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坡屋面工程的几个问题

时间:2012-12-25 16:13:38 来源: 作者:
    国标《坡屋面工程技术规范》(GB50693-2011)已经被建设部批准,现以个人观点谈论一些问题。作为一家之言引发争论,但可会对坡屋面这一屋顶形式产生更深的认识,有利于建筑师的设计,也有益于防水材料的生产,创新和发展。
1 坡屋面的定义
    规范解释说:“坡度大于3%的屋面”叫坡屋面,言外之意小于3%的屋面叫平屋面。曾有人说:“凡是有坡的屋面都叫坡屋面”,如果此定义存在,那么几乎没有平屋面了。显然不合适。我们说平与坡是相对而言的,凡是有降雨的地区屋面都是有坡的,不能因有坡都叫坡屋面。
    坡屋面的定义有两点。一是人在大于3%的屋面上作业生产、健身活动感到不方便和不舒服。若小于3%的坡度就没有上述现象。其二防水材料的限制,金属板可以勉强做到5%坡度的屋面防水,小块的瓦适应的坡度可大于30%。唯有防水卷材可以作3%的屋面坡度,故以3%为界。
2 坡屋面防水耐用年限应该分几级
    制约防水等级的因素,一是防水材料性能的制约,如塑料瓦一般外观美丽、重量轻,施工方便,但耐久年限短,五六年开始老化。金属板材块大,重量轻,施工速度快,但大部分板材易锈蚀,十年就更换,造价高。随气温变化,胀缩量大,节点部位因频繁的胀缩而过早的失去防水作用。类似上述材料如何达到20余年的耐久年限呢,再以小块粘土瓦、重量大、外观粗糙,烧制浪费土地和能源,运输费用高、30m以上的跨度屋顶不能用。但是粘土瓦耐久年限长,可以百年不坏,甚至达五、六百年之久。可否用作一级建筑呢? 建筑师不会用在侯机楼、博物馆、运动馆的屋顶上。防水材料的耐用年限和坡屋面的要求矛盾。
    二是防水等级受其他因素制约,如防水垫层的推荐和应用,将成为防水等级的重要因素。防水垫层做得好,可以保证规定的年限,甚至屋面瓦成为装饰物。再是屋面坡度的作用,如屋面坡度达50%,排水通畅速度快,屋面不存积水,就可大减渗漏几率。还有屋面抗风揭和抗地震的措施作的好,也有利延长耐久年限。
规范规定一级建筑耐久年限为20年,二级建筑耐久年限10年,显然短了些。
3 引入防水垫层的意义
    防水垫层的构造不是新发明,自古有之。只是没有明确提出这个名词,古书上也没有阐释它的防水重要性,而在构造上确是非常重视的。以明清建筑为例,防水垫层的构造四层之多,一是青灰护板(望板)、灰背、青灰背、油满(用桐油熬制而成),然后白灰泥卧瓦。总厚度达15㎝,都有防水能力,达到多层复合防水的功能。故数百年不渗漏,这就是防水垫层的作用。
    国外瓦屋面下的防水垫层与平屋面的防水层等同,就是一道防水层,如果瓦也算做一道防水层,那么瓦屋面系为二道防水设防。如果防水之责完全由防水垫层承担,那么瓦退居屋面为装饰层。而今中国仍然把瓦视为一道防水层,防水垫层作为瓦的辅助防水层,或者说是次防水层,从防水材料的厚度及性能指标,都略低于平屋面的防水材料,这是国情的原因吧。 
     瓦是有搭接逢的构造防水,防水垫层是无缝的全封闭防水,二者结合互补其短,发挥其长,屋面防水效果更高效。
