轻质高强金属屋面系统:重庆国际机场T3B方案设计
日期:2023-07-17

轻质高强金属屋面系统:重庆国际机场T3B方案设计

原创 WINDOOR新品展 城博门窗幕墙新产品博览会



通过设计师的想法提高整个建筑在设计、安装和运维阶段的绿色低碳水平,推动我国尽早实现双碳目标,这是作为一名设计师应该承担的社会责任。





殷兵利

中国建筑西南设计研究院有限公司

建筑幕墙设计所执行总工程师






金属屋面如何

绿色低碳?



2021年9月,党中央、国务院提出了“关于碳达峰、碳中和的工作意见”,其中对于金属屋面和建材行业也提出了一些要求,主要集中在低碳建材应用和装配式发展方面。与此同时,在建筑领域除了在建造方式上实现绿色低碳外,在设计和节能改造方面,以及在屋顶加设光伏等具体领域也需要一起发力,共同助力建筑行业的低碳发展。


针对金属屋面行业,个人有几点想法供大家探讨。


第一,在建筑材料方面大力推广绿色建材的应用。今年在北极星建筑奖的展台上我们看到了很多绿色建材的展示(比如蒙脱石纤维材料等可回收循环利用的材料),这些材料是否能够通过设计师之手,运用在金属屋面系统上呢?


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第二,全面提升金属屋面的气密性、水密性、保温性和隔热性能,以降低建筑在运营阶段的能耗。


第三,通过设计创新,促进建造装配化


第四,提升材料的耐年限,降低建筑的运营能耗和运维费用。


第五,提升金属屋面的抗风性能,促进行业的高质量发展。




针对痛点问题

创新天窗系统

重庆江北国际机场T3B航站楼



在重庆江北国际机场T3B航站楼屋面和天窗系统的方案设计中,我们运用了上述五种思路。


2021年我们团队开始对本项目进行方案设计,整个项目的屋面和天窗系统具有以下两个特点:


第一,整个屋面具有12条带状天窗,使得屋面造型飘逸灵动,同时大大改善了室内的采光条件,体现了“以人为本、绿色低碳”的设计理念。





第二,整个项目的建筑面积约35万平米,是目前全球规模最大的单体卫星厅。


我们结合屋面系统的以下痛点,进行针对性的研究和创新。


痛点1:传统屋面系统的抗风、防水和保温性能不佳,如何通过这个项目去提升整个本项目屋面系统的抗风、防水和保温性能?


痛点2:传统屋面系统有很多构造层次,施工工序复杂,建造成本高。是否可以简化构造层次来提高建造效率?


痛点3:天窗材料通常采用玻璃,但玻璃的遮阳效率低,且自爆率高、防水性能不佳,是否可以提升这方面的功能?


痛点4:按照相关规范要求,天窗玻璃分格面积不得超过2.5㎡,导致采光顶通透性不佳。是否可以采用替代材料来提升天窗的通透率,同时降低玻璃自爆引起的安全隐患?




双层檩条铝镁锰

金属屋面系统

耐腐性、抗风性、防水性全面提升  



1、屋面面板

通过对我国大型机场金属屋面系统的调研,金属屋面板主要有铝镁锰合金板、不锈钢、镀铝锌钢板三种材料。其适用条件、地域以及耐腐性具有一定的区别。从性价比和耐腐性比较,铝镁锰材料是相对成熟稳定和耐腐性较好的材料,适合本项目采用。


2、屋面抗风性能

常规的板型有400板型、450板型和500板型。在已完工的T3A航站楼中采用的是400板型、0.9mm厚铝镁锰板;在T3B项目中选用了300板型来提高抗风性能,同时将屋面板的板厚增加到1.0mm。通过抗风揭实验,T3B航站楼达到4.2千帕,抗风性能比T3A提升了91%。


3、屋面防水

结合本项目,我们设计了三套防水方案。


方案一,传统方案采用单层檩条,上层覆盖TPO防水卷材。屋面板T形固定件采用0.3*1.2m的矩阵布置,对下层防水卷材的穿透点较多,影响屋面系统的防水性能。


方案二,在防水卷材的上方加设一层檩条,檩条的固定间距以1.2m*1.2m的矩阵进行测算,将大幅减少对下层卷材的穿透,提升卷材的防水功能。


方案三将上层檩条架空,在屋面板与卷材之间形成空腔对流层。同时支承上层檩条系统的支托设置在网架球部位,形成4m*4m或5m*5m的穿透矩阵,大幅降低对卷材的穿透,并且在穿透点部位采用卷材预制件进行包裹密封,全面提升屋面系统的防水功能。


