摘要：本文简述了南京南站屋面设计过程中所遇到的主要问题和考虑解决措施，并对设计过程中的经验与教训进行总结。 关键词：站房 屋面 工程设计 中图分类号：TU231
文献标识码：B
文章编号：1004－8537(2012)03－0086－06
概述
1 主站房屋面工程概况
本工程的屋面工程分金属屋面及四角办公楼混凝土结构屋面两类，金属屋面工程包括覆盖高架候车层的主屋面工程及覆盖站台的站台雨棚屋面工程，本文主要针对主站房金属屋面部分的设计一情况进行介绍。主站房屋面水平投影面积近9.4万m2，屋面防水等级为一级，屋面板按顺坡方向布设：主站房屋面分下层(檐口标高44.800m)及上层(檐口标高57.030m)，屋面坡度方向沿四面向外单坡，其中下层屋面东西向为微曲面：下层屋面东西侧设置22处条状采光天窗，南北斗拱柱头处设置14个采光锥，上层屋面屋脊中心线上设置12处条状采光天窗及3组大型采光玻璃屋面，上下两层屋面问网架转折处设玻璃幕墙围护(图1、图2)。
典型屋面建筑构造(图4)：直立锁边金属屋面(传热系数K=0.5，防水等级一级有降噪隔音层)。
①0.9mm厚铝镁锰合金屋面板(不燃烧体)，直立锁边连接立边65/板宽400，氟碳喷涂饰面；②防水透气隔热膜(厚度≤0.6mm)；③50+50mm厚二层玻璃棉错缝搭接(燃烧性能A级)：④隔汽层(厚度≤0.6mm)；⑤9mm厚硅酸钙纤维板(不燃烧体)：⑥屋面镀锌次檩条系统(不燃烧体)：⑦50mm厚玻璃棉毡(室外侧带铝箔)(燃烧性能A级)；⑧衬无纺布防尘层(每平米铺设量不多于100g)；⑨1mm厚彩色镀锌穿孔压型钢板，腹板穿孔(不燃烧体)：⑩屋面结构网架。
2 主站房屋面工程的特点与设计难点
车站建筑按照“古城新站”的理念进行设计，采用立面为柱廊、斗拱，双重屋檐的建筑造型方案。立面造型紧紧扣住古都新站的特色主题，提炼中国传统建筑的构成元素，形成具有新古典韵味，别具一格的建筑风格。香槟色金属板屋面以南北边方正刚毅的直线配以东西边饱含力度的曲线，共同形成刚柔相济、神似传统建筑大屋顶的恢弘气势。屋顶挑棚的方正质朴，列柱空间的巍峨大气、三重藻井的空间序列，三种构成元素有机地相融为一体，给人以历史时空的纵深体验。建筑形态与城市特质的深层契合，最终赋予建筑浓厚的地域风格和独特气质。主站房屋面作为建筑主要构成元素之一，方案效果的实现程度对最终的建筑效果有着重要的影响。
南京南站作为大型交通枢纽建筑，主站房屋面工程涉及到金属屋面系统、檐口蜂窝铝板幕墙系统、屋面天窗及幕墙系统、天沟及虹吸雨水系统、马道及清洁检修系统、结构网架系统、室内吊顶及遮阳、室内外照明系统、消防报警系统，客运信息广播系统等多专业多系统的协调整合与设计集成，其设计复杂程度和工程规模都是少有的。如何充分地体现方案效果，准确表达建筑的独特气质，将各子系统协调一致地集成于一体，将一系列的技术难题摆在了设计组面前。
经过对整个建筑屋面工程各方面问题深入分析、消化之后，设计组着重针对以下设计难点展开工作：①建立屋面几何规则，对建筑完成面与结构网架问的关系进行精确控制；②确定最优的屋面排水组织方案；③针对在恶劣气候条件下屋面系统的使用安全采取必要的措施；④屋面检修维护与清洁系统的设计。
屋面几何关系的精确控制
建筑形式的几何关系是一切工作开展的核心，建筑专业的幕墙系统，天窗系统以及结构专业的网架设计都需要基于准确的建筑造型原则展开。在吸取学习近几年国内外类似工程的设计经验和方法后，首先对屋面造型的几何关系有理化以及如何生成规则的描述进行研究，最终确定了整个屋面工程的几何控制规则，以上层檐口母线(标高57.030m)和下层檐口母线(标高44.800m)为放样母线，分别将两层檐口的断面轮廓沿母线进行放样，以生成上层屋面的建筑控制面和下层屋面檐口底部控制面，并以此为基础生成屋面顶部的双向曲面部分(图3)。
在屋顶建筑控制面的建立规则确定后，设计组采用3D辅助设计软件建立屋顶建筑控制面(图5)，尤其针对双向曲面部分内容进行重点控制(图6)。同时，基于建筑完成面对结构控制轮廓进行反推，向结构专业提出设计要求。
