輕自重鋼架組合板式種植花園屋面施工技術(shù)研究

孫豐巖 陳 斌 國 超 郁 勇 時(shí)景彬 中建八局第四建設(shè)有限公司

1 前言

隨著我國城鎮(zhèn)化水平的不斷提高和城市規(guī)劃的不斷完善，建筑物的外立面和整體造型越來越受到人們的重視，如何通過建筑外立面和整體造型更好地體現(xiàn)設(shè)計(jì)師所表達(dá)的理念日益突出。其中，種植屋面作為近年來流行的屋面設(shè)計(jì)形式，既可以有效地表達(dá)人與自然和諧相處的設(shè)計(jì)理念，同時(shí)可顯著地提升建筑的整體造型。但目前常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)種植屋面滿足程度較低，即屋面板的截面尺寸和板內(nèi)配筋極有可能不滿足種植屋面局部堆載以及對(duì)防滲防水較高的要求，導(dǎo)致先進(jìn)的綠色設(shè)計(jì)理念無法落地，降低整個(gè)建筑的整體造型。

本文針對(duì)以上問題，在傳統(tǒng)種植屋面的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性的引入了鋼架、組合板施工技術(shù)，即在屋面上先施工整體鋼架，隨后在鋼架局部施工組合板，再進(jìn)行敷土施工或其他成品花架施工。有效地解決了傳統(tǒng)屋面由于承載有限無法進(jìn)行復(fù)雜造型種植屋面的技術(shù)難題，為種植屋面設(shè)計(jì)提供有效的技術(shù)支持。

2 現(xiàn)有技術(shù)分析

為解決傳統(tǒng)屋面荷載無法滿足復(fù)雜造型種植花園屋面的技術(shù)問題，經(jīng)研究，匯總整理相關(guān)技術(shù)方案，分析其優(yōu)劣，匯總整理如表1所示。

表1 不同工藝種植屋面工藝優(yōu)缺點(diǎn)

現(xiàn)有施工技術(shù)中，存在以下問題：（1）傳統(tǒng)屋面板截面尺寸較小，無法承載大面積復(fù)雜造型的種植屋面荷載；（2）傳統(tǒng)屋面配筋較小，抗拉能力有限，對(duì)種植土局部較大荷載難以承擔(dān)，有可能造成結(jié)構(gòu)板開裂；（3）復(fù)雜造型的種植花園屋面具有多個(gè)標(biāo)高，傳統(tǒng)種植土無法塑造多個(gè)標(biāo)高；（4）多標(biāo)高導(dǎo)致種植土存在多個(gè)坡度，傳統(tǒng)土體回填施工技術(shù)無法長期保證土的坡度。

3 工藝概況

3.1 工藝創(chuàng)新點(diǎn)

針對(duì)現(xiàn)有屋面施工工藝的局限，急需研發(fā)出一種自身荷載較輕、可滿足復(fù)雜造型、施工效率較高的施工工藝，基于以上情況，研發(fā)出整體鋼架+組合板種植花園屋面工藝，有效解決了傳統(tǒng)屋面板無法承受較大荷載且需進(jìn)行大量造型種植屋面的施工技術(shù)，詳細(xì)如下。

（1）研發(fā)整體式鋼架施工技術(shù)，替代大部分土體，可大幅消除原種植屋面整體荷載；（2）研發(fā)組合板施工技術(shù)，即鋼板+混凝土施工技術(shù)，可進(jìn)行種植屋面內(nèi)人行道鋪筑施工；（3）改進(jìn)鋼架與屋面節(jié)點(diǎn)固定技術(shù)，確保局部抗?jié)B效果，消除滲漏隱患；（4）研發(fā)種植土分隔擋土技術(shù)，采用擋土板將土體固定于每個(gè)分格中，可實(shí)現(xiàn)不同坡度的種植土造型；（5）引入BIM建模標(biāo)高控制技術(shù)，對(duì)局部種植土標(biāo)高進(jìn)行精確建模控制。

3.2 工藝創(chuàng)新點(diǎn)

