公式表达形式与建筑幕墙的计算公式保持一致：
4.1.3 关于弯矩系数和挠度系数的说明
任意三角形薄板、点支承矩形板、等腰梯形板的经典数值解法具有局限性，目前仅能就比较规则的板进行求解，不能满足工程设计的需要。采用近似方法依目前的计算手段其精度完全能够满足工程要求。大量有限元计算结果表明：挠度系数、弯矩系数与板的实际尺寸、厚度、荷载集度等没有关系. 因此三角形面板可以通过宽高比ar(0.5～2.0)、顶点偏移比r(0～0.5) 等与形状有关的参数进行建模，通过有限元计算得到精度很高的近似解，完全可以满足一般采光顶工程的需要，并可归纳为统一的计算表格。计算表中所给数值满足要求时可以进行内插和外插，计算精度能够满足工程应用要求。大挠度理论边界条件要求较高，玻璃安装无法形成其要求的薄膜应力场，但近些年的工程实践和幕墙检测经验证明，可以采用适当折减的方法进行修正，避免造成材料的浪费。该规程挠度系数和弯矩系数采用相同的折减数值。
4.2 金属面板的设计
铝合金面板的设计计算采用现行国家标准GB50429《铝合金结构技术规范》的规定进行；钢面板的设计计算按现行国家标准GB50018《冷弯薄壁型钢结构技术规范》规定进行。
5. 结构胶的计算
5.1 副框连接结构胶
隐框玻璃面板与副框间硅酮结构密封胶的粘结宽度应根据玻璃面板的厚度、规格等因素综合考虑，具体方法是：