鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
[摘 要]廣州南站是我國四大鐵路客運樞紐之一。是武廣客運專線的終點站，也是廣深港客運專線和廣珠城際鐵路的起點站，是樞紐內最主要的客運站。其屋面總的面積約24萬平方米，整體造型成南國芭蕉葉狀，形狀復雜，面積巨大。整個屋面可分為兩大系統:金屬屋面系統、膜屋面系統。其設計及施工的復雜性給屋面工程的實施帶來了諸多困難和新的挑戰。本文從系統材料選用、設計思路、施工要點等方面介紹整個屋面主要系統的實施方案。
[關鍵詞] 金屬屋面材料選用、鋼承板系統、面板45度傾斜布置、異形扭轉檐口系統、ETFE氣枕、PTFE膜
1.工程概況
廣州南站位于廣州市番禺區鐘村鎮，距廣州市中心17km，距廣州市、佛山市、中山市,東莞市均在1小時車程內，處于珠江三角洲中心地帶,車站不僅服務于廣州市，還服務于整個珠三角地區。廣州南站建成后，取代了現有廣州站的地位，成為廣州的鐵路客運樞紐。亦是中國鐵道部規劃的全國鐵路四大客運中心之一。車站的總建筑面積超過為37萬平方米，總用鋼量7.9萬噸約為鳥巢的1.7倍，工程總投資130億元人民幣。整體建筑包括主站房、站臺無柱雨棚、高架車場、站臺下停車場，以及生產用房等。廣州南站于2004年開始建設，在2010年建成并投入使用（見圖1）。
圖1 廣州南站航拍實景
車站屋面總面積約24萬平方米。屋面采用分片疊合的造型，寓意南國的芭蕉葉，上部金屬屋面板排布成45度的斜紋布置，象征葉子的脈絡。由于車站高架候車室位于中央區域，整個屋面相應分成三個部分，中央屋面主要覆蓋高架候車室區域，兩側屋面主要覆蓋站臺區域。整個屋面可分為兩大系統:金屬屋面系統、膜屋面系統。
2.工程重點及難點
工程屋面面積巨大、造型復雜、分系統眾多、各系統穿插銜接復雜。在兩大系統中設計及施工的重難點分別為：1）金屬屋面系統構造材料的選用；屋面板45度傾斜布置的造型控制；異形扭轉檐口鋁板系統的造型控制；多樣式吊頂板型的平整度及美觀度控制。2）膜屋面系統中的膜材選用、構造設計及施工。
3.金屬屋面系統設計的著重點
3.1金屬屋面系統構造材料的選用
廣州南站作為超大的綜合交通樞紐擁有24萬平方的屋面面積，同時其形狀非常復雜，而其站房的大體量、大空間的特點，使屋頂材料的選擇對于整個建筑的使用舒適性和日常維護具有決定性意義，合理選擇屋面材料，優化構造設計，最大限度發揮材料本身的效能，使建筑屋面能合理、經濟地滿足建筑適用、堅固、耐久、美觀的基本要求。使屋面系統功能上達到防水、氣密、抗風、溫度變形、保溫、降噪、防雷、防火、節能環保等性能的要求。根據站臺雨棚及站房的各自適用要求將其構造選材分別劃分，以最大發揮材料的適用性。
站房屋面的構造材料選用（見圖2）
圖2 站房屋面構造效果圖
根據站房屋面的使用要求對屋面系統中各材料的優選最終確認的站房屋面構造層次自上而下依次為：
（1）1.0mm厚直立鎖邊鋁鎂錳合金板，板寬400mm，肋高65mm（如圖3、圖4）。
圖3 金屬屋面板斷面圖
圖4 金屬屋面板實樣
（2）拔熱反射防水膜，反射室外的熱量同時具有一定的防水效果（圖5）。
圖5 膜材、保溫棉鋪設實樣
（3）100mm厚玻璃纖維保溫棉，不燃性A級，具有保溫隔音雙重功能。杜絕外部環境造成對屋面板擊打產生噪音直接傳遞到站房內，同時對上部鋁鎂錳屋面板起到支撐作用，作為面受力支撐主體杜絕鋁鎂錳屋面板的過大變形。
（4）10mm 厚硅酸鈣纖維板，主要為隔音要求，隔音性能大于25db，硅酸鈣板自身連接縫隙與屋面保溫層連接縫隙錯落搭接，將室外通過屋面板傳遞過來的聲音全部阻隔與本硅酸鈣板之外，實現建筑外部的聲學要求。
