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(山西路橋房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，山西 太原 030006)

引言

在我國南方地區(qū)氣候炎熱多雨，為隔熱且能及時(shí)排水，建筑頂部通常設(shè)有閣樓。上海市住宅發(fā)展局牽頭于2003年編制了《上海市多層住宅平屋面改坡屋面技術(shù)規(guī)程(試行)》，同年中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院編制了03J203《平屋面改坡屋面建筑構(gòu)造》。北方地區(qū)因受傳統(tǒng)建筑風(fēng)格、城市改造要求等的影響，設(shè)坡屋面建筑日漸增多，其中北京、大連、太原、西安等城市發(fā)展較快，對(duì)位于城市主要景觀道路兩側(cè)的已建建筑，為提高其景觀效果，改善頂層用戶的熱舒適性，在原有平屋面上增加一層坡屋面，即通常所說的“平改坡”。本文就北方地區(qū)在“平改坡”設(shè)計(jì)及工程實(shí)施過程中應(yīng)綜合考慮的因素及注意事項(xiàng)進(jìn)行分析與討論。

1 坡屋面設(shè)計(jì)

1.1 坡屋面的形式

坡屋面形式按屋面造型劃分為：懸山、硬山、歇山及曼莎四種形式；按屋面坡度劃分為：兩坡、四坡、多坡等；按屋面中部變化劃分為：插入式、錯(cuò)位式、轉(zhuǎn)角式、變寬式四種類型。在坡屋面設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)建筑造型、防水、防風(fēng)等因素而選取。

1.2 坡屋面的坡度

屋面坡度依據(jù)屋頂結(jié)構(gòu)類型、屋面基層形式、防水構(gòu)造、材料性能及地域氣候等綜合因素確定，排水坡度宜為2%～50%。坡度較大，排水順暢，屋頂面積越大，室內(nèi)空間利用率越高，但構(gòu)造要求復(fù)雜，同時(shí)建造難度較大，工程造價(jià)較高。

GB 50180—93《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)我國不同的氣候區(qū)和不同規(guī)模城市的住宅分別規(guī)定了不同的有效日照標(biāo)準(zhǔn)和最低日照時(shí)數(shù)，可根據(jù)該規(guī)范計(jì)算坡屋頂最佳傾角。

另外，屋面坡度應(yīng)滿足造型需要。建筑高度(規(guī)劃要求)為選定屋面坡度的重要指標(biāo)，考慮室內(nèi)最小凈高、美學(xué)比例等因素，坡度范圍為：15°～85°(尖頂)[1]。常見采用的五種坡度為：21.8°(1∶2.5)、26.57°(1∶2)、30°、35°和40°。

相比于南方地區(qū)，北方地區(qū)降雨量較少，屋面可選較小坡度。而冬季降雪是不可回避的問題，坡度對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有較大影響，當(dāng)屋面坡度較大，需滿足(1)式要求。

μ>tanθ

(1)

式中：μ——雪與屋面材料之間的摩擦系數(shù)；θ——屋面坡度對(duì)應(yīng)的角度。

雪花自行滑落，屋面不會(huì)積雪；反之屋面會(huì)積雪，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮雪荷載。對(duì)于降雪量較大的地區(qū)，宜采用較大坡度，可降低雪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 坡屋面的排水

屋面排水有兩種方式：無組織排水和有組織排水[2]。

1.3.1 無組織排水

在坡屋頂中采用無組織排水適用于干旱少雨地區(qū)，優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，施工快，造價(jià)低。在雨水多的地區(qū)，屋面無組織排水順坡而下，沿屋面下滑時(shí)有一個(gè)順坡助跑的過程，給匯集的雨水一個(gè)加速度，從6層左右的屋面落下，著地點(diǎn)與檐口水平距離可達(dá)2 m左右，對(duì)室外散水或地面、外墻、陽臺(tái)等損毀較嚴(yán)重。

北方地區(qū)冬季日氣溫變化較大，大雪后，特別是室內(nèi)采暖房屋，上午室外溫度還較低，屋面積雪或積冰在屋面處首先融化，大塊積雪或積冰從屋面跌落，恰好此時(shí)行人較多，極易發(fā)生屋面落冰傷人事故；而下午氣溫下降，融化的雪水又開始結(jié)冰，屋面檐口處冰掛高垂，來日氣溫上升或出現(xiàn)大風(fēng)天氣，冰掛下落同樣存在危險(xiǎn)。

因此，在干旱少雨地區(qū)可采用無組織排水，其他地區(qū)不宜采用。若建筑造型有特殊要求必須采用無組織排水時(shí)，應(yīng)采取可靠措施，如屋面加阻水帶、建筑四周設(shè)綠化帶等。

