大跨度多曲面环形金属屋面施工技术

高能同步辐射光源项目工程中试验设备多、安装精度高，对屋面体系具有特殊要求，屋面呈环形布置，屋面与墙面采用弧形设计交接过渡，减少风荷载对屋面的振动，同时屋面防水要求高，不允许发生渗漏，对超长屋面温度变形要求能在屋面体系内消化适应，不能对钢结构受力体系和室内试验设备产生不利影响。

1工程概况

高能同步辐射光源项目属超大环形结构，屋面钢结构梁跨度为33~41m，径向轴线共133道，环向轴线7道。

1号装置区屋面环形布置，屋面面积约92000m ² ，从屋脊中间向两侧非对称由高到低排布，内外环两侧均设计有高低差台阶，高低不均匀，构成大屋面、小屋面连接布置，屋面与外墙交接部位环形布置，且从上到下弧度也不相同，总体屋面外形呈现环形、多曲面复杂构造形式，与周边建筑构成一体，像一把立体形状的放大镜。

1号装置区屋面体系为檩条300~350mm高矩形方钢，0.7mm厚直立锁边钢板，钢板型号为YX92–420，钢板表面为5%镀铝锌，双面镀层含量200g/m ² ，表面氟碳预辊涂，涂层总厚度不低于30μm，防水为1.5mm厚TPO防水卷材，保温为65mm+65mm厚憎水岩棉板，0.3mm厚PE隔汽膜，0.8mm厚压型镀锌钢板，双面镀锌含量275g/m ² 。

2工程重点与难点

本工程屋面金属板施工要求采用直立锁边技术，整体屋面板施工顺序沿弧形屋面进行，单板块沿坡面进行铺设，屋面与外墙之间交接部位为弧形，施工作业难度大，细部节点处理要求严密，整体屋面板保温、防水功能质量要求高，金属屋面工程的重点与难点如下。

（1）实验大厅是整个科研项目的重要场所，同步辐射光源的接收装置在大厅地坪上安装固定，实验过程需要较长的时间和稳定的环境，实验设备从安装、准备、启动、运行到结束持续时间非常长，室内封闭环境的温度要求稳定，试验大厅25℃±1℃，实验大厅内的储存环隧道内温度控制精度要求为25℃±0.1℃，因此屋面结构的安全性、完整性、稳定性对保证实验装置的正常使用具有重要的意义。

（2）环形屋面布置、屋面与外墙之间采用弧形过渡形状，1号装置区实验大厅屋面及外墙局部设计如图1所示，它采用从屋面到外墙体系多曲面构造形式，而且多曲面是有一块条状板，经过多次弯曲加工，一体成型构造，这种构造形式降低了风对屋面平面、外墙体系的外力振动，从而减少了对实验大厅内部设备的微振动影响，保证实验设备的正常运行，但对于 多曲面金属屋面施工造成了诸多困难，所以施工质量能否保证是建筑体系功能实现的关键环节。

图1 1号装置区实验大厅屋面及外墙局部效果

（3）金属屋面采用直立锁边技术，通过板与板凸起的扣式连接，保证板块连接紧密，同时扣式连接有预留允许变形缝隙，能在室外温度变化下，通过板块的微小变形，减少累积变形造成的凸起变形，导致屋面板异响，甚至变形破坏的质量隐患。

（4）实验大厅屋面为非对称双坡型，檩条布置、屋面板布置需要通过调整高度、角度，以保证檩条和屋面板的坡度正确，且屋面板需要根据环形分块进行排布，中间通过非标准宽度扇形板进行调整，以保证屋面板排布与环形轴线基本垂直，从而保证屋面板外观符合要求。

（5）实验大厅屋面与外墙交接采用弧形过渡，屋面板需通过卷边、弯弧等多道精确加工，为保证建筑总体造型，对面板加工的精度要求高。油漆是防腐和抗老化的重要保障，屋面板的成型是通过多组轮轴逐步压型，形成直立锁缝板，在压型过程中很容易造成对油漆的破坏，破坏板面或降低板的使用年限，精确的加工质量是保证质量的第一步。现场安装需根据定位做好龙骨支撑，弧形直立锁边非直线型，安装难度非常大。

（6）金属屋面防水设计为厚1.5mm的TPO卷材防水，防水施工采用焊接施工，与底部需要打钉固定，防水施工及节点处理非常重要。

3创新技术措施

3.1采用超长直立锁边板

实验大厅屋面内外环跨度33~41m，平面板数量约14000多块，超过16m长度的板数量约6900多块，单块板长度属于超长材料，如果采用工厂加工制作，超长板块场外运输极为不便，而采用多次拼接尺寸时，施工效率低，搭接部位多，材料也相应造成极大浪费。为此，将加工设备安装在现场对板材进行裁割，从屋脊到天沟檐口采用通长板，通过固定支座调整坡度，单块板一次安装到位，极大地保证了施工质量，也提高了施工效率。