    防水垫层除了防水之外,它还起到填平补齐的功能。因为基层不平影响挂瓦的平整度,导致瓦缝大小不一,成为漏水的隐患。
4 坡屋面构造复杂
坡屋面防水材料繁多
(1)瓦材:形状分为弧形瓦、平板瓦、S型瓦、三折瓦、W型瓦、方圆瓦和沟槽平瓦等。按材质分为粘土瓦、竹木瓦、金属瓦、水泥瓦、塑料瓦、片石瓦、沥青瓦等。因为材质不同,构造有别,瓦形不同构造回异。再是屋面异形部位必须用异形瓦以相适应,一种瓦形是做不成屋面的,诸如屋脊、檐口、天窗、檐角、天沟及出屋面管道、上人孔和设备等,无不以异形瓦来补充救驾。
(2)沥青瓦有点像瓦,实是沥青片材,生产时将沥青卷材切割成小块,施工时再把小块的沥青卷材片上下搭压,搭接缝鳞次节比,犹如瓦之外观。从科学技术观点来说,小块瓦向大块发展,构造防水向全封闭方向发展。沥青瓦硬是把卷材切成小块,本可以全封闭防水,而沥青瓦却反其道而行之,又回到构造防水的阶段上,实在是返祖现象的行为。尽管如此,坡屋面规范不得不增加沥青瓦一章。
(3)波形瓦每块面积较大,常是块瓦的十数倍,坡形有大中小三种瓦,材质有水泥波形瓦、塑料波形瓦、金属波形瓦、和沥青波形瓦多种。因瓦块面积大,施工速度快,自重较轻,可以用于大跨度的工业建筑屋顶。由于薄而大,只能上下两边钉与檩结合,承受风荷大,被风揭起事故屡有发生。
(4)金属板材是合金制成的大型板材,有单层压型板和保温夹芯板两大类。宽500~600㎜,长可数十米。施工时左右边咬合,系为有缝连接。两端为搭接,也可对接。由于重量轻,又可大跨度、施工快,外观光洁,广泛用于大跨度的工业厂房和大型民用建筑,但是缺点也必须重视的,例如金属板热胀冷缩的变化率大,侧边咬合构造时有发生漏水,似乎司空见惯了。再是锈蚀也是致命的,大部分的金属板寿命仅十年。金属板材除作为防水层之外,还可以做望板用,这是金属板材用武之地,是其他板材不可替代的。防水构造完全不同于其他防水材料,具有自己独立的作法。
(5)防水卷材。用于平屋面的防水卷材,都可以作坡屋面防水之用。它可以不受屋面坡度的制约,从00度到900的坡都可以。防水卷材作全封闭防水,彻底排除构造防水的缺点,允许在屋面上积水。防水卷材的节点构造简单,易操作,与瓦材、金属板材比,具有俨然不同的构造作法。防水卷材用在坡屋面的有改性沥青防水卷材、三元乙丙橡胶防水卷材、聚氯乙烯防水卷材等。
以上列举五大类防水材料,每类材料各具特点,对于屋面坡度大小、气候特点、屋面的功能要求都不一样,必须考虑有无保温层、防水垫层、隔汽层、隔音层、吸音层和防火防风等要求。可以盖言之,就选用防水材料一项,足以使你眼花缭乱,至于每类材料的细部节点更是纷繁。
5 坡屋面防水构造复杂
    防水构造复杂是因为结构和屋顶形式的复杂,所以必然导致防水作法复杂化。以屋脊为例:有正脊、斜脊、圆脊、出脊(凸出)、墙脊、通风脊和封闭脊等,每种屋脊的防水构造大不相同,须采用多种构件配件结合,又粘又钉加嵌缝材料,才能完成。再以斜天沟而言,沟底必须用防水卷材或铁皮作无缝连接,块瓦伸入天沟。如果沥青瓦防水,就有天沟三做法:搭接式、编织式、和敞开式,只有技工才能操作。再有出屋面设施,不同的防水材料,作法大相径庭。至于抗风揭构造、防檐口冰坝产生、屋面防火、瓦材防滑、金属板防胀缩、及防雷和雨雹噪音等,都不是容易解决的。而在平屋面工程中几乎没有这些麻烦。
