论文部分内容阅读
【摘 要】我于2007年暑期社会实践中，有幸参加了北京铁路局北京蒲黄榆危房改造工程的实习。实习中在有关工程师的指导下重点对《金属拱型波纹屋顶在改造工程中的应用》的课题进行了学习和研究。该工程需要更新屋顶，加固下部结构，有关方面提出几个方案，均不能达到满意的要求，最后应用了金属拱型波纹屋顶这种新型结构，通过与其他方案对照，体现出很大的优越性，并给使用单位带来了较高的经济效益。
【关键词】改造方案；金属拱型波纹屋顶；综合效益
Application of metal arch type the ripples roof is reforming in engineering
Song meng
(Chinese mineral industry university construction engineering Xuzhou Jiangsu 221008)
【Abstract】During 2007 summer season social practice, the writer attended railroad bureau Beijing Pu Huangyureformation engineering of practice. In the practice under the instruction concerning engineer particularly to 《Metal arch type the ripples roof is reforming the application in the engineering 》of the topic carried on study and research. That engineering needs to renew roof and reinforces the lower part structure, the parties concerned puts forward a few projects, all can't attain satisfied request, finally Application metals arch type the ripples roof is this kind of new structure, pass to check against with other projects, the body appears very great superiority, and brought usage unit a higher economic performance.
【Key words】Reform project; Metal arch type ripples roof; Comprehensive performance
在此次蒲黄榆危房改造中，应用了一种新型的空间钢结构-金属拱型波纹屋顶，使得工程中的许多难题迎刃而解，也使我们见识了这种空间结构的魅力及它所具有的传统结构不可比拟的优越性。
1. 工程概况
本工程位于北京市蒲黄榆铁路住宅区内，三面环绕住宅楼，一面临小区马路。建筑面积580平方米，跨度14米，长40米。原为单层砖木结构，砖墙、木屋架、瓦屋面。由于建造年代久远，房屋的寿命已无从考证，也找不到相关的建筑资料。经过常年累月的风雨侵蚀，现已存在许多病害，且表现的相当突出，木屋架、望板轻度腐朽，瓦屋面破损漏雨，已严重影响了使用功能和结构的安全性，经过技术人员的认真鉴定，决定对此房屋进行改造利用，建成大空间的菜市场。
2. 传统的设计方案及存在问题
根据北京市规划部门的要求，不可能进行整栋房屋的拆除新建，只能进行内部及屋顶的维修改造。鉴于木屋架等已危危可及而外墙尚好，决定更新屋顶结构，只对下部结构进行改造。因此，结合使用要求，提出了以下两个方案：
第一方案：拆除室内吊顶以上所有屋顶结构（含木屋架）及室内所有纵横隔墙，保留外墙为围护结构，并将外墙加高至4.5米，现浇钢筋混凝土壁柱，采用钢筋混凝土梁及预应力空心板屋盖，另做保温及卷材防水屋面。
第二方案：拆除部分同上，也保留外墙为围护结构，现浇钢筋混凝土壁柱，采用钢屋架、瓦屋面及轻钢龙骨吊顶。
随着方案的出台，接踵而来的问题也着实让人头疼，将所遇到的难题归纳为如下四点：
(1)工程造价偏高；
(2)施工复杂，周期较长；
(2)与原有结构难有良好衔接；
(4)建筑造型普通，室内净空小。