对三种方案进行穿透点量化对比:方案一对下层防水卷材的穿透点为300*1200mm;方案二通过双层檩条方式,穿透点按照1200*1200mm进行计算,穿透点比方案一减少了75%;方案三通过架空双层檩条,穿透点按照3600*3600mm进行计算,穿透点比方案二减少了89%。





新材料×新建造


除了解决抗风、防水、保温和耐候之外,我们还思考以下问题:1. 屋面在建造过程中构造层次过多,安装工序繁琐;2. 钢底板在施工过程中,遇到雨水淋湿且工序间隔久,表面极易生锈;3. 在高温潮湿的使用环境下,钢底板表面较易产生结露和冷凝水,影响钢底板的耐久性。


因此在本项目屋面设计中,对传统屋面的构造形式进行了如下优化:取消下层钢次檩、下层钢底板、下层防潮层和吸音棉,使用纤维复合材料底板。由于玻璃纤维强度较弱,碳纤维造价较高,而玄武岩纤维材料是以长丝的玄武岩纤维,通过其混合物作为增强的一种复合纤维材料,具有很强的抗弯性能,可以实现抗弯底板和抗弯横梁的功能。


我们尝试在本项目中将它作为一种受力构件进行应用,该材料主要特点是:1. 燃烧性能A级,满足防火要求;2. 无机高耐候,表面不需防腐处理;3. 导热系数低≤0.45,约为钢板的0.01倍,提升屋面的保温性能;4. 截面拉挤成型,可为板材、压型板或型材;5. 轻质高强,密度约2.0kg/m3<7.85kg/m3,主纤维向拉伸强度设计值约190~200MPa;6. 弹性模量低,主纤维弹性模量0.23~0.3X10^5,约为铝材的0.4倍。


我们对原有屋面的节点进行了改进,将高立边的玄武岩复合纤维底板替代下层屋面的次檩条和压型钢底板。


通过1:1实样制作和堆载抗弯测试,复合纤维底板的受力和变形基本遵从线性函数关系,材料的离散性低、力学稳定性好。由于取消了次檩条后,室内效果也更加简洁。


创新方案在低碳方面具有以下优势:1. 取消次檩条和钢底板,减少钢材用量,减少钢材在生产和运输过程中的碳排放;简化施工工艺可以减少在建造过程中的碳排放,提高建造效率;2. 避免了钢底板的防腐处理,提高底板的使用年限,节约后期维护成本;3. 显著提高屋面系统的整体热工性能,减少空调能耗,同时避免高温潮湿环境下的底板结露现象;4. 降低项目碳排放总量


通过对常规方案与创新方案对比,14万平米的金属屋面项目可以节约420万的造价,在生产、运输和建造阶段的碳排放可减少约1,853吨。


在运营阶段,我们做了定性分析,通过模拟可使屋面系统的综合传热系数K值降低10.6%,可以直接减少项目在运营阶段室内的空调能耗。






三种方案打造

南北朝向天窗系统



本项目有12条带状天窗,虽然改善了室内的采光条件,降低了照明能耗。但也要思考如何规避天窗自爆、提升天窗的通透性,我们设计了三套方案。


方案一

钢化中空三银Low-e夹胶玻璃天窗


采用传统的中空三银Low-e玻璃,可能会存在防水、节能方面的问题,后期运维阶段钢化玻璃存在一定的自爆概率和运维成本。


方案二

使用热致调光膜钢化中空双银Low-e夹胶玻璃天窗


热致调光变色玻璃是一种本体遮阳,当玻璃表面达到设定温度时产生雾化,起到本体遮阳的功能。当玻璃表面低于设定温度时就会慢慢变回透明。雾化状态下,玻璃的太阳得热系数降低31%到76%,可以降低玻璃内表面温度和室内空调能耗。


方案三

ETFE双腔气枕透明膜天窗+熔断系统排烟


本项目天窗有朝南和朝北两个方向。朝南采用热致变色玻璃,提高温控遮阳,降低室内能耗;朝北的光照条件相对较弱,主要考虑提升天窗的通透性。因此我们采用双腔气枕膜方案,该方案不仅规避了玻璃自爆的隐患,而且提高了天窗的通透性。



如何实现遮阳?

在ETFE双腔气枕透明膜的表面采用镀点的方式,提高膜的遮阳效率,同时可实现大面积的天窗分格,改善玻璃只有2.5平米的限制条件。


▲成都凤凰山体育中心

单层ETFE膜,镀点覆盖率74%,透光率27%




另外,可通过膜面“热熔断技术”实现大面积排烟的需要,减少在天窗上设置过多的开启扇,防止天窗漏水隐患。




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