1.3.2 有組織排水

新建建筑坡屋面采用有組織排水時(shí)，按常規(guī)設(shè)計(jì)辦法考慮，建議對(duì)于冬季結(jié)冰地區(qū)，建筑物北立面的落水管應(yīng)設(shè)計(jì)在室內(nèi)，防止冬季結(jié)冰。

在北方地區(qū)為防止冬季檐口結(jié)冰，輕鋼結(jié)構(gòu)坡屋面還可采用有組織排水方式，即屋面板在檐口附近開洞寬約600 mm，利用原屋面排水，具體做法見圖1。輕鋼結(jié)構(gòu)外露之處應(yīng)采用扣彩鋼板進(jìn)行保護(hù)，以提高其耐久性。

圖1 輕鋼坡屋面排水示意圖

1.4 坡屋面的采光與通風(fēng)

在坡屋頂中，有排煙要求時(shí)，應(yīng)將排煙道延伸出坡屋面，突出屋面高度≮600 mm，煙道四周做好防水。

對(duì)于通風(fēng)換氣宜與采光綜合考慮，在坡屋面開設(shè)老虎窗，選取通風(fēng)百葉窗與普通玻璃窗組合使用(見圖2)。實(shí)現(xiàn)自然采光、通風(fēng)換氣，也解決了坡屋面的檢修通道，這也是平改坡工程中的重要裝飾部件。為最大限度利用自然通風(fēng)及采光，原建筑物窗或陽臺(tái)與老虎窗應(yīng)協(xié)調(diào)布置，采用通風(fēng)百葉窗與普通玻璃窗組合使用，通常朝南布置。

1.5 坡屋面的功能集成

近年來，隨著人們收入的增加和認(rèn)識(shí)水平的提高，改善居住環(huán)境的需求及可持續(xù)發(fā)展的理念愈來愈強(qiáng)烈。因此出現(xiàn)了在坡屋頂?shù)幕A(chǔ)上集成其他功能的做法，在制訂方案時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌考慮。

圖2 老虎窗示意圖

1.5.1 太陽能熱水器

北方地區(qū)的日照相對(duì)充足，利用坡屋面安裝太陽能熱水器可以解決建筑的洗漱熱水供應(yīng)。若在坡屋頂安裝太陽能熱水器，在屋面坡度選取時(shí)應(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐娜照战嵌燃疤柲軣崴鞯氖褂靡蟆?/p>

1.5.2 太陽能電池板

利用無污染的太陽能進(jìn)行發(fā)電，既可自用也可并網(wǎng)出售。安裝太陽能電池板的坡屋面除對(duì)坡度有要求之外，屋面板宜選用直立鎖邊的壓型鋼板，可有效解決太陽能電池板的安裝固定及其防水問題。

1.5.3 種植屋面

在坡屋頂種草，增加綠化面積，適宜于降雨量相對(duì)較多或水資源較豐富的北方地區(qū)，此時(shí)的屋面板宜選用混凝土板，面層應(yīng)防水、防滑、防植物根系刺穿等。

2 坡屋面結(jié)構(gòu)

2.1 坡屋面結(jié)構(gòu)選型

通常坡屋面按其結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)分為：剛架類、排架類、桁架類三種平面結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。桁架類結(jié)構(gòu)為無推力體系，對(duì)下部支承要求最低，因此采用較多；剛架類結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)懸挑等要求，因此在造型較為復(fù)雜的情況下應(yīng)用較多。

坡屋面按結(jié)構(gòu)材料分為：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和輕鋼結(jié)構(gòu)兩種。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)坡屋面，結(jié)構(gòu)的整體性好；斜坡梁板構(gòu)件澆筑施工難度大，質(zhì)量難保證。

輕鋼結(jié)構(gòu)坡屋面自重輕，施工簡便，尤其適用于懸挑較大或造型復(fù)雜的坡屋面，但坡度改變處構(gòu)件交匯較多，連接復(fù)雜。

關(guān)于坡屋面的結(jié)構(gòu)形式，目前輕鋼結(jié)構(gòu)采用較多，質(zhì)量穩(wěn)定。特別是在已有建筑上增加坡屋頂，采用輕鋼結(jié)構(gòu)增加的質(zhì)量一般不大于原結(jié)構(gòu)自重的5%，地基通常不需要加固。

圖3 坡屋面的結(jié)構(gòu)形式

不論采用何種結(jié)構(gòu)形式，都應(yīng)保證坡屋面的空間穩(wěn)定和自身安全，與下部結(jié)構(gòu)可靠連接。

2.2 坡屋面結(jié)構(gòu)分析

對(duì)于造型簡單、高度較小且無使用功能的坡屋面，可參照標(biāo)準(zhǔn)圖集進(jìn)行設(shè)計(jì)，但需對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。近似計(jì)算辦法可將新增坡屋面的自重附加給原建筑的頂層，對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震驗(yàn)算；按坡屋面屋脊處的高度計(jì)算風(fēng)荷載大小，將坡屋面上的水平風(fēng)荷載折算為集中力施加給原建筑的頂層，對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗風(fēng)驗(yàn)算。

