金属屋顶系统在广州南站中的应用

作者:张驰    
时间:2012-11-28 14:50:05 [收藏]
[广州南站是我国四大铁路客运枢纽之一。是武广客运专线的终点站,也是广深港客运专线和广珠城际铁路的起点站,是枢纽内最主要的客运站。其屋面总的面积约24万平方米,整体造型成南国芭蕉叶状,形状复杂,面积
    关键词:

    [摘 要]广州南站是我国四大铁路客运枢纽之一。是武广客运专线的终点站,也是广深港客运专线和广珠城际铁路的起点站,是枢纽内最主要的客运站。其屋面总的面积约24万平方米,整体造型成南国芭蕉叶状,形状复杂,面积巨大。整个屋面可分为两大系统:金属屋面系统、膜屋面系统。其设计及施工的复杂性给屋面工程的实施带来了诸多困难和新的挑战。本文从系统材料选用、设计思路、施工要点等方面介绍整个屋面主要系统的实施方案。
          [关键词]  金属屋面材料选用、钢承板系统、面板45度倾斜布置、异形扭转檐口系统、ETFE气枕、PTFE膜

    1.工程概况
          广州南站位于广州市番禺区钟村镇,距广州市中心17km,距广州市、佛山市、中山市,东莞市均在1小时车程内,处于珠江三角洲中心地带,车站不仅服务于广州市,还服务于整个珠三角地区。广州南站建成后,取代了现有广州站的地位,成为广州的铁路客运枢纽。亦是中国铁道部规划的全国铁路四大客运中心之一。车站的总建筑面积超过为37万平方米,总用钢量7.9万吨约为鸟巢的1.7倍,工程总投资130亿元人民币。整体建筑包括主站房、站台无柱雨棚、高架车场、站台下停车场,以及生产用房等。广州南站于2004年开始建设,在2010年建成并投入使用(见图1)。
     

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    图1 广州南站航拍实景


          车站屋面总面积约24万平方米。屋面采用分片叠合的造型,寓意南国的芭蕉叶,上部金属屋面板排布成45度的斜纹布置,象征叶子的脉络。由于车站高架候车室位于中央区域,整个屋面相应分成三个部分,中央屋面主要覆盖高架候车室区域,两侧屋面主要覆盖站台区域。整个屋面可分为两大系统:金属屋面系统、膜屋面系统。
          2.工程重点及难点
          工程屋面面积巨大、造型复杂、分系统众多、各系统穿插衔接复杂。在两大系统中设计及施工的重难点分别为:1)金属屋面系统构造材料的选用;屋面板45度倾斜布置的造型控制;异形扭转檐口铝板系统的造型控制;多样式吊顶板型的平整度及美观度控制。2)膜屋面系统中的膜材选用、构造设计及施工。
          3.金属屋面系统设计的着重点
          3.1金属屋面系统构造材料的选用
          广州南站作为超大的综合交通枢纽拥有24万平方的屋面面积,同时其形状非常复杂,而其站房的大体量、大空间的特点,使屋顶材料的选择对于整个建筑的使用舒适性和日常维护具有决定性意义,合理选择屋面材料,优化构造设计,最大限度发挥材料本身的效能,使建筑屋面能合理、经济地满足建筑适用、坚固、耐久、美观的基本要求。使屋面系统功能上达到防水、气密、抗风、温度变形、保温、降噪、防雷、防火、节能环保等性能的要求。根据站台雨棚及站房的各自适用要求将其构造选材分别划分,以最大发挥材料的适用性。
          站房屋面的构造材料选用(见图2)
     

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    图2  站房屋面构造效果图
     

          根据站房屋面的使用要求对屋面系统中各材料的优选最终确认的站房屋面构造层次自上而下依次为:
          (1)1.0mm厚直立锁边铝镁锰合金板,板宽400mm,肋高65mm(如图3、图4)。
     

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    图3  金属屋面板断面图

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    图4  金属屋面板实样
     


          (2)拔热反射防水膜,反射室外的热量同时具有一定的防水效果(图5)。

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    图5  膜材、保温棉铺设实样
     

    (3)100mm厚玻璃纤维保温棉,不燃性A级,具有保温隔音双重功能。杜绝外部环境造成对屋面板击打产生噪音直接传递到站房内,同时对上部铝镁锰屋面板起到支撑作用,作为面受力支撑主体杜绝铝镁锰屋面板的过大变形。