由于房屋的跨度较大，无论是对钢筋混凝土梁板还是钢屋架，都会有较高的要求，而我们的资金有限，属于单位自筹，目的就是要用最低限度的投资，来最大限度的创造经济效益。可这两个方案均需耗费大量的人力物力，施工周期也较长。换个角度，从主观方面来看，人为的影响因素也是不可忽略的，本房屋与周围住宅楼仅有十来米的间距，施工场地狭小且不必说，长时间的施工噪音，必然会引起周围居民的不满而产生纠纷；从方案本身的结构来看，新建部分与原有围护结构不能形成整体，对于单层空旷房屋的抗震十分不利，一些节点的处理也将十分复杂；从方案本身的建筑方面来看，建筑造型为平屋顶或坡屋顶，外观不够优美，也不符合商业建筑须引人注目的要求，另外，因面积较大，室内净空较小，人在里面感到压抑，影响使用效果。
问题如此之多，采用什么设计方案才能消除以上这些弊端呢？
3. 金属拱型波纹屋顶简介
要寻求解决问题的方法，首先得把思路从传统结构的桎梏中解放出来，让我们来认识一种新型结构-金属拱型波纹屋顶。
金属拱型波纹屋顶属薄壁轻型钢结构，它是由很薄的彩色镀锌钢板（0.8~1.5mm）通过金属屋顶成型机连续冷模辊压成带有横向波纹的拱型槽板，然后用自动封边机将若干这样的槽板锁缝，组成吊装单元，并吊至屋顶圈梁安装就位而成的一种屋顶结构形式。
为了使自己对这种新型结构有全面、系统的认识，我们到北京市银河金属屋顶公司，进行了详细的咨询，并认真学习了许多有关银河屋顶的技术资料。它优美的外形，梁板合一的独特优点，开阔的空间，低廉的造价，神奇的施工速度，无疑使它成为我们的首选设计方案。因为是改造工程，还必须同时考虑房屋的抗震加固。经过慎思密虑，一个全新的设计方案成熟了。
4. 确定新方案
金属屋顶是通过圈梁中的预埋件同下部结构连接。因为本屋顶的自重很轻（12~26Kg/m2）,因而,下部结构的柱子主要承受它的水平推力,通常情况下,采用钢筋混凝土圈梁和柱子比较经济。
根据这种屋顶结构的受力、制作和安装特点，确定了如下方案：拆除部分还同原方案，保留外墙作为围护结构，外墙上门窗不变，可以满足采光要求。在外墙顶现浇一道钢筋混凝土圈梁，墙外侧现浇钢筋混凝土附墙柱，柱顶与圈梁顶保持同标高，柱与圈梁、外墙紧密联结，圈梁顶预留埋件与屋盖连接，屋盖采用红色银河金属拱型波纹屋顶。如图1所示剖面图:
这个方案很象现在砌体房屋的抗震加固，柱子、圈梁、墙体之间的连接确实完全符合抗震加固的构造要求，同时承受着拱型屋顶传来的力。这样不仅增强了原来结构的整体性与稳定性，提高了抗震能力，还不必专为屋顶配置梁柱，起到了一箭双雕的作用。
需特别说明的是屋顶的保温与防水问题，金属拱型波纹屋顶结构的保温可采用拱壳内侧喷聚胺脂，1cm厚的聚胺脂可达到24cm厚砖墙的保温效果，且现场发泡而成，保温性能好，无冷桥。本设计采用了2cm厚的聚胺脂保温。另外，我这里所说的防水是指屋顶与下部圈梁的连接节点处。因屋顶镀锌彩板为锁边连接，且连接部位在屋面的高处，不会存水、渗水，故结构本身的防水性能无可挑剔，但节点处的防水若处理不好，一方面造成沿墙壁向室内渗水，另一方面积水腐蚀连接部位的角钢及预埋件，影响结构的耐久性。在本工程中，节点内侧喷聚胺脂同屋顶保温层浑然成一体，节点外侧以细石混凝土找坡，再用我段自产的海帕伦防水涂料刷两遍防水，确保这个防水的薄弱环节万无一失。(如图2所示)
5. 综合效益分析
经过精心的设计，专业的施工，一道红色的彩虹终于盘蜒于建筑群体之中，与周围的绿树灰砖相映衬，更显出它的优美姿态。在本工程中应用银河金属屋顶到底给我们带来了什么样的综合效益呢？下面我从五个方面来分析一下：
5.1 用料省、造价低。
金属波纹屋盖采用0.8~1.5mm厚镀锌钢板，实现板架合一，无需檩条、屋架等其他承重构件，具有自承重、自然防水的功能。尽管镀锌钢板的价格较昂贵，但造价仍低于同等跨度的其他屋顶形式。下面我来做一个造价对比：
计取各种费率后，屋顶造价为38万元，单方造价为678元/m2。
银河金属屋顶加聚胺脂保温在本工程中实际发生14.56万元，单方造价260元/m2。
以上数字表明，采用金属波纹屋盖与采用传统的钢屋架、瓦屋面相比，每平米竟能节省400余元，这无疑体现出巨大的经济效益。
5.2 生产效率高，建造周期短：
屋顶成型机及自动封边机全部是自动化的施工设备，专业的施工队伍每台班可制安800m2拱型板。本工程560m2的屋顶仅用了一天就全部制安完毕，它的神速简直让人难以置信，更让周围的居民咋舌称赞，最大限度减少了施工给人们生活带来的不便。
5.3 质量优，性能好：
镀锌钢板轻质高强，耐腐蚀，屋盖采用机械封边连接，气密及防水性能可靠，现场喷保温材料，施工简单。另外，由于金属波纹屋顶自重轻，因而对下部结构要求不高，梁柱不用设计的十分肥大。通常情况下，圈梁位于柱顶，将屋盖的侧推力及压力传给柱子，因为本工程为改造工程，须保留原外墙并采取加固措施，这样我就考虑了上述设计方案，在构造上使梁柱牢固连接，同样能够协调作用，整体性能更好。
5.4 施工机动、灵活：