6 不同的防水材料要求不同的屋面坡度
    防水材料除柔性防水卷材外,余者都是有逢搭接,依据水向下流的物理原理,屋面作坡,坡越大排水越快。为此根据不同防水材料确定允许最小坡度,否则雨水倒灌造成渗漏。
块瓦要求屋面最小坡度:30%
沥青瓦、波形瓦屋面最小坡度:20%
压型钢板要求屋面最小坡度:5%
柔性防水卷材适应屋面任何坡度。
坡屋面与平屋面对比而言,平屋面只要求2%的排水坡即可,而在檐沟、天沟、1%也可以。这是因为防水卷材的研制,做全封闭防水,大大的减化了构造。
    必须充分认识屋面坡度大小,具有决定意义。不仅依坡度选择防水材料,对于保温材料的选用与排气、通风、防滑及施工维修时的安全问题,还有在室内如何作天花板、防结露等都有不同的相应设计。
7 承重结构多样导致防水做法复杂
    防水层、防水垫层、保温层以及顺水条、挂瓦条等都由望板承托。望板又有多种材质及不同的板型,材质不同如木望板、金属板、钢筋混凝土望板、挤塑望板和坡形瓦望板。上述多道层次必须依望板而定,这就复杂化了。
    望板又由屋架承托,屋架和檩条又有多种形式和材质,望板又要根据屋架和檩条选择,这又加一层复杂。如轻钢屋架,不能用混凝土望板。压形钢板望板,不应选择粘土块或石板瓦。保温材料也不能选加气混凝土块。屋面荷载很轻,必须考虑防风揭,保温材料要防滑。轻型望板对接缝易透湿汽、降低保温功能,还要求保温材料不燃或难燃。
8 为什么编制坡屋面工程技术规范
    自建国以来,凡六十余年,我国尚未有全面的统一的坡屋面工程的规范。仅有较单一的琉璃瓦的屋面作法。这是有局限的,唯皇家用的而不用于广大的民间建筑。民国年代有小青瓦的地方作法,但不算规范。近些年出现不少特色的瓦材,并有说明书。虽然可以指导设计与施工,仍然是单一产品的作法,不具有规范的功能。所以国家应有全面的统一的有权威的规范,这是编制规范的理由之一。
    改革开放以来,建筑事业大发展,大小城市建造了数以万计的低层别墅。坡屋顶用在低层建筑上,比较美观,再加坡屋顶之形像在几千年的时间里渗透到内心深处,认为坡屋顶是天经地义的不能改变的最好形式。于是坡屋顶红火起来,不仅低层房屋是坡屋顶,多层或高层也都要带上帽子,甚至把几十年前的平屋顶改成坡屋顶。一城这样做,天下都效仿,盲目紧跟,一哄而上。由于坡屋顶大发展,各地为了应对工程自编坡屋顶工程作法,地区不同、作法不一,各唱各的。为了统一作法,应该编制全国统一的规范。这是编制规范的理由之二。
    《屋面工程技术规范》第十章“瓦屋面”,仅用了很少的条文规定了三种瓦材的设计施工要求,因含该盖内容太少,不能全面的指导选材、设计及施工操作的要求。忽视了坡屋顶的复杂性,简言之坡屋面的内容应是平屋面工程内容的五倍还多。假如把琉璃瓦屋顶、小青瓦屋顶、竹木瓦屋顶、片石屋顶、茅草屋顶、三合土泥刚性坡屋顶等编入,不知增加多少内容。为了规范具有先进性,删去多种防水材料的内容。这是编制规范的理由之三。
    新中国成立之后,建筑师们深知平屋面从结构设计、防水作法,节省建筑材料及施工,都比坡屋面简单的多,应是弃旧立新的屋顶形式。学生在大学里的课程,坡屋面的不多,许多大学生对坡屋面的设计知识较浅,屋架的力学计算,细部节点设计,很不熟悉。至于屋面的防水更是知之了了。然而坡屋面又“走红”,为此为应对年轻的设计师们,编制坡屋面工程规范是必要的,这是理由之四。
