“天衣无缝”——青岛胶东机场连续焊接不锈钢屋面技艺设计by西南院

图1 青岛胶东国际机场实景鸟瞰

青岛地区风压高、腐蚀严重、雨水强。 青岛胶东国际机场航站楼的建设方及设计方经慎重研判，结合实际考察，最终决定采用连续焊接不锈钢屋面系统，以消除渗漏及风揭的隐患。 航站楼包括1个大厅及5个指廊，金属屋面面积约为22万㎡，是目前世界上最大的连续焊接不锈钢屋面单体建筑。

连续焊接不锈钢屋面系统是新一代金属屋面体系，是真正意义上的防水屋面构造体系。该系统具备以下几个特点：

1）屋面所有接缝均采用焊接形式，实现屋面整体结构式密封，解决了金属屋面容易漏水的顽疾。

2）采用焊接方式连接屋面板与连接件，不同于金属屋面常采用的咬合连接方式，避免了屋面板与连接件锁扣不牢的现象，极大地提高了金属屋面的抗风揭能力，有效地保证了金属屋面的结构安全性。

3）由于不锈钢具有优良的抗腐蚀能力，对沿海高盐高湿环境有极强的适应性，故系统使用年限远超铝合金和镀铝锌钢板屋面，维护成本低，综合性价比高。

20多年来，国内大型场馆类公共建筑应用最多的金属屋面系统为直立锁边铝合金屋面系统。但在该金属屋面的使用过程中，风揭、漏水、腐蚀等有害现象频发，经济损失巨大，社会影响恶劣，金属屋面的可靠性一度受到质疑。但金属屋面重量轻、施工便捷、建筑适应性强、外观效果好、综合性价比高，是大型场馆建设不可或缺的屋面构造形式。

是 在保持现有的铝合金直立锁边系统优点的前提下，查缺补漏、完善设计与工艺，还是彻底从金属屋面系统的构造、材料使用上进行全新的变革？需要多方面的研究、探索与决策。

渗漏的三要素为：有水、有水的通道（缝隙、孔、洞）、有水通过通道的动力，彻底解决漏水就需要从这三要素考虑。“有水”的要素必然存在，只能从“水的通道”和“水通过通道的动力”两个方面想办法。

直立锁边屋面系统的防水原理是减弱和消除水通过通道的动力。不仅直立锁边系统如此，几乎绝大多数压型金属屋面系统均是通过这个原理来进行防水（图2-3）。但是设计、材料、施工、管理等的不完善，导致实际情况无法达到理论上的理想状态，很多漏水工程案例也证明了此措施在一定程度上的不完善。如果有一种金属屋面系统采用“无缝阻水式”设计，完全封闭水的通道，真正实现“天衣无缝”的效果，那将是最直接、最完美的防渗漏方式。

图2 直立锁边屋面系统连接(左)

图3 卷边屋面系统连接(右)

青岛胶东国际机场航站楼呈五星形状，体形复杂，风洞实验结果显示，围护结构最不利负风压值为-6.10KPa，出现在屋面部位，所以本工程屋面系统抗风揭性能的设计尤为重要。

传统无螺钉外露的金属屋面系统常常通过“卡”、“扣”、“卷”等“拼接式”将屋面板与支座进行连接。此类构造由于其系统自身的特点，其破坏的形式往往为“拼接式”连接方式失效（图4-5）。虽然屋面板或支座本身的强度较高，但在其强度还未充分发挥作用的时候，连接部位已经失效破坏，导致强度利用率很低。

如果有一种系统能将其连接可靠度提高至与构件强度基本一致，那么其抗风性能也将会有很大的提升。

图4 直立锁边屋面板的变形(左)

图5 直立锁边屋面板的失效(右)

青岛属于沿海地区，外围护材料的防腐蚀也是重点考虑的因素。金属屋面常用的面材包括镀锌板、镀铝锌钢板、铝合金板、钛锌板、铜板、钛板等。镀锌板作为早期的围护材料，抗腐蚀性能较差，在公共建筑外围护中已经应用较少了；优质镀铝锌钢板的抗腐蚀性能优于镀锌板，但在沿海地区重要建筑上长期使用效果还令人心存疑惑；铝合金板的防腐性能较佳，直立锁边系统应用广泛，但其在屋面的使用方式单一，一直饱受风揭和渗漏的诟病；钛锌板、铜板、钛板虽然在屋面上都有应用，但由于其价格高昂、系统单一，在大型公共建筑上使用还未被普遍接受。