全部材料及配件随设备安放在汽车上，可直接运往现场，制作与安装方便灵活，且不用搭设脚手架。金属屋顶是在现场将镀锌钢板压制成型，却并不需要多么开阔平整的场地，就可迅速完成金属屋顶的流水生产线。本工程的施工现场，最宽处也只有十来米，对于其他结构的施工，恐怕连材料的堆放场地都不够用，而银河金属屋顶就是在如此狭小的场地中一天完成了所有的工程量。
5.5 造型优美，空间开阔：
金属屋顶有艳丽的色泽，优美的曲线，良好的装饰性能。屋顶的矢跨比为0.2~0.3，室内无檩无梁，空间开阔，可利用屋顶自身的净空来满足建筑使用要求。考虑到房屋竣工后的商业用途，就采用了绯红的屋顶颜色，在周围以灰色为主色调的建筑群中，显得光彩夺目，散发着勃勃生机。房屋的跨度依旧是14米，那么屋顶矢高为3米，室内净高就达到了6米左右，形成了开阔明亮的空间，创造了一个良好的购物环境。
6. 金属拱型波纹屋顶的推广应用
近年来，随着我国经济建设的飞速发展和钢产量的迅速增加，轻型钢结构得到了前所未有的发展。与传统的砖木、混凝土结构相比，轻型钢结构以其轻型、高强、施工快速、造型优美等特点受到建筑界的青睐。
金属拱型波纹屋顶的应用绝不仅限于改造工程，它已广泛地被工业厂房、仓库、车库、商场、餐厅、礼堂等建筑领域所采纳，如北京市大旺食品有限公司食品生产车间、北京图书发行部、国家粮食储备库网球馆等均采用了这种屋顶结构，放眼全国范围，金属拱型波纹屋顶业已走入了许多大、中、小城市。
在实际工程中，根据工程规模大小和使用要求的不同，这些屋顶结构有单跨、双跨和多跨以及不等高跨多种形式。虽然，单一曲率的圆弧拱，限制了这种结构的建筑造型，但这并不意味着建筑师们在这种结构上没有文章可做，实际上通过不同矢跨比、不同色彩的搭配，以及屋顶采光带和下部门窗的巧妙布置，一样可以具有丰富多彩的建筑造型，更加拓宽了它的应用范围。
通过金属拱型波纹屋顶在本工程中的应用，进而看到它在各领域的广泛推广，我们认识到了其中所蕴藏的巨大的经济效益。由于此种结构从国外引进时间较短，目前我国还没有这种结构的设计及施工规程，但它所具有的应用范围广、使用寿命长等卓越优点，十分能迎合现代社会快速、高效的发展要求，越来越受到人们的喜爱。相信不久的将来，这种结构会有完善的理论分析和实验研究，在建筑市场上将具有强大的生命力和光明的应用前景。
参考文献
［1］ 刘锡良：一种新型空间结构-银河金属拱型波纹屋顶，建筑结构学报，96（4）
［2］ 赵凤花，张勇，李宗许：波纹薄壳-梁板合一的新结构，建筑工人，97（3）
［3］ 朱黎心，银河金属拱型波纹屋顶的设计，制作与安装技术，建筑知识，97（4）
［文章编号］1006-7619（2008）11-10-640
［作者简介］宋萌(1988.2- )，女，中国矿业大学建筑工程学院2006级学生。
【关键词】改造方案；金属拱型波纹屋顶；综合效益
Application of metal arch type the ripples roof is reforming in engineering
Song meng
(Chinese mineral industry university construction engineering Xuzhou Jiangsu 221008)
【Abstract】During 2007 summer season social practice, the writer attended railroad bureau Beijing Pu Huangyureformation engineering of practice. In the practice under the instruction concerning engineer particularly to 《Metal arch type the ripples roof is reforming the application in the engineering 》of the topic carried on study and research. That engineering needs to renew roof and reinforces the lower part structure, the parties concerned puts forward a few projects, all can't attain satisfied request, finally Application metals arch type the ripples roof is this kind of new structure, pass to check against with other projects, the body appears very great superiority, and brought usage unit a higher economic performance.