（1）引入整體式鋼架施工技術(shù)，替代大部分土體，可大幅消除原種植屋面整體荷載；（2）引入組合板施工技術(shù)，即鋼板+混凝土施工技術(shù)，可進(jìn)行種植屋面內(nèi)人行道鋪筑施工；（3）改進(jìn)鋼架與屋面節(jié)點(diǎn)固定技術(shù)，確保局部抗?jié)B效果，消除滲漏隱患。

3.3 受力驗(yàn)算

受力驗(yàn)算采用對(duì)比法，分析純土壤回填時(shí)對(duì)屋面產(chǎn)生的面荷載，再分析采用鋼架屋面后形成架空層后的集中荷載，并與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)樓板的最大可承受荷載進(jìn)行對(duì)比分析，確定驗(yàn)算是否通過。

（1）當(dāng)采用純土壤回填種植屋面時(shí)，根據(jù)種植土性質(zhì)，結(jié)合土體密度，確定種植土比重為：G=1500kg/m3，將質(zhì)量轉(zhuǎn)換為重力，即：F=9.8G=9.8×1500=14.7kN/m3，確定土壤容重為：γ=14.7kN/m3，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)際情況，傳統(tǒng)種植屋面厚度2m~3m，取中為2.5m，即：h=2.5m，結(jié)合上式，確定面荷載為：F面=γ·h=14.7×2.5=36.75kN/m2，即采用純土壤回填施作種植屋面時(shí)，結(jié)構(gòu)屋面板每平方米需承受36.75kN/m2。

（2）當(dāng)采用鋼架種植屋面時(shí)，根據(jù)種植土性質(zhì)，結(jié)合土體密度，確定種植土比重為：G=1500kg/m3，將質(zhì)量轉(zhuǎn)換為重力，即：F=9.8G=9.8×1500=14.7kN/m3，確定土壤容重為：γ=14.7kN/m3，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)際情況，鋼架種植屋面厚度0.2m~0.5m，取中為0.3m，即：h=0.3m，結(jié)合上式，確定面荷載為：F面=γ·h=14.7×0.3=4.41kN/m2，單位面積鋼架種植屋面面荷載作用長度l1=1m，因此鋼架屋面種植土線荷載為：F線=γ·h·l1=14.7×0.3×1=4.41kN/m，單位面積鋼架種植屋面線荷載作用長度l2=0.5m，因此鋼架屋面種植土集中荷載為：F集中=γ·h·l1·l2=14.7×0.3×1×0.5=2.20kN。

（3）綜合分析：當(dāng)采用純種植土施作種植屋面時(shí)，面荷載可達(dá)36.75kN/m2，嚴(yán)重超出結(jié)構(gòu)屋面板可承受荷載范圍；當(dāng)采用鋼架種植屋面時(shí)，通過等體積鋼架替代等體積土壤，減少自重，同時(shí)將面荷載轉(zhuǎn)換為集中荷載，僅為2.205kN，結(jié)構(gòu)樓板可承受。受力驗(yàn)算通過。

3.4 適用范圍

傳統(tǒng)種植屋面需結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮大量的土體荷載，影響結(jié)構(gòu)梁、柱和板的配筋，不可避免的影響整體造價(jià)。如不專門考慮種植屋面對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響，在進(jìn)行屋面設(shè)計(jì)時(shí)往往因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)負(fù)載能力不足問題導(dǎo)致優(yōu)秀的種植屋面設(shè)計(jì)方案無法實(shí)現(xiàn)。針對(duì)以上情況進(jìn)行本文研究，因此本技術(shù)適用于原結(jié)構(gòu)屋面設(shè)計(jì)承載較低，無法進(jìn)行大面積種植屋面施工的建構(gòu)筑物。

4 工藝原理

工藝采用鋼架+組合板形式，首先根據(jù)屋面結(jié)構(gòu)形式以及種植屋面造型，利用角鋼、H型鋼焊接型材鋼桁架，在人行道部位采用壓型鋼板組合板施工，覆土區(qū)域焊接整塊不銹鋼板，在不銹鋼板上覆土或安放成品花盆；如采用覆土?xí)r，還應(yīng)根據(jù)土體標(biāo)高采用角鋼制作安裝擋土板。最后，在鋼桁架與結(jié)構(gòu)板固定處采用加厚保護(hù)層厚度、噴涂聚脲防水涂料形成卷材保護(hù)做法。整體結(jié)構(gòu)如圖2~圖5所示。