9 为什么有些坡屋面防水材料未入规范
    主要原因是材质落后、用量少,不是量大面广的材料。举例如下:
稻草屋面,虽然保温、隔热,防雨尚可,但耐久性差,五六年就会发霉腐烂、虫蛀、火患,又不宜开天窗,所以不应入规范。
    琉璃瓦是为古建筑维修用的,量极小且古建筑公司有标准,我们对古建筑知之甚少,即便订出十条八条来也不中用,不入规范为好。
    小青瓦在一些地区尚存,由于瓦块面积太小,且铺砌后的荷载大,约近200kg∕㎡,渗漏率较高,当 系为落后产品,不能入规范。
    竹木瓦遇水变形、裂缝、朽腐、不防火、木材少、竹瓦块小、故不能入规范。
    铜铁瓦易锈蚀、胀缩大,极其少,更不能入规范。
刚性坡屋面荷载大,既不能上人,又不美观,不入规范。
10平屋面改坡屋面
    既有建筑是平屋面,为了某种原因改为坡屋面,简称平改坡。规范最后一章规定了五条内容,这五条是蜻蜓点水,很难依照去设计和施工。平改破工程是以原具备的保温防水的屋面,再加一层坡屋顶,其难度比新设计还难。如架设屋架必须设圈梁和伏地梁;原建檐沟能否利用还是重新做檐沟,出屋面上人孔和排气管道、避雷设施、屋脊和斜天沟、天窗等;还要考虑光伏设施的安装、检修、安全护栏以及原建筑的承载核算等。总之花钱多、施工难度大,是劳民伤财的最笨的举措。
    屋顶形式的发展方向是平屋面为主的多功能利用,坡屋顶尤其是瓦屋面,它已经完成了历史使命了,该退休了,某些人墨守陈规,要把行将就木的腐体抬到宝座上,这是蠢笨可笑的,尤其是那些盲从们更可悲。
平改坡技术上复杂、罗嗦、费时,自找麻烦,返祖现象。从经济造价说,平改坡每平方米超过650元,而在原平屋面上加一道防水层、一道保温层只须一百元足够。所以有人说:“大呼平改坡是别有用心的。”
这本规范把平改坡编进去,实是无奈,如果不编入它会更泛滥,凡是违背客观规律的东西,它会自生自灭,不会长寿。
    有人提出平屋面改为种植屋面,叫平改绿,这是有前途的想法。只要在原屋面上加一道耐根穿刺防水层,铺上允许厚度的种植土,种植草木蔬菜等,就可得到保温防水,改善环境的目地,这才是改造旧屋面的科学的广阔之路。也许将来有一天会“坡改绿”、“坡改平”。
11 坡屋面的前途
     编写坡屋面规范已达两年之久,对于坡屋面有了较为全面的认识,我并不因而热爱坡屋面,而是看到他的末日。任何事物都有新生,鼎盛,衰亡三个阶段,屋顶形势也不例外。五十万年前人类尚不知建造房屋,夜宿山洞,以避风雨。后来懂得在半穴上,用树枝及草搭人字屋,现在叫做天地根元造,人字屋就是坡屋顶之祖,古时叫茅屋草舍,现在山区用稻草代替茅草,草顶用了几十万年。近六七千年才创造烧结黏土瓦,以瓦代替草顶,瓦屋面形式固定下来,直至今日。
    草屋顶坡度达600,排水快,否则雨水从草逢中渗入。瓦防水比草好,屋面坡度降至300以下。瓦块越大,材质越致密,防水效果越好。
