具有發(fā)展前途的節(jié)能型屋面——倒置式屋面

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【摘要】傳統(tǒng)的屋面工程施工是正鋪式，倒置式屋面是將憎水性保溫材料設(shè)置在防水層之上的屋面。介紹了倒置式屋面構(gòu)造上、節(jié)能性、施工上的優(yōu)越性以及對材料性能要求高、返修困難等特點對倒置屋面的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點進行了闡述，這無論從建筑節(jié)能或是改善屋面的防水功能都是非常有益的，并對其應(yīng)用前景進行了展望。

【關(guān)鍵詞】倒置式屋面、保溫隔熱、防水、節(jié)能構(gòu)造設(shè)計、發(fā)展前景
【Summary】The traditional roofing construction is a shop, upside-down roofing is hydrophobic insulation materials in the roof above the waterproof layer. Introduces the structural type of roof, energy conservation, the advantages and the construction of high performance requirements and repairing materials for the difficulty of characteristics of the main roof structure design is expounded, and the energy-saving building or improved from the roof waterproof function are very useful, and its application prospect.
【Keywords】Upside-down roofing, thermal insulation, waterproof,  energy-saving ,
design of structure and development prospects
一、前言
現(xiàn)在在不斷改進建筑外墻、門窗的保溫性能同時，提高屋面的保溫性能也是建筑節(jié)能的重要方面，可以肯定的說，倒置式屋面是比較完善的構(gòu)造屋面，在將來的住宅中占有主導(dǎo)地位。目前雖然倒置式屋面是比較嫻熟的一項技術(shù)，比廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，但仍有些地方需要改進。在這篇文章中我從倒置式屋面的發(fā)展及特點、應(yīng)用時應(yīng)注意的問題、節(jié)能構(gòu)造設(shè)計、發(fā)展前景等幾個發(fā)面對倒置式屋面進行全面的分析，對其有了更深入的了解。以下就是我的觀點和看法。
二、概念的提出
一般在改進屋面結(jié)構(gòu)的同時，將屋面防水與保溫隔熱同時考慮，是解決屋面保溫措施常用的方法。屋面的防水保溫質(zhì)量直接影響建筑物的使用功能和壽命，但很長時間以來，屋面的保溫材料和構(gòu)造一直沒有得到很好的解決，頂層房間冬冷夏熱，不僅影響人們居生活的舒適程度，而且也不利于建筑節(jié)能[1]。另外，當(dāng)保溫層受潮之后，保溫材料的隔熱性能也隨之下降，通常防水材料直接暴露在外，缺乏剛性保護，容易受到紫外輻射氣候條件和外力沖擊發(fā)生破裂。因此，選擇好保溫材料，設(shè)計好屋面構(gòu)造，把屋面防水與保溫隔熱綜臺進行考慮，倒置式屋面的做法傳統(tǒng)屋面的做法如何設(shè)計一種新的屋面施工方案以保證防水保溫材料功能的最大發(fā)揮，是解決節(jié)能屋面的關(guān)鍵，成為了業(yè)界關(guān)注的焦點問題。
如圖1和圖2所示，所謂倒置式屋面是相對于傳統(tǒng)的正鋪式屋面而言的，《屋面工程技術(shù)規(guī)范》GB50207-2002中規(guī)定：倒置屋面即是“憎水性保溫材料設(shè)置在防水層上的屋面”[2]，防水 層采用卷材與涂料復(fù)合，并使保溫層和保溫層上的剛性保護層均具有防水能力。
三、倒置式屋面的發(fā)展及特點