（5）50mm厚玻璃纖維保溫棉，主要結合硅酸鈣纖維板使用。具有保溫隔音雙重功能。
（6）二道防水氣密層，考慮到本工程屋面對整體工程的重要性，特采取高于屋面防水規范最低要求，增設二道氣密層，氣密層配合拔熱防水層共同將保溫棉完全區域隔離狀態，同時將硅酸鈣板與保溫棉隔離，防止可能產生的局部潮氣深入下層構造，同時高耐火的性能將屋面劃分成兩個區域，提高屋面整體消防性能。
（7）玻璃纖維吸音棉，鋪設在鋼底板的穿孔凹槽內與無紡布結合使用。對室內通過穿孔底板的聲音進行吸納消除，同時也起到對鋼承板的填充補平（圖6）。
圖6 吸音棉鋪設實樣
（8）1.2mm厚鍍鋅壓型穿孔鋼承板，板寬768mm，肋高113mm，腹板穿孔內襯無紡布，孔徑不大于4mm，穿孔率21%-23%。屈服強度≥300N/mm2，鍍鋅量≥150g/m2（圖7、圖8）。
圖7 鋼承板斷面圖
圖8 鋼承板實樣
采用壓型鋼底板作為屋面荷載的受力體系，是結合本工程充分予以考慮的。主要出于以下方面考慮：
鋼結構主檁條采用H型鋼和矩形管，其上翼緣壁厚均大于15mm，且檁條間距4000mm左右，屋面可選擇的結構體系有檁條式和承板式。采用檁條式屋面受力需設置主次檁條，且主檁條需要彎弧，以保證屋面整體的造型要求，同時吊頂部分也需設置主次龍骨，用鋼量較大且需要與主檁條產生大量焊接，施工速度慢。而且要設置大量的施工輔助設施及材料堆放平臺，成本較高（圖9）。
圖9 鋼結構主檁條施工實景
采用承板式優勢較為明顯：從施工效率上來講，底板作為系統與主檁條連接的第一道工作面，通過射釘與主檁條冷連接，與主鋼結構不產生焊接，大大提高施工速度；從施工安全方面分析，大面底板鋪設完畢可形成上部其他系統材料安裝的施工平臺，施工人員在鋪設完畢后的底板上可直接行走工作，后期屋面系統其他材料也可直接堆放于此底板上，在大大提高工期效率的同時，避免了高空作業帶來的安全隱患；從成本造價上分析，此底板作為受力構件，不需再另設結構次檁條，相對其他構造對整體的造價有所降低（圖10、圖11）。
圖10 鋼承板安裝實例圖
11 鋼承板安裝完實景
采用鋼承板作為屋面荷載的主要受力構件，在國內大型屋面的構造受力中為首次應用。因此其板型受力性能至關重要，考慮到工程的重要性，除了對板材本身根據《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》進行理論計算外，還必須通過實驗確定其荷載極限值，以確定板型具有足夠的安全儲備空間。根據實驗數據此板型在4000mm跨度情況下，正常使用極限狀態的承載能力分別為：板腹板穿孔為4.9KN/m2；板腹板不穿孔為5.98KN/m2，此數值遠遠大于屋面板荷載0.45 KN/m2，完全滿足工程受力要求。
（9）鋁合金條形吊頂板，板寬160，板縫80mm。
站臺雨棚屋面的構造材料選用（圖12）
圖12 站臺雨棚屋面構造效果圖
站臺雨棚屋面構造材料相對站房有所減少。主要考慮到站臺為開敞式結構，保溫、隔音、吸音材料有所簡化。考慮到站臺雨棚的吊頂受到荷載的影響較大，站臺雨棚選用了碟形板，卡扣式連接形式。除吊頂板板型外其余構造材料及要求同站房，這里不在重復羅列。
3.2屋面板45度傾斜布置的造型控制
整個屋面由多個單體連接而成，每個單體形狀本身成雙向彎曲，短方向半徑大約70m左右，長方向半徑大約250m左右。為滿足建筑要求的芭蕉葉葉子的脈絡的形狀，要求屋面板在短方向半徑面傾斜45度布置。由于屋面單體造型為雙曲狀，使得屋面板鋪設異常困難，對板材及施工工藝要求較高。要滿足建筑總體效果需要采取以下幾點保證措施（圖13）。
