高层建筑屋面构造组合与分析

[关键词]  高层建筑;   屋面工程;  屋面构造组合;  防水;  保温

20世纪80年代,全国屋面渗漏水问题相当突出,渗漏比例高达60%左右,随着《屋面工程技术规范》GB50207-94的颁布以及新材料、新技术、新工艺的推广应用,全国性屋面质量通病已得到较好的控制。然而屋面工程不仅是一个防水的问题,还涉及到保温、隔热、节能、环保等诸多功能,这些无不与屋面构造的组合(设计)有关。

由于高层建筑设计耐久年限可达100年以上,且作用在建筑物上的各种荷载以及受自然条件的影响与一般建筑物相比差别很大,技术与质量要求更为严格。尤其是变形荷载(它是不直接以力的形式出现的一种间接荷载),如温度变化、材料的收缩和徐变、地基不均匀沉降、地面运动等,都需在屋面各构造中加以防范与协调。因此优化屋面构造组合,发挥屋面整体效应就显得十分重要。

早在10多年前,笔者即对屋面构造中存在问题及温度变形的计算方法作过介绍[1,2],但因诸多原因这些问题并未得到很好的解决。多年来笔者发现在屋面构造上常出现这样或那样的问题(这与设计人员接触工程实际较少有关),而在事后分析质量问题时又多注重材料及施工方面的缺陷,因此一般常见的设计问题屡被忽视而重复发生。为此我们愿意将这方面研究心得整理出来,供大家参考。

1　屋面构造组合原则

1•1　要体现屋面的整体效应

屋面构造层次一般分为结构层、找坡层、找平层、保温层、隔汽层、防水层、隔离层、保护层、隔热层、饰面层等,并根据各地气候条件及使用要求有所取舍。各构造层都有自己的作用和功能,按照系统工程观点,彼此之间相互依存又相互制约。在确保防水功能的前提下,还应满足结构承重、保温、隔热、节能、环保等多种功能的需要,即屋面的整体效应。这在高层建筑的商品公寓中尤显突出。例如,在过去曾普遍使用过的整体浇筑的水泥膨胀蛭石、水泥膨胀珍珠岩类保温材料,虽然材料本身的导热系数较小,但因施工中窝有大量多余水分,长期无法蒸发,因此不仅达不到计算的保温效果,且比不设保温层的屋面还要耗用更多能源。更有甚者,在夏天高温时,因温差引起的巨大蒸汽压力,又会导致防水层起鼓、开裂和渗漏水。现今新型保温材料如挤塑聚苯乙烯板、发泡聚氨酯等,在众多工程中得到应用,此问题就不复存在,但这一历史教训必须记取。值得注意的是,为发挥屋面的整体效应,必须使结构层(含找平层)之“刚”与防水层之“柔”两者之间得到完满的统一。具体地说,首先是高层建筑的屋面结构层(实际上一般建筑也应如此)必须有足够的强度、刚度和抗裂性,并应在结构层的表面配置相应的温度筋,如有条件在混凝土施工中还可通过掺入外加剂等方法,提高混凝土的密实性和防水性(但不能视为一道防水设防)。与此同时,在混凝土施工中还应加强振捣、抹压和养护以及适当延迟拆模时间等,确保结构层混凝土不出现大于0•2mm的贯穿性裂缝,对坐落于软土地基上的高层建筑尤需采取可靠的技术措施;其次是防水层的设置应根据有关规范要求,采用多道防水设防,此时应优先使用卷材与涂膜相结合的柔性方案或使用多层新型防水卷材,而不宜选择对温度变形和裂缝比较敏感的细石混凝土等刚性防水材料。

1•2　各构造层次要相互匹配

屋面各构造层之间相互匹配有2层含意:①各构造层不仅要保证自己的功能,且不应危及相邻构造层的质量;②在考虑到温度变化时,由于各种材料的线膨胀系数不同,各构造层就会产生不同的变形值,加之施工时材料的收缩和徐变等影响,会在各构造层之间出现约束应力,如不加以有效防范或减少约束影响,就会产生不同程度的质量问题。为此需要解决在屋面工程中实际存在的“湿胀干缩”和“热胀冷缩”2种自然现象。“湿胀干缩”主要是由屋面找坡层、保温层以及找平层的湿作业引发的,它随龄期的增长而逐步减少。由于水泥类材料初期收缩很大,因此在下道工序施工时必须有一定的技术间歇时间。例如常见的水泥砂浆找平层,在夏天施工时2~3d即具备相当的强度,但收缩值大,如立即铺贴卷材(即便是延伸性较好的合成高分子防水卷材)会因基层开裂破坏卷材防水层而引起渗漏,且卷材与基层开裂的位置相对呼应。