倒置式屋面自1951年首次在美國試用，距今已有半個多世紀(jì)。從1966年開始倒置屋面以其良好的結(jié)構(gòu)性能得到大面積推廣應(yīng)用，先后在德國英國和日本等國家的重要建筑物上得到應(yīng)用，我國正式引進倒置屋面是在1974年，由長春構(gòu)建公司首先采用瀝青膨脹珍珠巖作為保溫層進行施工成功，隨后北京、江蘇等地區(qū)得到大范圍應(yīng)用[3]。與傳統(tǒng)正鋪式屋面相比，倒置式屋面是將保溫層設(shè)置在防水層之上的屋面，它與傳統(tǒng)做法的屋面相比具有以下特性：可以大幅度降低防水層與屋面結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力，避免防水層產(chǎn)生由溫度變化引起的早期破壞，從而提高其使用年限；可以充分發(fā)揮保溫隔熱層的節(jié)能作用，改善房屋的使用功能等。構(gòu)造上、節(jié)能性、施工上的優(yōu)越性有以下幾點：
第一、保溫層對防水層的保護作用：經(jīng)實測，當(dāng)采用傳統(tǒng)式屋面時，防水層表面夏冬季的溫差值高達80℃左右，在這種高溫與劇冷交替反復(fù)作用下，顯然會影響防水層的使用壽命。而當(dāng)采用倒置式屋面時，由于保溫層的隔熱作用，可使防水層的夏冬季溫差保持15℃左右，對防水層的隔熱保護作用十分顯著。
第二、減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生：在現(xiàn)代建筑中，屋蓋絕大部分采用鋼筋混凝土板，倒置式屋面對降低屋面結(jié)構(gòu)砼熱應(yīng)力將產(chǎn)生良好的效果。由于砼板同時受柱子、墻壁等所約束，在受變化的室外氣溫、太陽輻射等影響時，砼板的溫度發(fā)生很大變化，并使板熱脹冷縮，板的伸縮將使得在以受約束部分為中心處產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)采用倒置式屋面時，由于受上層保溫材料的作用，使得砼板表面溫度變化很小，夏冬季受熱溫差值僅為8℃左右，這么小的溫度變化，將降低屋面結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力，從而減小了防水層由于受屋面熱應(yīng)力的破壞而產(chǎn)生的滲漏。
第三、隔熱節(jié)能性突出：由于材料本身良好的保溫隔熱性能，加之密實的防水層也會對隔熱功能有貢獻，使得室內(nèi)熱容量增大，蓄熱量增加，提高了室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量，降低了空調(diào)和供暖設(shè)備的高能耗。另外采用倒置式屋面，可使實際水蒸氣壓力低于飽和水蒸氣壓力，因而可減少屋面結(jié)露和內(nèi)部結(jié)露區(qū)域，從而減少了能耗[4]。
第四、對混凝土板有一定的保護作用：砼板在不同的保溫方式時，隨著溫度的變化，板的上下界面將產(chǎn)生不同的彎曲應(yīng)力。通過計算，當(dāng)采用倒置式屋面時，砼板內(nèi)的彎 曲應(yīng)力大大減小，避免了砼內(nèi)部自身的損耗。因此從保護砼本體的觀點出發(fā)，倒置屋面也是一種較好的實用技術(shù)。
第五、有利于保持屋頂房間的熱穩(wěn)定性：當(dāng)采用倒置式屋面時，通過對屋面結(jié)構(gòu)砼板底面處的溫度與設(shè)定的室內(nèi)溫度作比較，則砼板底面處的溫度無論在夏季還是冬季，溫差值僅為2.0℃左右。即由于采用倒置式屋面，使室內(nèi)熱容量增大，蓄熱量增加，從而使供暖負(fù)荷更為均勻，室溫波動減小，提高了室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量，有利于保持夏冬季室溫的相對穩(wěn)定性 。
第六、減少屋面熱橋現(xiàn)象的產(chǎn)生 ：在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)建筑中，熱橋耗熱量約占整體建筑耗熱量的3％～5％，在節(jié)能建筑中約占20％。在屋面結(jié)構(gòu)中，無論在哪個層面，只要水蒸汽壓力大于飽和水蒸汽壓力，可使屋面防水層起鼓或被破壞。當(dāng)采用倒置式屋面時，由于保溫層的作用，可使實際水蒸汽壓力低于飽和水蒸汽壓力，因而可減步屋面結(jié)露和內(nèi)部結(jié)露區(qū)域，即熱橋現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而減少了能耗 。