    (4)10mm 厚硅酸钙纤维板,主要为隔音要求,隔音性能大于25db,硅酸钙板自身连接缝隙与屋面保温层连接缝隙错落搭接,将室外通过屋面板传递过来的声音全部阻隔与本硅酸钙板之外,实现建筑外部的声学要求。
          (5)50mm厚玻璃纤维保温棉,主要结合硅酸钙纤维板使用。具有保温隔音双重功能。
          (6)二道防水气密层,考虑到本工程屋面对整体工程的重要性,特采取高于屋面防水规范最低要求,增设二道气密层,气密层配合拔热防水层共同将保温棉完全区域隔离状态,同时将硅酸钙板与保温棉隔离,防止可能产生的局部潮气深入下层构造,同时高耐火的性能将屋面划分成两个区域,提高屋面整体消防性能。
          (7)玻璃纤维吸音棉,铺设在钢底板的穿孔凹槽内与无纺布结合使用。对室内通过穿孔底板的声音进行吸纳消除,同时也起到对钢承板的填充补平(图6)。
     

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    图6  吸音棉铺设实样
     

    (8)1.2mm厚镀锌压型穿孔钢承板,板宽768mm,肋高113mm,腹板穿孔内衬无纺布,孔径不大于4mm,穿孔率21%-23%。屈服强度≥300N/mm2,镀锌量≥150g/m2(图7、图8)。

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      图7  钢承板断面图 


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    图8  钢承板实样
     

    采用压型钢底板作为屋面荷载的受力体系,是结合本工程充分予以考虑的。主要出于以下方面考虑:

    钢结构主檩条采用H型钢和矩形管,其上翼缘壁厚均大于15mm,且檩条间距4000mm左右,屋面可选择的结构体系有檩条式和承板式。采用檩条式屋面受力需设置主次檩条,且主檩条需要弯弧,以保证屋面整体的造型要求,同时吊顶部分也需设置主次龙骨,用钢量较大且需要与主檩条产生大量焊接,施工速度慢。而且要设置大量的施工辅助设施及材料堆放平台,成本较高(图9)。
     

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    图9  钢结构主檩条施工实景
     

    采用承板式优势较为明显:从施工效率上来讲,底板作为系统与主檩条连接的第一道工作面,通过射钉与主檩条冷连接,与主钢结构不产生焊接,大大提高施工速度;从施工安全方面分析,大面底板铺设完毕可形成上部其他系统材料安装的施工平台,施工人员在铺设完毕后的底板上可直接行走工作,后期屋面系统其他材料也可直接堆放于此底板上,在大大提高工期效率的同时,避免了高空作业带来的安全隐患;从成本造价上分析,此底板作为受力构件,不需再另设结构次檩条,相对其他构造对整体的造价有所降低(图10、图11)。
     


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    图10  钢承板安装实例图

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    11  钢承板安装完实景
     

    采用钢承板作为屋面荷载的主要受力构件,在国内大型屋面的构造受力中为首次应用。因此其板型受力性能至关重要,考虑到工程的重要性,除了对板材本身根据《冷弯薄壁型钢结构技术规范》进行理论计算外,还必须通过实验确定其荷载极限值,以确定板型具有足够的安全储备空间。根据实验数据此板型在4000mm跨度情况下,正常使用极限状态的承载能力分别为:板腹板穿孔为4.9KN/m2;板腹板不穿孔为5.98KN/m2,此数值远远大于屋面板荷载0.45 KN/m2,完全满足工程受力要求。
          (9)铝合金条形吊顶板,板宽160,板缝80mm。
          站台雨棚屋面的构造材料选用(图12)
     

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    图12  站台雨棚屋面构造效果图
     

    站台雨棚屋面构造材料相对站房有所减少。主要考虑到站台为开敞式结构,保温、隔音、吸音材料有所简化。考虑到站台雨棚的吊顶受到荷载的影响较大,站台雨棚选用了碟形板,卡扣式连接形式。除吊顶板板型外其余构造材料及要求同站房,这里不在重复罗列。
          3.2屋面板45度倾斜布置的造型控制
          整个屋面由多个单体连接而成,每个单体形状本身成双向弯曲,短方向半径大约70m左右,长方向半径大约250m左右。为满足建筑要求的芭蕉叶叶子的脉络的形状,要求屋面板在短方向半径面倾斜45度布置。由于屋面单体造型为双曲状,使得屋面板铺设异常困难,对板材及施工工艺要求较高。要满足建筑总体效果需要采取以下几点保证措施(图13)。
     