【Key words】Reform project; Metal arch type ripples roof; Comprehensive performance
在此次蒲黄榆危房改造中，应用了一种新型的空间钢结构-金属拱型波纹屋顶，使得工程中的许多难题迎刃而解，也使我们见识了这种空间结构的魅力及它所具有的传统结构不可比拟的优越性。
1. 工程概况
本工程位于北京市蒲黄榆铁路住宅区内，三面环绕住宅楼，一面临小区马路。建筑面积580平方米，跨度14米，长40米。原为单层砖木结构，砖墙、木屋架、瓦屋面。由于建造年代久远，房屋的寿命已无从考证，也找不到相关的建筑资料。经过常年累月的风雨侵蚀，现已存在许多病害，且表现的相当突出，木屋架、望板轻度腐朽，瓦屋面破损漏雨，已严重影响了使用功能和结构的安全性，经过技术人员的认真鉴定，决定对此房屋进行改造利用，建成大空间的菜市场。
2. 传统的设计方案及存在问题
根据北京市规划部门的要求，不可能进行整栋房屋的拆除新建，只能进行内部及屋顶的维修改造。鉴于木屋架等已危危可及而外墙尚好，决定更新屋顶结构，只对下部结构进行改造。因此，结合使用要求，提出了以下两个方案：
第一方案：拆除室内吊顶以上所有屋顶结构（含木屋架）及室内所有纵横隔墙，保留外墙为围护结构，并将外墙加高至4.5米，现浇钢筋混凝土壁柱，采用钢筋混凝土梁及预应力空心板屋盖，另做保温及卷材防水屋面。
第二方案：拆除部分同上，也保留外墙为围护结构，现浇钢筋混凝土壁柱，采用钢屋架、瓦屋面及轻钢龙骨吊顶。
随着方案的出台，接踵而来的问题也着实让人头疼，将所遇到的难题归纳为如下四点：
(1)工程造价偏高；
(2)施工复杂，周期较长；
(2)与原有结构难有良好衔接；
(4)建筑造型普通，室内净空小。
由于房屋的跨度较大，无论是对钢筋混凝土梁板还是钢屋架，都会有较高的要求，而我们的资金有限，属于单位自筹，目的就是要用最低限度的投资，来最大限度的创造经济效益。可这两个方案均需耗费大量的人力物力，施工周期也较长。换个角度，从主观方面来看，人为的影响因素也是不可忽略的，本房屋与周围住宅楼仅有十来米的间距，施工场地狭小且不必说，长时间的施工噪音，必然会引起周围居民的不满而产生纠纷；从方案本身的结构来看，新建部分与原有围护结构不能形成整体，对于单层空旷房屋的抗震十分不利，一些节点的处理也将十分复杂；从方案本身的建筑方面来看，建筑造型为平屋顶或坡屋顶，外观不够优美，也不符合商业建筑须引人注目的要求，另外，因面积较大，室内净空较小，人在里面感到压抑，影响使用效果。
问题如此之多，采用什么设计方案才能消除以上这些弊端呢？
3. 金属拱型波纹屋顶简介
要寻求解决问题的方法，首先得把思路从传统结构的桎梏中解放出来，让我们来认识一种新型结构-金属拱型波纹屋顶。
金属拱型波纹屋顶属薄壁轻型钢结构，它是由很薄的彩色镀锌钢板（0.8~1.5mm）通过金属屋顶成型机连续冷模辊压成带有横向波纹的拱型槽板，然后用自动封边机将若干这样的槽板锁缝，组成吊装单元，并吊至屋顶圈梁安装就位而成的一种屋顶结构形式。