對(duì)于造型復(fù)雜、但高度較小且無使用功能的坡屋面，應(yīng)對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。同時(shí)針對(duì)坡屋面中的主要承重構(gòu)件(如懸挑構(gòu)件、跨度較大或受荷較大的構(gòu)件等)及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

對(duì)于高度較大，具有使用功能的坡屋面，屬于加層范疇，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，必要時(shí)對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。此時(shí)應(yīng)將原結(jié)構(gòu)與坡屋面結(jié)構(gòu)整體建模進(jìn)行分析。

2.2.1 防風(fēng)

對(duì)坡屋面在局部風(fēng)場作用下的研究表明，屋脊、檐口受不利影響顯著，構(gòu)造應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)；屋面坡度較小時(shí)，特別是有洞口的屋面，屋面承受較大負(fù)壓，應(yīng)注意坡屋面結(jié)構(gòu)中是否桿件受力變號(hào)；處于風(fēng)荷載作用方向的挑檐，風(fēng)吸力較大，此處節(jié)點(diǎn)應(yīng)予以加強(qiáng)。

風(fēng)荷載體形系數(shù)的選?。禾糸懿糠譃轱L(fēng)吸力時(shí)，μs取-2.0；老虎窗頂部，風(fēng)荷載沿老虎窗外伸方向作用時(shí)，μs取-1.2，風(fēng)荷載垂直于老虎窗外伸方向作用時(shí)，μs按荷載規(guī)范規(guī)定取值；坡屋面如有外墻，墻角處容易出現(xiàn)錐形渦流，μs取-1.8；其他區(qū)域可按荷載規(guī)范規(guī)定取值。復(fù)雜體型的μs通過風(fēng)洞試驗(yàn)得出。坡屋面檐口，特別是帶有懸挑時(shí)風(fēng)振效應(yīng)明顯，對(duì)屋面板的連接及下部結(jié)構(gòu)來講是一種嚴(yán)峻考驗(yàn)。設(shè)計(jì)中，對(duì)屋面板的固定宜采用帶防水墊圈的鍍鋅彎鉤螺栓，緊固件的間距≯200 mm，固定的位置應(yīng)在屋面板的波峰上。下部結(jié)構(gòu)在此處節(jié)點(diǎn)應(yīng)予以加強(qiáng)，通常采用“加腋”或增加斜撐等構(gòu)造措施。

2.2.2 抗震

非結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身及其與結(jié)構(gòu)主體的連接，應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。坡屋面結(jié)構(gòu)體系應(yīng)該完整，通常構(gòu)件截面較小，盡管柱腳采用剛架，但由于桿件細(xì)長，其約束較弱。平面內(nèi)較易保證，平面外應(yīng)按相關(guān)要求設(shè)置支撐。坡屋面中挑檐長度≥2.0 m(8度)或≥1.5 m(9度)為長懸臂結(jié)構(gòu)，應(yīng)計(jì)算豎向地震作用。

2.2.3 柱腳

坡屋頂所有的荷載效應(yīng)，均是通過柱腳傳給下部原結(jié)構(gòu)，該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮承載力和耐久性兩個(gè)方面。就承載力而言，通常此處存在軸力N、剪力V、彎矩M、甚至扭矩T，設(shè)計(jì)中應(yīng)著重考慮柱腳抗拉是否滿足要求。對(duì)于輕質(zhì)屋面，在水平荷載或風(fēng)吸力的作用下，柱腳往往有較大的拉力產(chǎn)生，而拉力一般是由錨栓來傳遞；水平荷載作用下柱腳剪力較大，抗剪是否滿足要求，必要時(shí)為提高抗剪承載力，可設(shè)抗剪值。對(duì)于耐久性，主要是基于柱腳防腐考慮。因坡屋面的定期檢修較難保證，柱腳積水、結(jié)露幾率較高，通常應(yīng)采用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中外包混凝土進(jìn)行防腐保護(hù)。

3 結(jié)語

建筑坡屋頂直接影響到建筑物的使用功能、城市景觀、舒適性等，制訂方案時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌考慮功能集成、合理選取坡度、排水方式、通風(fēng)及采光；結(jié)構(gòu)分析時(shí)重點(diǎn)考慮防風(fēng)、抗震及坡屋頂與下部結(jié)構(gòu)的傳力；設(shè)計(jì)中需因地制宜，尤其是“平改坡”工程應(yīng)根據(jù)情況，合理解決水箱間、內(nèi)天井、老虎窗等相關(guān)構(gòu)造。