3.2　研究多曲面金属屋面板的受力，克服变形对板材的不可恢复性影响

通过对屋面板的布置模型，采用模型计算软件对工程实际工况进行受力计算，三维多曲屋面板最容易出现以下问题。

（1）由于屋面双向或多向弯曲过大，出现扭曲甚至无法安装的情况。

（2）沿着屋面板侧向出现有较大的偏移，尤其是板的中部，如果出现偏移，且偏离距离过大，板要有很好的柔韧性，并可能需要将板断开。

（3）由于屋面双向弯曲，在屋面板的中部会出现橘皮效应，严重影响外观质量。

综合研究发现，若屋面板的侧弯及扭曲过大，即使利用板本身的柔韧性，并采用非科学手段强行安装（人为强行施加外力，并在安装完成后局部固定屋面板），也会破坏屋面板的受力性能及温度伸缩性能，在长期的温度应力作用下，屋面板会局部撕裂造成屋面板的漏水问题。

为解决以上金属屋面板的问题，通过建模放样得到三维屋面板线，然后取出典型部位进行分析，用程序将每块三维屋面板拍平，得出屋面板的真实平面曲线。根据双曲面两个方向的曲率，计算出屋面板的纵向及横向的弯曲及高差情况。得到所有区域的屋面板数据后，判断并验证屋面板实施的可行性，在不满足要求的位置进行调整，以达到设计要求。

对屋面与墙面交接部位弧形板进行BIM技术建模放样，单块板弧度根据上下不同弧度进行精准测量定位和放样，通过模型校核无误后，确定原材加工尺寸，裁割成船型，并采用专用加工机械，通过卷边、辊压、弯弧等多道工序，加工成需要拼装板块（带），现场进行组合拼装完成弧形安装，加工、制作、安装精度等符合要求。

3.3改造水平锁边机械以满足竖向弧形构造施工需要

常规直立锁边板多为水平施工，锁边机械沿着直立板水平行走，通过辊压挤紧过程，将相邻两块板扣式连接，在外墙立面弧形板的施工中，将锁边机械进行技术改造，将常用的4轮行走装置改为2轮，只能直线行走方式调整为单点接触方式，减少竖向行走的阻力。在机械自有动力驱动下能够沿着外立面进行行走，同时在机器上设立保险绳，解决了需要竖向弧形锁边的行走问题，也保证了机械行走的安全性。

3.4　屋脊变形缝交接部位采用单面跨接设置方式减少接头和漏水隐患

屋脊是金属板放置的交接部位，沿着屋脊方向设置有盖板，盖板采用上覆盖方式，与屋脊垂直方向有的径向有多道变形缝，为了保证变形缝能适应温度变化需要，屋脊盖板在该部位必须采取断开处理，一般是变形缝两侧盖板同时单独断开，上部再单独设置1道盖板，这样处理会造成盖板为2道接缝，且为了满足变形需要，只能对盖板一侧进行打钉固定，另一端距离变形较近，容易造成盖板翘起，存在渗漏的隐患。高能同步辐射工程屋脊采用了在交接部位直接将一侧屋脊盖板加长1?m，通过变形缝与另一侧盖板搭接，在下层盖板表面打密封胶，密封胶只做接缝防水措施，与上部盖板不进行粘接，同时盖板边缘做弯折处理，弯折长度超过下层盖板，通过跨接处理，盖板减少了接缝，也能使盖板适应变形需要，防止板端部翘曲和渗漏问题的发生。

4屋面金属板施工技术

屋面金属板采用直立锁边技术，对于大跨度多曲面造型的屋面施工，需根据屋面体系、构造做法、测量放样、材料加工、现场安装、质量验收等环节进行控制，有针对性地做好施工组织、技术措施才能实现工程施工效果符合要求。

4.1运用BIM技术结合现场做好测量和材料放样

作为大型科研装置的屋面，受到现场场地的制约，需要采用BIM技术对屋面进行模拟施工，通过模型对屋面的整体体现、构造、坡度、定位尺寸等进行精准确定，首先要对结构尺寸进行复核，与屋面设计的指标进行核对，对屋面构造支撑、边缘、板块单元划分、排布方向等进行逐一确定。其次，根据确定的屋面体系对构件进行定位，并现场进行测量放线，同时确定材料的加工尺寸，对曲面板要进行平面和立体放样。此外，通过对材料进行多道工序加工，板材的尺寸、弧度检查合格后，方可进行大面积加工制作和安装，弧形板材的安装需要现场进行精确定位，控制累计误差，做好调节板的测量定位，才能保证屋面、外墙板的安装形式符合要求，达到需要的观感质量。1号装置区屋面与外墙交接部位弧形板3种代表形式如图2所示。