为了使自己对这种新型结构有全面、系统的认识，我们到北京市银河金属屋顶公司，进行了详细的咨询，并认真学习了许多有关银河屋顶的技术资料。它优美的外形，梁板合一的独特优点，开阔的空间，低廉的造价，神奇的施工速度，无疑使它成为我们的首选设计方案。因为是改造工程，还必须同时考虑房屋的抗震加固。经过慎思密虑，一个全新的设计方案成熟了。
4. 确定新方案
金属屋顶是通过圈梁中的预埋件同下部结构连接。因为本屋顶的自重很轻（12~26Kg/m2）,因而,下部结构的柱子主要承受它的水平推力,通常情况下,采用钢筋混凝土圈梁和柱子比较经济。
根据这种屋顶结构的受力、制作和安装特点，确定了如下方案：拆除部分还同原方案，保留外墙作为围护结构，外墙上门窗不变，可以满足采光要求。在外墙顶现浇一道钢筋混凝土圈梁，墙外侧现浇钢筋混凝土附墙柱，柱顶与圈梁顶保持同标高，柱与圈梁、外墙紧密联结，圈梁顶预留埋件与屋盖连接，屋盖采用红色银河金属拱型波纹屋顶。如图1所示剖面图:
这个方案很象现在砌体房屋的抗震加固，柱子、圈梁、墙体之间的连接确实完全符合抗震加固的构造要求，同时承受着拱型屋顶传来的力。这样不仅增强了原来结构的整体性与稳定性，提高了抗震能力，还不必专为屋顶配置梁柱，起到了一箭双雕的作用。
需特别说明的是屋顶的保温与防水问题，金属拱型波纹屋顶结构的保温可采用拱壳内侧喷聚胺脂，1cm厚的聚胺脂可达到24cm厚砖墙的保温效果，且现场发泡而成，保温性能好，无冷桥。本设计采用了2cm厚的聚胺脂保温。另外，我这里所说的防水是指屋顶与下部圈梁的连接节点处。因屋顶镀锌彩板为锁边连接，且连接部位在屋面的高处，不会存水、渗水，故结构本身的防水性能无可挑剔，但节点处的防水若处理不好，一方面造成沿墙壁向室内渗水，另一方面积水腐蚀连接部位的角钢及预埋件，影响结构的耐久性。在本工程中，节点内侧喷聚胺脂同屋顶保温层浑然成一体，节点外侧以细石混凝土找坡，再用我段自产的海帕伦防水涂料刷两遍防水，确保这个防水的薄弱环节万无一失。(如图2所示)
5. 综合效益分析
经过精心的设计，专业的施工，一道红色的彩虹终于盘蜒于建筑群体之中，与周围的绿树灰砖相映衬，更显出它的优美姿态。在本工程中应用银河金属屋顶到底给我们带来了什么样的综合效益呢？下面我从五个方面来分析一下：
5.1 用料省、造价低。
金属波纹屋盖采用0.8~1.5mm厚镀锌钢板，实现板架合一，无需檩条、屋架等其他承重构件，具有自承重、自然防水的功能。尽管镀锌钢板的价格较昂贵，但造价仍低于同等跨度的其他屋顶形式。下面我来做一个造价对比：
计取各种费率后，屋顶造价为38万元，单方造价为678元/m2。
银河金属屋顶加聚胺脂保温在本工程中实际发生14.56万元，单方造价260元/m2。
以上数字表明，采用金属波纹屋盖与采用传统的钢屋架、瓦屋面相比，每平米竟能节省400余元，这无疑体现出巨大的经济效益。
5.2 生产效率高，建造周期短：
屋顶成型机及自动封边机全部是自动化的施工设备，专业的施工队伍每台班可制安800m2拱型板。本工程560m2的屋顶仅用了一天就全部制安完毕，它的神速简直让人难以置信，更让周围的居民咋舌称赞，最大限度减少了施工给人们生活带来的不便。
5.3 质量优，性能好：