在通常的设计流程中，建筑专业基于二维的平面和剖面图纸向结构专业提供设计资料。曲面造型的项目如果沿用这种传统的提资和配合方式，需要手工绘制大量的剖面图纸，并且由于结构专业是基于三维空间模型进行工作，在接收建筑专业的图纸资料后，还需要以建筑专业的图纸为基础反推结构控制点，之后再建立结构的空间模型。在此三维――平面――三维的工作流程中，不但会产生大量的重复性劳动，并且在平面与三维的每一次转化与编译的过程中，都会产生信息的遗漏和错误。为达到精确控制屋面的几何关系的目的，在屋面的整个设计过程中，建筑专业与结构专业、屋面系统深化厂家、屋面幕墙系统深化厂家、檐口蜂窝板系统深化厂家都采用了基于三维空间模型的配合方式，由建筑专业统一建立精确的建筑控制面和结构控制面三维模型，将三维模型作为建筑资料的一部分，随建筑专业图纸向各配合方发布(图7)。
建筑专业所发布的三维模型，根据专业问所需的配合内容和设计阶段逐步进行深入，在不同的设计阶段分别对应不同的模型深度和信息内容进行控制，各阶段模型主要包含信息如下。
与结构专业配合的模型包含：建筑控制面(建筑完成面)，结构外皮控制面，开洞、开孔信息，屋面与主站房相对定位关系。
与深化设计厂家配合的模型包含：建筑控制面(建筑完成面)，屋面幕墙、侧窗、天沟定位及尺寸信息，屋面幕墙系统分缝、立挺布置信息，开洞、开孔信息，结构网架模型信息以及屋面与主站房相对定位关系(图8)。
在复杂造型工程的设计过程中，借助三维辅助工具进行设计和配合，是设计技术发展的必然趋势和潮流。设计组借助项目的特点和需求，在整个设计过程中对新技术的使用进行了初步的尝试，积累了宝贵的经验，对最终建成的效果进行了有效的控制，在配合过程中也获得了各合作部门的广泛认可。相信在此项目的应用基础之上，三维辅助设计将为日后的设计工作带来更高的工作效率和更好的设计品质。
屋面防灾设计
当前全球环境危机日益严重，全球气候在最近的几十年迅速变化，造成近年灾害频发的现象。气象灾害大致有七大类，对建筑有影响的常见灾害有：暴雨洪涝、热带气旋、雷电风雹、冰冻。本工程设计过程中主要考虑的自然灾害为：暴雨、抗风、冰雪冻结几类。
1 屋面排水组织设计
主站房屋面水平投影面积近9.4万m2，屋顶平均坡度在7％左右，如此巨大的屋面工程，其雨水排水组织如何考虑，成为了摆在设计组面前的一道难题。在第一版屋面排水组织方案中，檐口最高点坡向室内一侧，此方案能够避免屋面周圈檐口落水和积雪滑落的问题。但是，使得主站房屋面天沟均成为内天沟，不具备自然溢水 的条件，当屋面排水系统堵塞时或者遭遇罕遇暴雨时，会造成屋面积水隐患，只有改变屋顶截面形式，或在屋面虹吸排水系统基础上再增加一套溢水排水系统才可以解决。增加排水系统会增加建设投资，同时无法完全避免内天沟本身造成的种种缺陷。经过多个方案的数次比选和分析，最终选定修改屋顶檐口断面形式，根据结构形式和受力特点对檐口截面进行优化，将整个屋顶高度随悬挑距离逐渐减小，以减少结构自重，同时天沟布置变为外天沟形式。
综合考虑屋面排水组织，结构受力特点和屋面积雪堆积滑落情况。屋面采取四个方向向室外一侧设置单坡，在檐口周圈设边天沟(图9、图11、图13、图14)，并增加天沟宽度至2m以上，同时在天沟内侧设计挡雪杆来解决坡屋面积雪滑移坠落的安全隐患。
调整后檐口形式具有以下优点：①降低结构自重减少用钢量：②屋面形式可自然溢水，提高屋面在极端降雨情况下的安全性；③加宽边天沟给屋面滑落的积雪提供了一个缓冲和储存的空间，使得屋面冰雪不易滑下坠落，积雪滑入天沟后缓慢融化从屋面雨水系统排出：④建筑立面檐口造型更加轻薄深远大气。
2 恶劣冰雪气候下屋面系统的使用安全措施
在2008年我国南方大面积出现了百年不遇的雪灾，对当地造成了巨大的经济财产损失与人员伤亡。在这次雪灾中出现了建筑在设计时对强自然灾害因素考虑不足的情况。南京南站作为特大型交通建筑，在常见自然灾害时能否保证正常工作?在恶劣自然灾害时是否可以保证使用人员的生命安全?在罕见的自然灾害时是否可以通过预测灾害强度来测定站房的安全性，并及时通知车站疏散人员?这些是在设计工作中必须考虑的原则。
(1)针对屋面冰雪滑移坠落的安全措施