近几十年人们创造沥青瓦,瓦块面积大,屋面坡度降至120。压型钢板单块面积更大,咬合接缝比浮搁搭接防水效果好,屋面坡度降至50。防水卷材的诞生,由靠坡度排水才能防水的构造防水,一跃而成全封闭的材料防水,屋面坡度降至00。屋面积水若干天渗不下去,用于地下工程和水池河湖防水终年浸泡而不漏。通过防水材料的发展进步,导致屋面坡度由大变小,无可辩驳的事实证明坡屋面向平屋面发展。
从科学技术方面来看,其规律是由简单到到复杂,再由复杂到简单滚动的前进。商代的建筑很简单,秦汉时发展很快,隋唐时期的屋顶到了鼎盛时期。瓦块的大小分七种,与房屋大小配合十分恰当,异形瓦件达百种,任何部位都可满足。瓦的质量更加致密,汉瓦作砚之用。
    玻璃瓦的制作更是精美若工艺品。唐宋之后瓦材质量日落,清代加强了防水垫层的发展。如太和殿已二百余年,准备大返修屋顶,但拆除瓦之后发现“油满”、“灰背”(防水垫层)完好如现,滴水不漏的,所以又将原琉璃瓦复位。发展全封闭的防水垫层比纯用瓦防水简单而可靠,卷材防水的平屋面比瓦块防水的坡屋面更简单。所以说平屋面是坡屋面后代子孙,一点不错。如果弃简就繁是反而动之了。
从经济方面来看,坡屋面的防水面积比平屋面积大,约是1.7倍,面积大使用的防水材料多、保温材料也多,防水垫层材料也多,施工时间也长,比平屋面施工难度大,维修也困难。这样的屋面形式能延续下去吗。早些让贤,体面的养老,切勿待人人厌恶才下台。
    从屋顶功能方面来看,屋顶不再是只防风避雨。“上栋下宇、以避风雨”是七千年前的屋顶功能。现在人类社会,自然界要求屋顶多功能,把屋顶视为待开垦的宝地,建房占的土地要从屋顶上找回来,屋顶是抬高的地皮,必须充分发挥它的作用。屋顶有以下多种功能:
◆ 屋顶花园改善环境又能供居民休息;
◆ 屋顶作菜园,农作物,果树增加收入;
◆ 屋顶作太阳能发电设施基地;
◆ 屋顶可安放太阳能热水器;
◆ 屋顶作运动场,供居民健身;
◆ 屋顶可以开设茶舍;
◆ 屋顶可建露天游泳池;
◆ 屋顶可以作晾晒农作物的晒场;
◆ 屋顶可以建水生动物养殖场。
12  淘汰的防水材料和屋顶形式不绝迹
    应该说瓦块、沥青瓦、波形瓦及挤塑瓦必然没落,但大型的压型钢板坡屋面还会存在的,因为大型火车站、候机楼、大商场的跨度达百米,必须用轻质的承重结构。尽管用量少,但非它莫属,而且会有改良,走向完善。
    玻璃瓦的古建筑要保留,维修时也要用玻璃瓦,尽管数十年才用几千平米,可是没有不行。
我们也认识到传统的快瓦,为建筑业立下汉马功劳,虽然它不再辉煌,但不会短时间消失,也许数百年后还会见到,这是“死而不僵”之理吧。
13  防冰坝和防冰雪融坠
    冰雪融化成水流向檐口,因为外墙以内的屋面温度高于挑檐,冰水至屋檐处又结成冰,形成一道挡水的冰体,叫做冰坝。屋面继续融冰,水至冰坝汇积,从瓦缝反向倒流,造成渗漏。防止措施有两种方法,一是在檐口部位作全封闭防水垫层,有积水也无倒流之虞。二是在外墙以内屋面装设挡柱,冰雪不会下滑,待气温转暖,冰雪消融自然流出檐口。但这种措施做法复杂,费事,挡住穿透瓦材,须作嵌缝防水,又多一道渗水隐患。
    冰雪融坠是指冰水至檐端本可滴下来,但又结冰,如岩洞的钟乳石,久之成大块条形冰坠,时有坠落伤人。防治办法屋面种植,冰雪融化渗入种植土中,杜绝冰坠产生。
 
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