第七、施工方便，效益突出：倒置式屋面與傳統(tǒng)屋面的工藝基本相似，但減少了屋面施工受天氣的影響程度，即使是在雨季也不用等待數(shù)天，待下部各層徹底干燥后才能做防水層，從而使施工速度得到提高。雖然對保溫材料要求提高了， 即使采用造價較高聚苯乙烯泡沫板，但在取消架空隔熱板后，總造價二者差別不大。另外由于保溫層良好的結(jié)構(gòu)自防水也可降低防水材料的造價，采用倒置式屋面對防水層的有效保護，延長了使用壽命，也就減少了屋面防水層的維修，對保溫層保溫性能也有改善作用由此帶來的整體，長期的經(jīng)濟效益仍然是顯著的。
同時，我們也應(yīng)該相信，倒置式屋面在大面積使用過程中，將不斷對工藝和材料進行優(yōu)化，其建筑造價還會降低，如研制的大摻量粉煤灰防水隔熱材料，其工程造價僅為聚苯乙烯泡沫板的2/3，施工工期較以前縮短1/5，目前該材料已在廊坊和北京地區(qū)得到應(yīng)用。
四、倒置式屋面應(yīng)用時應(yīng)注意的幾個問題
盡管倒置式屋面具有許多優(yōu)點，但由于施工復(fù)雜對保溫材料材質(zhì)要求較高及工程造價高等，所以此屋面在解決保溫隔熱與防水技術(shù)問題的同時。還應(yīng)解決以下幾個問題 ：
第一、外飾面防水防潮比較困難。把保溫材料層設(shè)置在防水層之上，則對保溫層上的保護層材料應(yīng)有一定的要求，這層材料應(yīng)具有防水、防潮的功能，還應(yīng)經(jīng)得起太陽輻射和大氣污染的考驗。我國近幾年研究以巖棉板和聚苯乙烯板做外保溫材料，而用鋼纖維砼做保護兼飾面層已取得了成功。另外，還有幾種防水涂料也已問世，應(yīng)用效果也較好。
第二、應(yīng)注意控制保溫層的含水率。為了提高屋面的保溫隔熱性能，盡量采用含水率低或不吸水的高效保溫材料( 如聚苯乙烯、聚乙烯和聚氨酯等泡沫塑料) ， 嚴(yán)禁濕法施工或雨天施工。否則引起保溫層含水率過高，實際的保溫效果很差，與設(shè)計要求相距甚遠。
第三、保溫與隔熱時，保溫層材料性能要求高：材料的保溫性能與導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，導(dǎo)熱系數(shù)越小其保溫性能越好；材料的隔熱性能與蓄熱系數(shù)有關(guān)，蓄熱系數(shù)越大其隔熱性能越好。所以在選擇保溫層材料時，在注重材料保溫的同時，還應(yīng)兼顧到材料的隔熱作用，冬季保溫和夏季隔熱是保溫材料應(yīng)具有的兩個基本條件。保障倒置式屋面成功實施的根本在于保溫材料的選擇，由于傳統(tǒng)的保溫材料多為憎水性弱，松散狀或多孔狀。顯然，在倒置屋面中應(yīng)用傳統(tǒng)保溫材料不僅會因材料滲附水而降低其隔熱保溫性能，而且會加大設(shè)于其下防水層的壓力從而使防水材料失效機率增大。因此，作為倒置式屋面的保溫材料必須符合以下幾個條件：
1、材料導(dǎo)熱系數(shù)小,蒸氣滲透阻力大；
2、材料內(nèi)部無直通孔；
3、材料本身抗反復(fù)凍融性強；
4、材料應(yīng)用基本不受溫度限制 在條件下均可安全使用。
第四、返修困難：屋面滲漏除因材料失效外，還有施工、設(shè)計等諸多影響因素，所以對屋面進行防水維修也成為經(jīng)常性的事務(wù)，傳統(tǒng)屋面雖然滲漏率高，但其滲漏點易找的特點大大加快了維修進度，而采用倒置屋面施工時，一旦出現(xiàn)屋面滲漏需要對其維修，就會因難于判斷滲漏點的位置而無法精確修補。另外，對滲漏點的修補至少會造成局部保溫層返工，嚴(yán)重的會使整個保溫層報廢，從而帶來巨大的經(jīng)濟損失。因此，采用倒置屋面施工，防水材料的恰當(dāng)選擇設(shè)計精確和精細施工是缺一不可的。
總之，屋面是房屋建筑工程中不可缺少的重要組成部分，通常它是由承重結(jié)構(gòu)、保溫隔熱和防水技術(shù)三大部分組成，倒置式屋面在保證屋面承重結(jié)構(gòu)的前提下，在考慮屋面防水技術(shù)的同時，把屋面的保溫隔熱技術(shù)放到首要位置上。這不僅對建筑結(jié)構(gòu)的使用安全，而且對人們居住環(huán)境的舒適程度和建筑節(jié)能關(guān)系極大。大量工程實踐說明，在同等結(jié)構(gòu)、材料和施工水平條件下，保溫隔熱做得好的屋面，屋面結(jié)構(gòu)所承受的溫度應(yīng)力小。防水層出現(xiàn)空鼓、裂縫及由此而引起的屋面滲漏現(xiàn)象也少。所以，無論從建筑節(jié)能或是改善屋面防水功能的觀點看，都必須重視屋面的保溫隔熱技術(shù)。