“热胀冷缩”则是由屋面环境温度的变化而引起的,属周期性发生,其作用是长期的。因此对于水泥砂浆找平层,必须按一定间距(如4~6m)留设分格缝;如在卷材防水层上作水泥砂浆保护层及铺贴饰面砖时,则应在两者之间铺设隔离层,即使铺设很薄的聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)材料都会起到很好的隔离作用。值得指出,屋面找坡层目前多数采用工业废渣与水泥拌合而成。如屋面坡度为1%~2%,按通常12m流水长度计算,找坡层最高处厚度可达150~270mm(最薄处厚度设定为30mm)。如在施工过程中遇到雨水,后果不堪设想。虽然可以采取排汽措施,但是1~2年甚至更长时间内,其中多余水分无法通过汽化而逸出。找坡层中多余水分如同水泥膨胀蛭石、水泥膨胀珍珠岩保温层一样,在夏天会穿透找平层使防水层起鼓;在冬天结冰时,如屋面四周嵌固稍差,因体积膨胀引起的破坏更为严重,过去砖砌女儿墙的推裂就是最好的例证。令人不安的是,现在还没有更好的替代找坡材料,这是值得注意的。对于平屋面,其排水坡度最好由结构找坡的办法解决,以便使保温层或找平层的厚度取得一致,尤其是高层建筑的设备层屋面,更应采用结构找坡。

1•3　合理的工程造价才能有合理的使用年限

评价屋面防水设计是否合理,主要看其防水层能否达到相应的使用价值。早在1985年有关专家针对当时屋面防水工程中采用“二毡三油”沥青防水卷材中的实际情况,按照技术经济学原理分析指出:“我国目前屋面防水工程中存在着功能与成本的比值不合理的现状,即功能系数较高,而工程成本费用偏低(仅占总造价的2%~3%),这样就造成屋面的耐用年限与建筑物的寿命不相适应,以及由此带来的设计构造简陋,施工质量粗糙,屋面渗漏水严重,返工维修费用增高等弊病,并长期难以根治”[3]。现今由于大量采用新型防水材料,并按《屋面工程技术规范》进行设防,因此上述弊病已有较大改变,但其中有一点即在实际中防水工程发包价格偏低的情况还较普遍。

殊不知,只有科学的屋面构造组合、合理的工程造价,才能确保工程质量,减少维修费用,并达到合理的使用年限。这里必须指出,虽然通过不同防水材料的组合与多道设防,可以延长防水层的耐用年限,但因缺乏必要的科学试验,加之在规范中对新型防水材料的选用仅以“道”来表示,而对品种及规格不作任何界定,忽视了防水材料的等效性,使设计工作无所适从,且给不规范的防水市场留下很大的后遗症。与此同时,即使选用相同品牌与规格的防水材料,但在构造组合上也有不少值得推敲的地方。如果不掌握这方面的专业知识和相当实践经验,有时设计出的屋面构造组合,仍达不到预想的结果。

1•4　应符合可持续发展的需要

就屋面工程而言,“可持续发展”主要是坚决不用淘汰或落后的不符合环保要求的材料,改革不科学的施工陋习,减少屋面湿作业,尽可能延长屋面防水的耐用年限。同时在屋面构造组合时,应考虑屋面维修或重建的方便,减少建筑垃圾对环境的污染。

2　方案比较

北方某海滨城市有1幢100m高的双子座高级公寓建筑,按《屋面工程技术规范》要求属于Ⅱ级防水,其防水层耐用年限为15年,采用2道防水设防,其中应有1道卷材。该高层塔楼屋面设计分为保温上人屋面及保温不上人屋面2种。现以保温上人屋面为例,将原设计与修改设计方案进行比较,并提出了今后的建议方案。

3　几点看法

3•1　隔汽层如何设置隔汽层一般应设置在屋面结构层之上、保温层之下,可采用卷材或涂料按1道防水作法设计。其功能有:①阻止室内水汽从钢筋混凝土屋面结构层的裂缝或缝隙中进入保温层内,以免降低屋面热工性能;②防止保温层中的积水渗入室内,这在过去工程中并不鲜见,如北京毛主席纪念堂屋顶。但据《屋面工程技术规范》第4•3•3条的规定:“在纬度40°以北地区且室内空气湿度大于75%,或其他地区室内空气湿度常年大于80%时,保温屋面应设置隔汽层”。按此要求,高层建筑需做隔汽层的保温屋面就很少。

实际情况是很复杂的,例如整浇钢筋混凝土屋面结构层,在施工时难免有一些质量缺陷,也会发生0•1~0•2mm的常见施工裂缝,但恰恰这些细小裂缝,不仅室内水汽可以透过混凝土进入保温层内,而保温层中多余水分又会向室内渗入,这已成为不争的事实。因此在一般情况下,高层建筑的保温屋面仍宜设置隔汽层,但不应视为1道防水设防。在本文案例中,原设计的聚氨酯涂膜隔汽层置于结构及找平层上、白灰炉渣找坡层之下,在理论上是说得通的。这样虽然可以防止找坡层施工时多余水分不致向室内渗漏,但保温板长期置于潮湿的找坡层上,势必影响其保温性能。鉴于此,在修改设计中,将找平及隔汽层移至找坡层之上是比较合理的,这样不仅满足了屋面的保温功能,而且还有利于保温板铺设在坚固、平整的水泥砂浆找平层上。至于找坡层中多余水分如何排除,一方面可在施工中尽量减少水分;另一方面可在找坡中留设纵横排汽孔道,并将排汽孔置于檐口向室外排出。