镀锌钢板轻质高强，耐腐蚀，屋盖采用机械封边连接，气密及防水性能可靠，现场喷保温材料，施工简单。另外，由于金属波纹屋顶自重轻，因而对下部结构要求不高，梁柱不用设计的十分肥大。通常情况下，圈梁位于柱顶，将屋盖的侧推力及压力传给柱子，因为本工程为改造工程，须保留原外墙并采取加固措施，这样我就考虑了上述设计方案，在构造上使梁柱牢固连接，同样能够协调作用，整体性能更好。
5.4 施工机动、灵活：
全部材料及配件随设备安放在汽车上，可直接运往现场，制作与安装方便灵活，且不用搭设脚手架。金属屋顶是在现场将镀锌钢板压制成型，却并不需要多么开阔平整的场地，就可迅速完成金属屋顶的流水生产线。本工程的施工现场，最宽处也只有十来米，对于其他结构的施工，恐怕连材料的堆放场地都不够用，而银河金属屋顶就是在如此狭小的场地中一天完成了所有的工程量。
5.5 造型优美，空间开阔：
金属屋顶有艳丽的色泽，优美的曲线，良好的装饰性能。屋顶的矢跨比为0.2~0.3，室内无檩无梁，空间开阔，可利用屋顶自身的净空来满足建筑使用要求。考虑到房屋竣工后的商业用途，就采用了绯红的屋顶颜色，在周围以灰色为主色调的建筑群中，显得光彩夺目，散发着勃勃生机。房屋的跨度依旧是14米，那么屋顶矢高为3米，室内净高就达到了6米左右，形成了开阔明亮的空间，创造了一个良好的购物环境。
6. 金属拱型波纹屋顶的推广应用
近年来，随着我国经济建设的飞速发展和钢产量的迅速增加，轻型钢结构得到了前所未有的发展。与传统的砖木、混凝土结构相比，轻型钢结构以其轻型、高强、施工快速、造型优美等特点受到建筑界的青睐。
金属拱型波纹屋顶的应用绝不仅限于改造工程，它已广泛地被工业厂房、仓库、车库、商场、餐厅、礼堂等建筑领域所采纳，如北京市大旺食品有限公司食品生产车间、北京图书发行部、国家粮食储备库网球馆等均采用了这种屋顶结构，放眼全国范围，金属拱型波纹屋顶业已走入了许多大、中、小城市。
在实际工程中，根据工程规模大小和使用要求的不同，这些屋顶结构有单跨、双跨和多跨以及不等高跨多种形式。虽然，单一曲率的圆弧拱，限制了这种结构的建筑造型，但这并不意味着建筑师们在这种结构上没有文章可做，实际上通过不同矢跨比、不同色彩的搭配，以及屋顶采光带和下部门窗的巧妙布置，一样可以具有丰富多彩的建筑造型，更加拓宽了它的应用范围。
通过金属拱型波纹屋顶在本工程中的应用，进而看到它在各领域的广泛推广，我们认识到了其中所蕴藏的巨大的经济效益。由于此种结构从国外引进时间较短，目前我国还没有这种结构的设计及施工规程，但它所具有的应用范围广、使用寿命长等卓越优点，十分能迎合现代社会快速、高效的发展要求，越来越受到人们的喜爱。相信不久的将来，这种结构会有完善的理论分析和实验研究，在建筑市场上将具有强大的生命力和光明的应用前景。
参考文献
［1］ 刘锡良：一种新型空间结构-银河金属拱型波纹屋顶，建筑结构学报，96（4）
［2］ 赵凤花，张勇，李宗许：波纹薄壳-梁板合一的新结构，建筑工人，97（3）
［3］ 朱黎心，银河金属拱型波纹屋顶的设计，制作与安装技术，建筑知识，97（4）
［文章编号］1006-7619（2008）11-10-640
［作者简介］宋萌(1988.2- )，女，中国矿业大学建筑工程学院2006级学生。