五、倒置式屋面的節(jié)能構(gòu)造設(shè)計
（1）構(gòu)造設(shè)計
通常倒置式屋面的構(gòu)造是由結(jié)構(gòu)層、基層砂漿找平層、防水層和保溫層組成，如圖3所示。
對保溫層的保護主要有兩種形式 一是保溫層自保護方式（如圖a），這種保溫材料一般有很好的抗壓強度，可以承擔(dān)較重的負(fù)荷，具有獨立保護自身的能力；二是保溫材料本身抗壓強度低，需要依靠卵石或其它材料來起到保護作用（如圖b）。
（2）保溫
屋面保溫的目的是依靠材料本身的熱阻來切斷室內(nèi)外熱量傳導(dǎo)途徑，從而達到保持屋頂房間的熱環(huán)境穩(wěn)定性，倒置式屋面保溫材料應(yīng)優(yōu)先選用容重輕、憎水性強和導(dǎo)熱系數(shù)小的材料，目前主要應(yīng)用于保溫層的常見保溫材料有以下幾種：
瀝青膨脹珍珠巖：長期以來在我國屋面保溫層施工中獲得廣泛應(yīng)用，但由于其吸水率偏高和壽命較短，將會影響其在以后建筑屋面上的應(yīng)用。
擠壓聚苯乙烯：壓聚苯乙烯是近年來研制的新型屋面保溫材料，該材料內(nèi)部為閉孔結(jié)構(gòu)，具有極低的吸水率、耐久性強和強度高等特點，一出現(xiàn)就在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛應(yīng)用。
水泥蛭石保溫材料：該材料主要是以膨脹蛭石為骨料、水泥為膠凝材料，添加一定比例的水配制而成，抗壓強度較低。目前也已在建筑屋面保溫工程中大面積應(yīng)用[5]。
粉煤灰類保溫材料：利用粉煤灰、泡沫塑料、水泥和其它外加劑研制成的保溫隔熱材料是近年利廢節(jié)能的一個新方向，如作者研制的大摻量粉煤灰防水隔熱材料，除具有良好的隔熱性能外，還具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)自防水性能[6]。
（3）防水
防水層設(shè)計在倒置式屋面中具有重要的地位是顯而易見的，防水層的失效將會直接導(dǎo)致保溫層的虛設(shè)和重做，結(jié)合國內(nèi)外倒置式屋面防水設(shè)計經(jīng)驗，防水材料建議選用高分子防水材料或利用防水涂料進行涂膜防水。對重要的建筑物應(yīng)采用I級防水規(guī)格，進行三道復(fù)合防水或三布四涂施工，一般建筑物可選用較低檔次防水材料進行一道或二道防水進行施工[7]。
由于防水材料（含防水涂料和高分子防水材料）已商品化生產(chǎn)多年，無論在技術(shù)上還是工藝上均相當(dāng)成熟，可直接采用傳統(tǒng)正鋪式屋面防水工程中選用的防水材料，在此就不再詳細介紹了。
六、倒置式屋面應(yīng)用發(fā)展前景
倒置式屋面防水延緩了防水層的熱老化速度，減少了結(jié)構(gòu)層溫差變形對防水層的影響，延長了屋面使用壽命，且減少了施工工序、降低了成本。但是倒置式屋面在我國應(yīng)用還不是很多，其瓶頸之一是現(xiàn)在保溫材料尚不能完全適應(yīng)倒置屋面的需求，而新材料的研制又顯得較為緩慢；二是缺乏國際交流，對倒置式屋面了解不夠完全。但可以預(yù)測，隨著國際間建筑技術(shù)交流的不斷增多和新型材料的不斷涌現(xiàn)，只要精心設(shè)計，精心施工加強維護管理，倒置式屋面防水技術(shù)一定會不斷成熟，在工業(yè)與民用建筑中得到推廣應(yīng)用。
當(dāng)然我們也應(yīng)該清醒地認(rèn)識到，盡管倒置式屋面在國外和我國的港澳臺早已是相當(dāng)成熟的技術(shù)。但要在我國大面積推廣，仍有一些值得研究改進的地方，比如對屋面保溫隔熱材料強度及厚度的確定，一旦出現(xiàn)滲漏時的技術(shù)補救措施等。 另外各種不同類型、不同造型和不同風(fēng)格的住宅建筑，其屋面也會有各自的特點， 如何處理這些區(qū)別和差別，有待于科研與設(shè)計人員在推廣使用倒置式屋面的實踐中不斷地去改進和完善。
參考文獻
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