圖13 屋面板45度傾斜布置實景
首先以鋼結構模型為建模基準，根據建筑圖外輪廓標高對屋面板外表皮進行三維建模及面板的曲線分格（圖14、圖15）。通過分格線確認屋面板在寬度方向的扭轉是否控制在板材本身的受力范圍內。經放線測得屋面板的扭轉偏差為8mm，作為最短40米長的屋面板完全可以滿足其偏差值且不影響板得自由伸縮。
圖14 屋面板局部大樣圖
圖15 單體屋面板三維曲線分格圖
其次根據三維模型對屋面板材進行下料及施工控制坐標點的數據給出。
在次根據外面皮三維坐標控制點，建立從外向內標高控制的方法，通過全站儀在鋼結構上確定控制點進行屋面檁條、高強鋁合金支座、屋面板的測量放線（圖16）。避免以鋼結構為尺寸基準平行向上施工屋面的方法，防止鋼構安裝誤差對表面形狀的影響。
圖16 鋁合金支座測量安裝實例
3.3異形扭轉檐口鋁板系統造型控制
本工程檐口形狀復雜呈扭曲狀，且面積巨大約6萬平方。檐口處于人的直接視線下，其造型的平滑度及平整度直接影響到人的審美感觀。為使檐口達到建筑及美觀度要求在設計階段及施工過程中給予了充分的考慮。
設計階段：屋面各單體檐口整體建模。以鋼結構模型為基準充分考慮鋼結構誤差，按照檐口標高及建筑造型進行外表皮建模控制，板材下料嚴格按照模型取值，確保板材的精度（圖17、圖18、圖19）。
圖17 檐口節點詳圖
圖18 檐口節點效果圖
圖19 檐口骨架定位模型
施工階段：依據模型三維控制點對鋁板骨架進行三維放線控制，保證鋁板與骨架的統一性。同時在鋁板安裝過程中沿檐口周邊通長搭設施工平臺，確保板材的安裝精度（圖20、圖21）。
圖20 檐口施工平臺
圖21 檐口完成實景
3.4吊頂板型的受力及美觀度控制
根據站房與站臺吊頂的使用要求不同，考慮站房及站臺雨棚吊頂選用兩種不同形狀的板形。站房吊頂大部吊掛在室內，其不受到風荷載的影響，主要從美觀性考慮。而站臺吊頂作用在室外，除了要受到風荷載的影響外還需要考慮高速列車通過時產生的瞬時風速的影響，主要從安全角度考慮。出于以上考慮站臺選用了板材本身具有一定剛度的碟形吊頂（圖22）。經計算在風荷載及火車經過時產生的瞬時風載的雙重荷載疊加下，板材滿足受力要求。同時還考慮設置構造防風扣件確保板材在極端受力下不會掉落，以保證火車的安全通過（圖23）。
圖22 雨棚吊頂板板型實例
圖23吊頂板防風扣件
站臺吊頂選用180mm寬碟形板，板寬與板縫的比例為1:1，同時在燈槽位置流出300mm寬供燈具布置使用。為保障吊頂的平滑度在吊頂板縱向接縫處采用同顏色同形狀的小板插縫連接（圖24），同時考慮到整體效果必須結合燈具的位置建模后三維放線定點，預先控制好燈具的位置及板材的縫寬，以滿足建筑效果的要求（圖25）。
圖24 站臺吊頂板三維及連接大樣圖
圖25 站臺吊頂板局部實景
站房吊頂選用160mm寬條形板，板寬與板縫的比例為1:0.5,由于吊頂板在室內不連續被罩棚的桁架梁分成N個單體，故要求各桁架梁間板縫相對一致以確保美觀性。考慮到鋼結構每個桁架梁間均存在誤差，在板材下料過程中需現場實際測量每個桁架連間的寬度，然后在進行模型的建立，適當微調板縫，以滿足整體順滑度的要求（圖26、圖27）。
圖26 站房吊頂板三維及連接大樣圖
圖27 站房吊頂板局部實景
4.膜屋面系統中的膜材選用、節點設計及施工
膜結構是20世紀中期發展起來的一種新型建筑結構形式。是由多種高強薄膜材料(PVC或Teflon)及加強構件(鋼架、鋼柱或鋼索)通過一定方式使其內部產生一定的預張應力以形成某種空間形狀,作為覆蓋結構,并能承受一定的外荷載作用的一種空間結構形式。膜結構可分為充氣膜結構和張拉膜結構兩大類。本工程根據使用要求及效果的不同在站臺及站房分別采用兩種不同的膜結構類型（圖28）。