圖2 輕自重鋼架組合板式種植花園屋面（平直段）詳圖

圖3 輕自重鋼架組合板式種植花園屋面（平直段）效果圖1

圖4 輕自重鋼架組合板式種植花園屋面（帶坡度段）詳圖1

圖5 輕自重鋼架組合板式種植花園屋面（帶坡度段）效果圖1

本工藝主要研發(fā)或改進(jìn)以下新技術(shù)。

4.1 整體式鋼架施工技術(shù)

針對(duì)土體比重很大的因素（每立方米種植物重量為1.1t~1.9t，平均1.5t），常規(guī)普通樓板板厚較?。?00mm~150mm），局部可承受荷載很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到可承擔(dān)較大土體荷載的要求。采用整體式鋼桁架，填充原土體所在范圍，顯著減少了每立方米單位荷載（鋼桁架每立方米重量為0.4t~0.6t）。同時(shí)鋼桁架頂部可焊接不銹鋼板，滿足不同標(biāo)高、坡度要求，可進(jìn)行復(fù)雜標(biāo)高的種植屋面造型。

4.2 壓型鋼板組合板施工技術(shù)

由于種植屋面中常常還有人行道，針對(duì)人行道需研究一種專門的結(jié)構(gòu)，以滿足人行道剛度、強(qiáng)度、平整度要求很高的特點(diǎn)。如直接采用鋼桁架，局部平整度可能無法滿足要求，需采用一定的混凝土結(jié)構(gòu)。但如果全部采用混凝土結(jié)構(gòu)，局部荷載很大，對(duì)鋼筋混凝土屋面板的承載能力提出較大挑戰(zhàn)。針對(duì)以上情況，創(chuàng)造性的引入壓型鋼板+混凝土組合板施工技術(shù)，即底部采用壓型鋼板，頂部進(jìn)行混凝土澆筑，整體50mm~60mm，如圖6所示。

圖6 壓型鋼板組合板剖面圖1

采用壓型鋼板組合式板，可在保證板整體剛度的前提下進(jìn)一步壓縮板的厚度，同時(shí)有效提高施工效率，同時(shí)可大幅度降低組合板的整體荷載，滿足結(jié)構(gòu)樓板承載能力較低的要求。

4.3 標(biāo)高BIM建?？刂萍夹g(shù)

因部分種植屋面造型復(fù)雜，導(dǎo)致存在多個(gè)局部標(biāo)高，如采用傳統(tǒng)定位放線技術(shù)則很難進(jìn)行整體標(biāo)高控制，基于以上情況，引入BIM技術(shù)針對(duì)標(biāo)高進(jìn)行細(xì)部建模，理清各個(gè)區(qū)域的標(biāo)高。

4.4 鋼架節(jié)點(diǎn)卷材保護(hù)技術(shù)

因本工藝采用了大量的鋼架，同時(shí)鋼架再用膨脹螺栓與結(jié)構(gòu)板進(jìn)行固定，如不進(jìn)行專門的節(jié)點(diǎn)處理，后施工的鋼架膨脹螺栓極有可能穿透防水保護(hù)層對(duì)屋面防水卷材造成不可逆的損害，針對(duì)以上情況，研發(fā)鋼架節(jié)點(diǎn)卷材保護(hù)技術(shù)。本技術(shù)主要通過增厚防水保護(hù)層厚度、在防水卷材表層噴涂聚脲防水涂料形成一種韌性很強(qiáng)的保護(hù)層，同時(shí)增厚防水保護(hù)層厚度可有效降低或消除膨脹螺栓對(duì)防水卷材的破壞。如圖7所示。

圖7 防水卷材節(jié)點(diǎn)保護(hù)措施工藝圖

4.5 局部土體分隔技術(shù)

采用角鋼，根據(jù)種植土坡道和造型，按照一定的角度和間距安裝擋土板，擋土板中部有孔洞保證水分可自由通過。利用擋土板把土體分隔于每個(gè)分格中，同時(shí)分格內(nèi)土體坡度可逐個(gè)精確找坡，實(shí)現(xiàn)大面積種植土多個(gè)坡度精準(zhǔn)控制的效果。