3•2　保温板铺贴工艺在屋面工程设计中,仅标出保温板的种类和厚度是不够的,还应指明它的铺贴工艺。例如挤塑聚苯乙烯保温板在外墙与屋面上,因受力情况各异应有不同的铺贴工艺,照搬外墙铺贴方法显然不符合实际情况。根据我们多次摸索,在屋面施工时,挤塑聚苯乙烯保温板在水泥砂浆基面上施工,宜采用点粘或条粘法,粘结面积不少于30%。此外为了保证保温层铺贴后的整体性,防止上部水泥砂浆找平层施工后出现开裂,需在保温板的拼缝处铺设200mm宽的耐碱玻纤网格布,随后以专用聚合物砂浆粘结固定。与此同时,为使防水的基层达到坚固、平整的要求,考虑到此类聚苯板较薄,且强度较低(一般为0•1MPa),在保温板铺完后,宜在上部覆盖至少20mm厚的水泥砂浆找平层,不得省略。另外在找平层施工时,应先在保温板上涂刷1道丙烯酸类专用界面剂,等干燥后即可铺抹水泥砂浆,以利两者结合。

3•3　如何选用防水材料选用防水材料主要考虑它的防水性和抗裂性。笔者在1994年曾对沥青防水卷材、高聚物改性沥青防水卷材、合成高分子防水卷材以及多种防水涂料进行抗冲击和不透水性试验,结果表明3•5mm厚的高聚物改性沥青卷材在所有取样中,其抗冲击与不透水性不仅优于各类涂膜防水层,也比1•2mm厚的合成高分子防水卷材类好。这说明在防水性能上,其厚度起决定作用,特别是通过长期考验热法施工的沥青防水卷材屋面,其防水性是毋庸置疑的。至于防水材料的抗裂性,根据基层开裂零延伸和满粘法施工时卷材在初始开裂时有一定剥离长度的理论,给出了多种防水材料最大承受的裂缝宽度。

在各类防水卷材中,APP及SBS改性沥青卷材,虽然延伸率远小于合成高分子防水卷材,但因材料厚度的关系,其最大承受裂缝宽可达6•9mm,说明这类卷材屋面抗裂性较好。通过以上分析,高层建筑的屋面防水层一般应选择卷材作为主要防水材料,且应优先采用防水性与抗裂性较好的高聚物改性沥青防水卷材。当然有一点应该强调,高层建筑的上人屋面,由于有饰面砖等材料压在卷材防水层上,因此可不考虑大风作用在屋面上产生的负压力,所以在多数情况下卷材不必采用满粘法施工。但对立面(女儿墙)以及距泛水边800mm处、水落口周围等部位,卷材应采用满粘,而且粘结得越牢越好,确保屋面防水的可靠性。另需说明,在本文案例的修改设计中,采用SBS改性沥青卷材与涂料相结合的2道防水作法,不仅保证了防水的可靠性,而且有较长的耐用年限。较好的设计方案必须通过科学的施工工艺,才能达到优良的工程质量。为此在涂膜防水层中,应采用“二布多涂”的铺贴工艺(即底涂→网格布→中涂→网格布→面涂,涂料涂刷次数视其成膜厚度而定)。在涂膜防水层中增铺耐碱玻纤网格布,其主要原因是防止基层砂浆开裂而影响涂膜防水的质量。在此基础上,卷材防水层采用空铺法施工就无后顾之忧了。空铺法铺贴卷材,有利于抵抗屋面温度变形和防止地基不均匀沉降。

4　体会目前防水、保温材料品种繁多,性能与适用范围各异,发展与更新速度较快,且在多年建设中对不同屋面构造组合的优劣缺乏系统调查与分析,这些都给广大设计人员带来诸多不便,因此屋面工程的设计质量一直是大家议论的焦点。如稍有不慎,将给工程质量带来隐患,并造成不必要的经济损失。笔者认为,只有通过实证(包括工程实践与试验结果)和理论分析,才能使设计方案具有科学性和可操作性。除需具备较高业务素质外,还应有开拓性精神和开放性的思维,以及从工程实践中不断总结经验而获得的判断能力,因此仅靠设计人员是难以胜任的。为此再次呼吁,重大建设的防水设计项目应组织设计、施工、材料、科研等各方面、多学科的有关专家进行科学论证,这在全国性建设规模持续高涨的今天更有重要的现实意义。

参考文献:

[1]　叶琳昌.《屋面工程技术规范》执行中的几个问题.建筑防水工程渗漏实例分析[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.150-159.

[2]　叶琳昌.屋面防水工程温度变形计算方法与实例.建筑防水工程渗漏实例分析[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.160-172.

[3]　沈义,叶琳昌.略论屋面防水工程若干技术经济问题.建筑防水工程渗漏实例分析[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.408-415.

[4]　中国防水材料工业协会.建筑防水手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.381-382.