图2 1号装置区屋面与外墙交接部位弧形板3种代表形式示意

（a）外檐弧板；（b）小弧板；（c）内檐弧板

4.2高精度加工降低材料允许偏差

金属屋面板在完成深化和材料确定后，金属板加工是质量控制的关键点。对于多曲面板的加工，需要通过精密的加工设备，对原材裁割，裁割要注意保护好原材的表面不允许有划痕。裁割后的板材经过锁边专用设备，对于宽度变化的板材，锁边加工要严格保证位置准确，板材中间尺寸符合要求的宽度，尺寸偏 差必须保证符合要求。最后一道加工对板材的弯折，采用专用弯折设备，提前做好弯折的起弧、半径、终弧的参数，在机械加工过程中，加工人员要随时对板材加工质量进行检查，发现问题立即分析原因，并进行整改合格再加工。

板材的弯曲加工对质量影响较大，板材厚度为0.7mm，表面为氟碳预辊涂，板材在折边后弯曲过程中，需要采用一定间距的压辊后弯曲，辊压的深度、力度、间距对板材成型效果具有决定性影响，加工前要结合板材的弯曲尺寸，做好样品和加工参数的确定，弯曲加工的板材表面不得有明显不可恢复性变形，特别是弯曲与平面交接部位，弯曲度必须平缓，不得褶皱、凹凸不平。

4.3现场安装直立锁边板的整体和局部控制措施

直立锁边板的现场安装质量控制，是关系到能否实现安装效果的重要环节。直立锁边板的安装需根据整个工程的变形缝、出入口等部位综合考虑，根据屋面、外檐间距，对板块进行分区域划分，确定好各区域边界位置，再对区域内板块进行排布。高能同步辐射光源项目1号装置区屋面伸缩缝根据主结构伸缩缝设置，屋面伸缩缝的位置位于轴线9轴、19轴、27轴、42轴、58轴、71轴、86轴、99轴、112轴、125轴，共计10处，先安装屋面板，后安装墙板，屋面板与外墙板块位置对应，实现了从上到下的流线造型。

金属屋面直立锁边板施工关键点如下。

（1）开始锁边之前，要检查锁边机的状况。当板覆盖有涂层时，必须保证锁边机滚轮的清洁以及没有毛刺。可通过检查锁边完成后屋面板卷口的尺寸判断锁边机是否正常。

（2）锁边机前进时，应派专人用脚踏上扣接位，令扣接位有良好扣接。根据支撑结构平整度，操作人员的看护锁边机可以自动运行，由看护人员在两端，而不用跟随锁边机行走，减少人员往来频率。对于不平整或弧形的屋面，则必须由操作人员照看，且操作人员必须位于已经锁边固定的板一侧。

（3）每道板锁边完成后，质量人员要进行全节点检查，检查每个固定座是否完全扣入板肋，如果没有扣和好要重新扣合。

4.4注重细部节点处理

对以往金属屋面容易发生渗漏的问题进行重点预防，特别是屋面外墙的细部节点，如变形缝、屋脊、天沟、出屋面、墙面管线等部位，采取相应的节点处理措施，以保证工程质量。

本工程屋面天沟单边总长超过5700m，为保证天沟变形与结构伸缩变形相适应，在结构变形缝的位置，对应的天沟需做断开处理。环形天沟的热胀冷缩量巨大，如果构造处理措施不能对变形量进行消化处理，将导致天沟变形，甚至导致屋面板变形破坏。根据天沟布置、长度、变形缝间距，屋面天沟每间隔25?m设置1道伸缩缝，伸缩缝宽度为100?mm，保证了变形的需要。1号装置区环形天沟变形缝构造措施如图3所示。

图3 1号装置区环形天沟变形缝构造措施示意

5结束语

通过对高能同步辐射光源项目1号装置区大跨度多曲面金属屋面施工的研究，对环形布置、大跨度、多曲面屋面金属板施工的关键技术进行了分析，细化金属屋面施工过程中的关键控制点，从对环形屋面板排布、材料加工、制作、安装、变形缝、天沟节点，特别是对影响屋面安全性、防水性、变形性的体系难点进行了技术创新，解决了非常规大型科研装置对屋盖的微振动的特殊性能技术要求，为同类工程施工提供了有益的借鉴。