圖28 屋面膜結構分布圖
4.1 ETFE膜材：
站房中央采光區域采用雙層ETFE的氣枕，位于整個車站工程的中部，面積約為16000平方米，共有氣枕1182個，氣枕的幾何形狀主要為菱形（圖29）。氣枕正常工作內壓約為300Pa，為保證氣枕內維持穩定的氣壓，為該項目配置5臺功率為3KW的供氣設備。氣枕上下層將采用不同矢高進行設計，上層膜矢跨比為10~12%，下層膜矢跨比約為5%。根據建筑及結構需要，氣枕上層采用250μm透明打點ETFE，下層采用250μm藍色ETFE（圖30）。
圖29 菱形氣枕典型大樣圖
圖30 ETFE氣枕實例
站房東西方向的進站口大罩棚及南北方向的罩棚角部均采用單層ETFE結構，面積約5000平方米。選用250μm透明打點ETFE與不銹鋼鎖支撐的結構（圖31、圖32、圖33、圖34）。
圖31 東西罩棚ETFE單膜典型大樣圖
圖32 東西罩棚ETFE單膜實樣
圖33 罩棚角部ETFE單膜典型大樣圖
圖34 罩棚角部ETFE單膜實樣
節點設計：根據項目特點在膜與膜交接部位采用了加設天溝的節點樣式（圖35）。膜材通過專用鋁型材卡緊固定于天溝上表面（圖36）。在鋁型材下部設置了一個EPDM凝水槽，用于電化學絕緣，冷橋隔絕，接排鋁合金側邊的冷凝水及上部少量可能的滲水。同時天溝的使用使膜材安裝及后期維護變得更便利（圖37）。
圖35 膜節點大樣圖圖
36 膜型材實樣
圖37 膜節點實樣
雙層ETFE膜由無數個菱形的氣枕組成，各氣枕間通過供氣管道連接，由供氣設備提供的氣壓來維持氣枕的受力。這使得每個氣枕均要與供氣管道連接，為避免管道外露影響美觀效果，設計時考慮將管道放置于結構的縱橫網殼上部采用支撐天溝的小方管夾緊固定（圖38），且供氣軟管調整為透明色（圖39）。
圖38 氣枕與管道連接效果圖
圖39 供氣軟管實樣
單層膜材在天溝部位的處理基本同雙層膜材，但受力形式上不同于雙層膜。而是采用不銹鋼鋼絲繩與膜材整體受力，在一塊菱形單元內間距800mm左右的膜材上焊接一條150mm寬的ETFE膜，主膜與外貼膜就形成了一個“口袋”，鋼索穿于“口袋”之內，從而可以同膜材協同工作，抵抗外荷載（圖40、圖41）。
圖40 單層膜與鋼索連接節點圖
圖41 單層膜實樣
施工：中央采光帶采用的結構形式為網殼拉索結構。整個網殼由縱橫方向的鋼方管組成無數個菱形單元（圖42）。一個菱形單元即為一個膜單元（圖43）。但由于每個單元均不共面，使得連接各個單元間的排水天溝在每個菱形單元的交點均布共面，這對施工提出了極高的要求。在交點焊接部位異常復雜，既要確保焊接的強度又要保證節點的防水性及施工的精度（圖44、圖45）。
圖42 網殼拉索結構實景
圖43 膜單元實景
圖44 排水溝交接區域實景
圖45 膜單元交點完工實景
4.2 PTFE膜材：
膜材選用：為了增強旅客在站臺候車的舒適度，提高站臺雨棚的防飄雨性能，在各站臺（10處站臺雨棚之間，即火車停靠的正上方）之間設置PTFE單層膜結構（圖46、圖47）。選用的PTFE透光率為15%左右，這樣可以保證部分光線進入站臺，同時遮擋飄雨。10處PTFE張拉膜共約10000平方米。采用3um玻璃纖維涂覆PTFE樹脂永久性膜材。
圖46 PTFE膜三維模型圖
圖47 PTFE完成實景