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    图13  屋面板45度倾斜布置实景


          首先以钢结构模型为建模基准,根据建筑图外轮廓标高对屋面板外表皮进行三维建模及面板的曲线分格(图14、图15)。通过分格线确认屋面板在宽度方向的扭转是否控制在板材本身的受力范围内。经放线测得屋面板的扭转偏差为8mm,作为最短40米长的屋面板完全可以满足其偏差值且不影响板得自由伸缩。

     
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    图14  屋面板局部大样图  

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    图15  单体屋面板三维曲线分格图

     

    其次根据三维模型对屋面板材进行下料及施工控制坐标点的数据给出。
          在次根据外面皮三维坐标控制点,建立从外向内标高控制的方法,通过全站仪在钢结构上确定控制点进行屋面檩条、高强铝合金支座、屋面板的测量放线(图16)。避免以钢结构为尺寸基准平行向上施工屋面的方法,防止钢构安装误差对表面形状的影响。
     

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    图16  铝合金支座测量安装实例
     

    3.3异形扭转檐口铝板系统造型控制
          本工程檐口形状复杂呈扭曲状,且面积巨大约6万平方。檐口处于人的直接视线下,其造型的平滑度及平整度直接影响到人的审美感观。为使檐口达到建筑及美观度要求在设计阶段及施工过程中给予了充分的考虑。
          设计阶段:屋面各单体檐口整体建模。以钢结构模型为基准充分考虑钢结构误差,按照檐口标高及建筑造型进行外表皮建模控制,板材下料严格按照模型取值,确保板材的精度(图17、图18、图19)。
     

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    图17  檐口节点详图  

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    图18  檐口节点效果图
     
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    图19  檐口骨架定位模型
     

    施工阶段:依据模型三维控制点对铝板骨架进行三维放线控制,保证铝板与骨架的统一性。同时在铝板安装过程中沿檐口周边通长搭设施工平台,确保板材的安装精度(图20、图21)。

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    图20  檐口施工平台
     

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     图21  檐口完成实景
     

    3.4吊顶板型的受力及美观度控制
          根据站房与站台吊顶的使用要求不同,考虑站房及站台雨棚吊顶选用两种不同形状的板形。站房吊顶大部吊挂在室内,其不受到风荷载的影响,主要从美观性考虑。而站台吊顶作用在室外,除了要受到风荷载的影响外还需要考虑高速列车通过时产生的瞬时风速的影响,主要从安全角度考虑。出于以上考虑站台选用了板材本身具有一定刚度的碟形吊顶(图22)。经计算在风荷载及火车经过时产生的瞬时风载的双重荷载叠加下,板材满足受力要求。同时还考虑设置构造防风扣件确保板材在极端受力下不会掉落,以保证火车的安全通过(图23)。
     

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    图22  雨棚吊顶板板型实例
     

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     图23吊顶板防风扣件
     

    站台吊顶选用180mm宽碟形板,板宽与板缝的比例为1:1,同时在灯槽位置流出300mm宽供灯具布置使用。为保障吊顶的平滑度在吊顶板纵向接缝处采用同颜色同形状的小板插缝连接(图24),同时考虑到整体效果必须结合灯具的位置建模后三维放线定点,预先控制好灯具的位置及板材的缝宽,以满足建筑效果的要求(图25)。
     

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    图24  站台吊顶板三维及连接大样图

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    图25  站台吊顶板局部实景

     

    站房吊顶选用160mm宽条形板,板宽与板缝的比例为1:0.5,由于吊顶板在室内不连续被罩棚的桁架梁分成N个单体,故要求各桁架梁间板缝相对一致以确保美观性。考虑到钢结构每个桁架梁间均存在误差,在板材下料过程中需现场实际测量每个桁架连间的宽度,然后在进行模型的建立,适当微调板缝,以满足整体顺滑度的要求(图26、图27)。
     


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    图26  站房吊顶板三维及连接大样图


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    图27  站房吊顶板局部实景

     

    4.膜屋面系统中的膜材选用、节点设计及施工

    膜结构是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式。是由多种高强薄膜材料(PVC或Teflon)及加强构件(钢架、钢柱或钢索)通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状,作为覆盖结构,并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。本工程根据使用要求及效果的不同在站台及站房分别采用两种不同的膜结构类型(图28)。
     