圖8 土體分隔擋土技術(shù)示意圖1

5 施工要點(diǎn)

屋面工程作為重要的分部分項(xiàng)工程，對(duì)整個(gè)單位工程的工期、質(zhì)量、安全、成本均有較大的影響，因此有必要投入較多的人力物力進(jìn)行行之有效的施工管理。尤其是大型公共建筑的基礎(chǔ)屋面施工必須充分考慮結(jié)構(gòu)受力情況、屋面綠植設(shè)計(jì)、荷載情況及使用要求等。本工藝通過對(duì)負(fù)載能力較低的結(jié)構(gòu)屋面進(jìn)行研究，通過研發(fā)或改進(jìn)整體式鋼架施工技術(shù)、壓型鋼板組合板技術(shù)、標(biāo)高BIM建?？刂萍夹g(shù)、鋼架節(jié)點(diǎn)防水卷材保護(hù)技術(shù)、土體局部分隔技術(shù)，使得在負(fù)載能力較低的結(jié)構(gòu)屋面上進(jìn)行大體量復(fù)雜造型種植屋面施工成為可能，節(jié)約了施工成本，縮減了施工工期，希望對(duì)類似工程提供一定得指導(dǎo)意義。實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。（1）本工藝施工前，應(yīng)先進(jìn)行基層清理，確保基層無明顯垃圾、落灰等。（2）本工藝施工前，應(yīng)先進(jìn)行原有結(jié)構(gòu)標(biāo)高整理，同時(shí)匯總梳理種植屋面建筑標(biāo)高，進(jìn)而確定鋼架整體和局部高度，以此進(jìn)行受力分析并進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。（3）如有人行道等特殊構(gòu)件，應(yīng)采用壓型鋼板組合板，并提前確定壓型鋼板組合板的分布及詳細(xì)技術(shù)參數(shù)。（4）鋼架與混凝土樓板的固定節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量少，以減少固定節(jié)點(diǎn)處膨脹螺栓可能對(duì)防水卷材造成的破壞風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)適當(dāng)提高防水保護(hù)層厚度，并在防水卷材表面噴涂聚脲防水涂料，形成具有較好韌性的防水卷材韌性保護(hù)層。

6 效益分析

6.1 工期分析

采用傳統(tǒng)的種植土施作種植屋面，需進(jìn)行大量的土方垂直運(yùn)輸工作，施工工期較長；當(dāng)采用鋼架組合板式種植屋面時(shí)，大量的鋼架構(gòu)件可在現(xiàn)場預(yù)制并安裝，縮小施工周期，提高施工效率，如圖9所示。

圖9

6.2 工期分析

采用傳統(tǒng)的種植土施作種植屋面，需進(jìn)行大量的土方垂直運(yùn)輸工作，土方運(yùn)輸機(jī)械費(fèi)用很高；當(dāng)采用鋼架組合板式種植屋面時(shí)，大量的鋼架構(gòu)件可在現(xiàn)場預(yù)制并吊裝，機(jī)械費(fèi)顯著降低，綜合單位成本更低，如圖10所示。

圖1 輕自重鋼架組合板式種植花園屋面示意圖

圖10

7 結(jié)束語

屋面工程作為重要的分部分項(xiàng)工程，對(duì)整個(gè)單位工程的工期、質(zhì)量、安全、成本均有較大的影響，因此有必要投入較多的人力物力進(jìn)行行之有效的施工管理。尤其是大型公共建筑的基礎(chǔ)屋面施工必須充分考慮結(jié)構(gòu)受力情況、屋面綠植設(shè)計(jì)、荷載情況及使用要求等。本文通過對(duì)負(fù)載能力較低的結(jié)構(gòu)屋面進(jìn)行研究，通過引入整體式鋼架施工技術(shù)、壓型鋼板組合板技術(shù)、標(biāo)高BIM建?？刂萍夹g(shù)、鋼架節(jié)點(diǎn)防水卷材保護(hù)技術(shù)，使得在負(fù)載能力較低的結(jié)構(gòu)屋面上進(jìn)行大體量復(fù)雜造型種植屋面施工成為可能，節(jié)約了施工成本，縮減了施工工期，希望對(duì)類似工程提供一定的指導(dǎo)意義。