找到一个集良好的耐久性、强度、加工性能、经济性能等于一体的屋面材料就成了一个课题，而不锈钢材料恰恰具备以上优点。

针对影响金属屋面使用的三个问题——渗漏、风揭和腐蚀，我们发现有一个已经发展了几十年，并在欧洲和日本有着良好应用的屋面系统——连续焊接不锈钢屋面系统。

该系统具有如下优点： 

1）通过连续焊接的方式实现屋面板之间无缝的连接，消除水的通道，从本质上解决了渗漏的问题。

2）通过焊接的方式将屋面板与支座焊接为一体，简化支座型式，使支座易于密集排布，连接强度大幅度提高，解决了抗风揭的问题。

3）不锈钢具有优良的耐腐蚀性能、服役寿命长，后期维护简单，可实现建筑可持续性发展。

综合以上优点，通过长时间的研究和考察，最后确定在项目屋面上采用连续焊接不锈钢屋面系统。

项目的连续焊接不锈钢屋面系统构造层次如图6所示，其中不锈钢屋面板、隔声泡棉、自粘防水卷材、镀铝锌平钢板、镀铝锌压型钢板的构造为项目连续焊接不锈钢屋面系统的特有构造层次，其余功能层与其他金属屋面系统类似。

图6 连续焊接不锈钢屋面系统构造层次

项目的屋面系统面材为不锈钢，牌号为019Cr23Mo2Ti（445J2），属于超纯铁素体不锈钢，厚度为0.5mm，加工过程中将板面横向微压纹处理。

 2.1.1 材料特性 

445J2铁素体不锈钢不同于常用的奥氏体不锈钢316L，没有了镍元素，增加了铬元素和钼元素，添加了铌钛等稳定化学元素。这些化学成分的变化，带来了如下优点：

1）防腐蚀性能提高。

不锈钢点蚀指数铁素体445J2优于奥氏体316L。不锈钢在焊接后，焊缝位置的点蚀指数一般会有下降。试验表明，铁素体不锈钢445J2的焊缝的点蚀指数和点蚀电位都有微小下降，但依然远优于奥氏体不锈钢316L的母材。耐盐雾腐蚀性能铁素体不锈钢445J2也优于奥氏体不锈钢316L，更适合沿海地区使用。

2）强度指标高，线膨胀系数低，接近钢材。

铁素体不锈钢445J2的屈服强度优于奥氏体不锈钢，略高于碳素结构钢，热膨胀系数也远小于奥氏体不锈钢，与钢材接近。

3）价格相对低廉。

以上特点决定了445J2铁素体不锈钢是连续焊接不锈钢屋面系统的首选材料。

 2.1.2 材料厚度 

金属屋面的面材一般都是选用薄板来实现，连续焊接不锈钢系统的面材也是薄板。屋面板过厚会造成材料用量增加，建造成本上升。屋面板太薄，不能作为屋面防雷接闪器，势必会增加很多防雷措施，会对屋面整体性产生破坏。项目屋面板最终选用的薄板厚度为0.5mm，这是综合考虑经济性、焊接可靠性、屋面防雷需求等多项因素后的选择。

 2.1.3 材料表面处理 

不锈钢表面加工类型较多（表1），通过多次试验及对比，项目选用的不锈钢板表面加工类型为2F（毛面），表面均匀亚光，并在板材成型时，压制横向浅压纹。横向浅压纹不仅可以增加屋面板的横向刚度，还可以利用横向浅压纹构成长度方向的微弹簧，提高屋面板对热胀冷缩的适应性。横向浅压纹还可以进一步减小不锈钢的光反射作用，防止对航站楼周边及天空造成影响。在设计施工过程中，横向浅压纹还起到了防滑的作用，使屋面的施工及使用变得更加安全便捷。

表1：不锈钢板的表面加工类型

在系统的研究、选择和应用上，需积极汲取经验教训，认真研究，因时因地、科学合理地选择符合工程实际的系统构造体系。项目屋面板最终选择了对称的U形槽板，宽400mm，板面横向浅压纹，板肋处设置盖帽（图7-8）。

具有如下特点：

1）板型简单，U形对称利于压型加工，利于消除焊接应力造成的板面变形，提高了屋面板对热胀冷缩的适应性；

2）横向浅压纹增加了屋面板的刚度，屋面施工及使用过程中变形小，同时增加屋面板的防滑能力，利于屋面行人安全；

3）焊缝质量随时可见，易于检查，焊接缺陷容易处理；

4）定位点焊位于连续焊缝锁水线上方，不影响防水性能；

5）板型搭接缝处设有条形盖帽，施工方便，对焊缝起到一定的保护作用。

图7 不锈钢板成型(左)

图8 盖帽安装(右)

不锈钢支座为L型件，其竖直边置于两块不锈钢屋面板肋缝隙之间，通过连续焊接工艺将不锈钢支座与其两侧的不锈钢屋面板焊在一起，其水平边与下部构件通过不锈钢螺钉连接（图9-11）。

不锈钢支座的作用非常关键，其设计直接影响到连续焊缝的可靠性及与下部构件连接的可靠性。通过多次试验，最终设计采用厚度0.2mm不锈钢板作为支座材料。为了使其较好地通过螺钉与下部构造连接，在L型不锈钢支座的水平位置设置了一个0.8mm厚的不锈钢垫板以增加其强度。此构造形式经过试验验证，竖直边焊接性能和水平边螺钉连接性能均表现优异。

不锈钢支座的长度及布置也是设计的关键。综合考虑了屋面抗风揭能力和经济性，将屋面工程按风压大小，采用不同支座设置的方案。低风压区不锈钢支座间距为500mm，高风压区不锈钢支座间距为300mm，并在端部、檐口等位置适当对支座进行加长。 