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    图28  屋面膜结构分布图


          4.1 ETFE膜材
          站房中央采光区域采用双层ETFE的气枕,位于整个车站工程的中部,面积约为16000平方米,共有气枕1182个,气枕的几何形状主要为菱形(图29)。气枕正常工作内压约为300Pa,为保证气枕内维持稳定的气压,为该项目配置5台功率为3KW的供气设备。气枕上下层将采用不同矢高进行设计,上层膜矢跨比为10~12%,下层膜矢跨比约为5%。根据建筑及结构需要,气枕上层采用250μm透明打点ETFE,下层采用250μm蓝色ETFE(图30)。
     

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    图29  菱形气枕典型大样图 

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    图30  ETFE气枕实例


          站房东西方向的进站口大罩棚及南北方向的罩棚角部均采用单层ETFE结构,面积约5000平方米。选用250μm透明打点ETFE与不锈钢锁支撑的结构(图31、图32、图33、图34)。
     

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    图31  东西罩棚ETFE单膜典型大样图

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    图32  东西罩棚ETFE单膜实样 

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    图33  罩棚角部ETFE单膜典型大样图

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    图34  罩棚角部ETFE单膜实样
     

    节点设计:根据项目特点在膜与膜交接部位采用了加设天沟的节点样式(图35)。膜材通过专用铝型材卡紧固定于天沟上表面(图36)。在铝型材下部设置了一个EPDM凝水槽,用于电化学绝缘,冷桥隔绝,接排铝合金侧边的冷凝水及上部少量可能的渗水。同时天沟的使用使膜材安装及后期维护变得更便利(图37)。

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    图35  膜节点大样图图

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    36  膜型材实样 

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    图37  膜节点实样
     

    双层ETFE膜由无数个菱形的气枕组成,各气枕间通过供气管道连接,由供气设备提供的气压来维持气枕的受力。这使得每个气枕均要与供气管道连接,为避免管道外露影响美观效果,设计时考虑将管道放置于结构的纵横网壳上部采用支撑天沟的小方管夹紧固定(图38),且供气软管调整为透明色(图39)。
     

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    图38  气枕与管道连接效果图 


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    图39  供气软管实样
     

    单层膜材在天沟部位的处理基本同双层膜材,但受力形式上不同于双层膜。而是采用不锈钢钢丝绳与膜材整体受力,在一块菱形单元内间距800mm左右的膜材上焊接一条150mm宽的ETFE膜,主膜与外贴膜就形成了一个“口袋”,钢索穿于“口袋”之内,从而可以同膜材协同工作,抵抗外荷载(图40、图41)。
     

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    图40  单层膜与钢索连接节点图  

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    图41  单层膜实样
     

    施工:中央采光带采用的结构形式为网壳拉索结构。整个网壳由纵横方向的钢方管组成无数个菱形单元(图42)。一个菱形单元即为一个膜单元(图43)。但由于每个单元均不共面,使得连接各个单元间的排水天沟在每个菱形单元的交点均布共面,这对施工提出了极高的要求。在交点焊接部位异常复杂,既要确保焊接的强度又要保证节点的防水性及施工的精度(图44、图45)。
     

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    图42  网壳拉索结构实景   

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    图43  膜单元实景

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    图44  排水沟交接区域实景 

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    图45  膜单元交点完工实景
     

    4.2 PTFE膜材:
          膜材选用:为了增强旅客在站台候车的舒适度,提高站台雨棚的防飘雨性能,在各站台(10处站台雨棚之间,即火车停靠的正上方)之间设置PTFE单层膜结构(图46、图47)。选用的PTFE透光率为15%左右,这样可以保证部分光线进入站台,同时遮挡飘雨。10处PTFE张拉膜共约10000平方米。采用3um玻璃纤维涂覆PTFE树脂永久性膜材。
     

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    图46  PTFE膜三维模型图 

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    图47  PTFE完成实景
     

    节点设计:整个单榀膜材在120米长的站台间布置。站台间膜材最大跨度16米,最小跨度6米,最大镂空处控制在2米以内,形状为椭圆形(图48)。为保证膜材向檐口两侧的天沟导水,膜材在钢桁架16米跨度中部必须起拱,将跨度内的椭圆形镂空一分为二。根据计算中部起拱高度控制在1.3米,两端高度控制在0.7米(图49、图50、图51)。
     