節點設計：整個單榀膜材在120米長的站臺間布置。站臺間膜材最大跨度16米，最小跨度6米，最大鏤空處控制在2米以內，形狀為橢圓形（圖48）。為保證膜材向檐口兩側的天溝導水，膜材在鋼桁架16米跨度中部必須起拱，將跨度內的橢圓形鏤空一分為二。根據計算中部起拱高度控制在1.3米，兩端高度控制在0.7米（圖49、圖50、圖51）。
圖48 PTFE膜材局部大樣圖
圖49 PTFE膜起拱節點圖
圖50 PTFE邊緣節點圖
圖51 PTFE中間節點圖
5.施工保障措施
廣州南站作為大型綜合性屋面系統工程，其形狀復雜、工程量巨大、各專業穿插眾多、工期時間緊迫。施工上必須采取統籌方法，合理安排工序，協調各工種配合施工。因此為確保工程質量及工期，保證施工順利進行及后續順利驗收合格，必須具備優良的施工保障措施。
5.1金屬屋面、檐口、吊頂的造型控制施工測量保障異常重要。在這些部位施工測量人員必須按照深化設計人員提供的三位坐標控制點進行打點放線，確保每個點位在鋼結構上精確標示。如遇到鋼結構偏差較大導致建筑物外輪廓不能平滑過渡的情況應及時反饋給深化設計人員進行調整。因屋面板45度斜鋪在施工時特別要注意其支座的定位方向，保證屋面板與支座平行，支座的高度誤差應控制在±2mm內，水平誤差控制在±2mm內（圖52）。以確保其安裝精度滿足《屋面工程質量驗收規范》的要求。
圖52 支座定位精度控制要求
5.2近年來在建屋面發生火災的事故較為平凡，除了材料選擇不當外絕大多數因為施工防火措施不當。鑒于本工程的重要性必須設置多道防火保障措施。在焊接鋼龍骨時應設置兜火籃，防止焊渣跌落造成火災。屋面板焊接前確認周邊是否有可燃材料，同時在焊接線的底部設置防火鋼板。在做好施工措施的同時還要做好管理工作。落實專人負責明火控制，杜絕現場吸煙、用電等明火的產生。實行焊接動火等審批制度。落實旁站監督，并配備滅火設備。正是因為這些措施實施的保障到位，本工程在屋面施工期間未發生任何火災隱患。
5.3合理安排各專業作業工序。保溫棉的鋪設需與屋面板同步進行，確保當天保溫棉鋪設區域全部鋪設屋面板，防止雨天引起保溫棉失效。對鋪設的屋面板進行當天鎖邊咬合，并且對邊緣區域進行抗風臨時固定，防止夜間起風導致屋面板掀開，造成不必要的損失。天窗骨架等焊接節點的施工必須在屋面保溫棉鋪設前鋪設完畢，避免構件焊接與棉的鋪設交叉施工，防止施工火災的發生。天窗玻璃必須在泛水板安裝之前施工完。避免天窗玻璃安裝對周邊屋面板與泛水板的踩踏，造成局部積水及漏水的隱患。
5.4必須做好屋面的成品保護。屋面板安裝完畢后如在屋面板上進行材料搬運需通過專用扣件在屋面板上設置安裝走道，防止對屋面板的踩踏（圖53、圖54）。屋面材料的起吊屋面需設置堆料平臺，防止材料堆放對屋面造成的破壞。屋面材料的安裝過程中應防止重型工具的跌落對屋面造成的破壞。
圖53 屋面安裝走道平臺
圖54 屋面專扣件實例
6.結語
廣州南站金屬屋面工程從09年7月份進場施工到10年5月份完工驗收，共歷時10個月的時間，完成屋面板施工14.8萬平方，完成膜屋面施工3.2萬平方，完成檐口裝飾板6萬平方，總計24萬平方。現工程已經投入運營1年多，屋面各系統運行良好，得到了業主、設計方、鐵道部的認可。本文的案例表明，金屬屋頂系統在選材得當、設計合理、施工有序的條件下具有廣泛的應用前景。
參考文獻
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作者簡介：
張馳（1980-），男，哈爾濱工業大學畢業，工程師，主要從事鋼結構金屬屋面系統設計。現任上海精銳金屬建筑系統有限公司設計部經理。E-mail:bingch80@126.com
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