图9 支座与屋面板连接(左)

图10 支座与基层连接(中)

图11 支座形式(右)

屋面板肋焊接缝处设置条形盖帽，盖帽通过点焊或压印的方式与U形屋面板立边进行连接。盖帽将板肋边及焊缝盖住，起到保护焊缝作用，也使得整体外观更加美观，避免锋利的板肋边对屋面上的施工和检修人员造成伤害。

屋面一些特殊部位如T字接缝、天窗洞口、通风管道、天沟交接、屋脊交接等，需要将多层不锈钢板进行焊接。连续焊接不锈钢屋面的关键就是“焊接”，所有接缝位置均采用焊接的手段，保证屋面板不存在缝隙及死角，从而达到充分水密的目的（图12-14）。

图12 屋脊(左)

图13 天窗及洞口(中)

图14 檐口(右)

考虑项目的特殊性，为进一步保证防水的可靠性，在不锈钢板下方又设置了一层防水垫层。不同于其它金属屋面工程常用的防水垫层，不锈钢支座的螺钉会大量穿透防水垫层，无法逐个采取密封措施，这就需要防水垫层具有很好的钉杆水密性。所以自粘性防水卷材成为了防水垫层的最佳选择。

由于相关自粘性防水卷材的国家产品标准中所规定的各项参数没有考虑其应用于金属屋面这种特殊情况的需求，所以为确定满足需要卷材的技术参数，进行了长时间的性能测试及试验，并邀请国内著名的防水材料专家参与了讨论与论证，最终确定了自粘性防水卷材的合理数据。

当然，由于连续焊接不锈钢屋面系统已经实现了水密的完全封闭，在水流过金属板缝或积水漫过金属板肋时，也不会发生水向金属板内侧渗漏情况，这是连续焊接不锈钢屋面的特点及最大优势。所以连续焊接不锈钢屋面构造体系中防水垫层仅是一个保险措施，并非必要。

项目屋面工程建设过程中进行了各种试验，包括实体小样制作、现场大样板段的施工与监测、蓄水试验、淋水试验、紧固构件拉拔试验、不锈钢材料的检测等，也包括前文提到的各种试验。其中非常重要的是屋面系统的抗风揭试验。通过对风洞实验报告的分析，综合考虑了抗风揭能力和屋面的经济性，在设计时将屋面工程分为高风压区和低风压区，并分别进行了试验样板的抗风揭能力测试，每段风压区都进行了以下试验：

1）1个试验件进行静态抗风试验，至破坏，确定该试验件抗风极限值。

2）1个试验件按设计要求的设计值进行动态抗风测试，测试周期完成后若试验件无破坏，用该试验件进行静态抗风试验，至破坏，确定该试验件经动态加载后的抗风极限值。

试验结果如表2所示。通过对试验破坏的样板进行拆卸检查，发现屋面系统破坏的方式为连接衬檩的螺钉拉断或拉脱，而连续焊接不锈钢屋面的特有构造层次完全没有破坏。在高风压区的试验结果进一步验证了在檩条、紧固件设计及选型合理的情况下，焊接不锈钢系统有着超强的抗风能力。

表2：青岛胶东国际机场航站楼金属屋面抗风揭测试结果

连续焊接不锈钢屋面应同时被纳入两个范畴，即Metal roof（金属屋面）和Water proofing（防水屋面）。这种分类主要是根据屋面材料的材质和阻、排水原理划分的。防水屋面范畴内还包括PVC，TPO等柔性防水系统。相较于PVC和TPO，不锈钢屋面具有更好的强度、耐久性和建筑表现力，可以满足大型复杂公共建筑的屋面设计要求。

连续焊接不锈钢屋面的“无缝阻水式设计”能够适应复杂的建筑造型，改变传统金属屋面在复杂节点处的“拼接式”构造，为建筑披上可靠、耐久的“金属外衣”。在某种程度上讲，连续焊接不锈钢屋面回归了金属屋面的本源——巧妙的设计、精巧的钣金、高素质的专业技能。连续焊接不锈钢屋面想要健康、长久地发展需要整个行业注重人才的培养和规范化的管理，避免出现直立锁边屋面发展过程中无序、粗糙、急功近利等混乱的状况。

该系统已在青岛胶东国际机场航站屋面工程中成功应用，即将惊艳亮相，相信这一“天衣无缝”的技艺会为建筑师的创作提供更多的可能性和系统的解决方案。

建设单位： 青岛国际机场集团有限公司

建筑设计单位： 中国建筑西南设计研究院有限公司

建筑设计负责人： 陈荣锋、潘磊、邱小勇、钱方

幕墙设计团队： 中国建筑西南设计研究院有限公司建筑幕墙设计所

幕墙及金属屋面设计成员： 董彪、殷兵利、李铭、罗建成、陈恩莉、赵鑫、洗庆军、陈昭焕、曾浩、苗旺、付小辉、张瑜、王进、李涛

施工单位： 中建二局安装（深圳）有限公司、北京启厦建筑科技有限公司

建筑面积： 47.8万㎡

竣工时间： 2020年7月