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    图48  PTFE膜材局部大样图  

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    图49  PTFE膜起拱节点图

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    图50  PTFE边缘节点图     

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    图51  PTFE中间节点图
     

    5.施工保障措施

          广州南站作为大型综合性屋面系统工程,其形状复杂、工程量巨大、各专业穿插众多、工期时间紧迫。施工上必须采取统筹方法,合理安排工序,协调各工种配合施工。因此为确保工程质量及工期,保证施工顺利进行及后续顺利验收合格,必须具备优良的施工保障措施。
          5.1金属屋面、檐口、吊顶的造型控制施工测量保障异常重要。在这些部位施工测量人员必须按照深化设计人员提供的三位坐标控制点进行打点放线,确保每个点位在钢结构上精确标示。如遇到钢结构偏差较大导致建筑物外轮廓不能平滑过渡的情况应及时反馈给深化设计人员进行调整。因屋面板45度斜铺在施工时特别要注意其支座的定位方向,保证屋面板与支座平行,支座的高度误差应控制在±2mm内,水平误差控制在±2mm内(图52)。以确保其安装精度满足《屋面工程质量验收规范》的要求。
     

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    图52  支座定位精度控制要求
     

          5.2近年来在建屋面发生火灾的事故较为平凡,除了材料选择不当外绝大多数因为施工防火措施不当。鉴于本工程的重要性必须设置多道防火保障措施。在焊接钢龙骨时应设置兜火篮,防止焊渣跌落造成火灾。屋面板焊接前确认周边是否有可燃材料,同时在焊接线的底部设置防火钢板。在做好施工措施的同时还要做好管理工作。落实专人负责明火控制,杜绝现场吸烟、用电等明火的产生。实行焊接动火等审批制度。落实旁站监督,并配备灭火设备。正是因为这些措施实施的保障到位,本工程在屋面施工期间未发生任何火灾隐患。
          5.3合理安排各专业作业工序。保温棉的铺设需与屋面板同步进行,确保当天保温棉铺设区域全部铺设屋面板,防止雨天引起保温棉失效。对铺设的屋面板进行当天锁边咬合,并且对边缘区域进行抗风临时固定,防止夜间起风导致屋面板掀开,造成不必要的损失。天窗骨架等焊接节点的施工必须在屋面保温棉铺设前铺设完毕,避免构件焊接与棉的铺设交叉施工,防止施工火灾的发生。天窗玻璃必须在泛水板安装之前施工完。避免天窗玻璃安装对周边屋面板与泛水板的踩踏,造成局部积水及漏水的隐患。
          5.4必须做好屋面的成品保护。屋面板安装完毕后如在屋面板上进行材料搬运需通过专用扣件在屋面板上设置安装走道,防止对屋面板的踩踏(图53、图54)。屋面材料的起吊屋面需设置堆料平台,防止材料堆放对屋面造成的破坏。屋面材料的安装过程中应防止重型工具的跌落对屋面造成的破坏。
     

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    图53  屋面安装走道平台 
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    图54  屋面专扣件实例
     

    6.结语
          广州南站金属屋面工程从09年7月份进场施工到10年5月份完工验收,共历时10个月的时间,完成屋面板施工14.8万平方,完成膜屋面施工3.2万平方,完成檐口装饰板6万平方,总计24万平方。现工程已经投入运营1年多,屋面各系统运行良好,得到了业主、设计方、铁道部的认可。本文的案例表明,金属屋顶系统在选材得当、设计合理、施工有序的条件下具有广泛的应用前景。

    参考文献
          [1]  屋面工程技术规范(GB50345-2004)
          [2]  屋面工程质量验收规范(GB50207-2002)
          [3]  钢结构设计规范(GB50017-2003)中国建筑工业出版社2003
          [4]  建筑结构荷载规范(GB50009-2001)中国建筑工业出版社 2001
          [5]  膜结构设计规程(CECS 158:2004)
          [6]  欧洲设计规程《织物覆盖永久性建筑设计的建议》1998
          [7]  广州南站屋面系统使用材料专题报告,铁道第四勘察设计院 FSDI、北京市建筑设计研究院 BIAD、英国TFP设计公司 TFP2009

          作者简介:
          张驰(1980-),男,哈尔滨工业大学毕业,工程师,主要从事钢结构金属屋面系统设计。现任上海精锐金属建筑系统有限公司设计部经理。E-mail:[email protected]
     


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