主站房屋面三道天沟间距较大均在30m～40m，屋面冰雪顺坡面滑移速度和冲击力都逐渐增大。可能出现大块冰雪顺坡度方向滑移。在国内外以往建成的大型公共建筑中，屡屡发生屋面大块冰雪滑移坠落造成的安全危害。南京南站属于人员密集的车站，屋面冰雪一旦出现冰雪滑移坠落，将造成严重的安全事故。
针对屋面造型特点和屋面坡度形式，在直立锁边金属屋面上设置挡雪杆作为挡雪措施(图10)，采用肋顶夹将挡雪杆固定于金属屋面立边之上(图12)。屋面三道天沟在室内一侧均设置了连续的挡雪杆，挡雪杆可阻挡上侧快速冲落的冰雪，将较大的冰雪块拦截分割，还可防止相邻冰雪滑动。同时肋顶夹的构造本身还可加强金属屋面立边咬合，增强屋面板与卡件的连接强度和抗风能力，挡雪杆本身还可作为屋面上人检修的安全系统的一部分连接点。
(2)针对屋顶积雪所采取的安全措施
在南京南站主站房屋面设计过程中，我们针对雨雪灾害时屋面系统所面临的各种工况和屋顶积雪可能产生的安全问题进行了归纳，并对起因进行了分析。针对屋顶积雪引起的安全隐患，我们对可采取的积雪消除措施如融雪剂、屋面电伴热系统、人工或机械清扫等方案都进行了逐一的比较分析。
采用融雪剂进行融雪具有成本低，不需要大量的人力、物力且融雪速度较快的优点，近年来广泛在道路、桥梁除雪方面采用。但是经过几年的实践经验，发现融雪剂对建筑的腐蚀、植物破坏、水体污染等方面均存在很大的危害，并且造成了极大的经济损失，在国内外各大城市减少并限制使用融雪剂已经成为一种趋势。
电伴热带以其尺寸小巧、设置灵活、配套设施少的优势，在管道防冻、设备加热、局部防冻方面具有明显的优势。但它耗能过大，投资和使用成本高，维护检修复杂，平均使用寿命只有10～15年左右。在南方城市雪灾出现时间间隔长，系统使用频率极低，如果大面积使用，并不经济。因此，本工程设计中并未在屋面系统中采取电伴热的除雪措施。但为保证冰雪气候条件下屋面排水系统正常工作，仅在屋面雨水斗处设置了小功率的雨水斗电伴热，防止雨水斗处冻结堵塞，雨水管从屋面下穿入高架候车层室内，利用室内较高的温度防止立管处冰雪融水冻结，形成了一条在各种气候条件下都可以通畅工作的排水管路。
在主站房屋面网架内设置了供专业人员通行的马道，在东西两侧各设4处屋面上人点，使得屋面具备上人清除积雪的条件。
我们探讨了屋面上人清扫的可能性(图15)。根据市区道路人工清扫经验，暂按每人每小时清除70m2积雪估算，即便是降雪停止的情况下，整个屋面用1400人同时作业1小时才可能将屋面积雪全部清除。不仅如此，主站房东西两侧均为无柱雨棚，只有南北侧落客平台才有可能成为屋面清运积雪的路径，主站房屋面南北方向长度456m，清除的积雪需要经过228m的运输较困难。屋面板为金属屋面，在雨雪天气时行走困难极易滑倒。伴随阵风更易引发安全事故。因此在恶劣气候条件下不具备安排人员在屋面行动清除积雪的可靠条件。
本工程因形态特点、钢结构网架结构形式以及建筑规模的特点，电伴热、融雪剂等化雪措施均不宜采用，上人清运也缺乏可实施性。最终设计措施考虑以预防檐口冰雪坠落为立足点，采取优化檐口断面，加宽边天沟、设置挡雪杆的建筑措施消除坠冰隐患，同时优化檐口截面以解决暴雨时屋面内天沟积水问题并减少结构用钢量。积雪安全主要通过在屋面结构设计中结合未来天气变化趋势适当增加设计荷载，同时作为屋面结构的安全储备的方法来解决。
屋面检修马道系统
主站房屋面网架系统下设置着整个高架候车层的吊顶、照明、消防、客运信息系统，这些系统的日常检修维护对设计提出了较高的要求。检修通路方案要方便工作人员在不影响站房正常运转的前提下，对机电设备进行检修维护、巡查。同时，此检修维护通路的设计还要兼顾工作人员到达室外屋面巡查和清洁维护的需要。
为解决使用维护方面的需求，在主站房网架内专门设计了独立的检修马道系统(图16、17)，在高架商业夹层处的6根装饰假柱内设置上人检修爬梯，检修人员通过检修爬梯进入屋面网架内的下层检修马道，下层屋面的所有检修马道与吊顶内安装的灯具位置相对应，并且与高侧窗处的检修通廊相联通。高侧窗处的检修通廊可以让工作人员便捷地到达下层马道中的任意一处，另外，该外还设有斜向联系钢梯将上下层屋面马道和屋面出入口联通为一体。四通八达的马道系统使工作人员可以快速、安全、便捷地到达的机电设备检修位置和主站房屋面的8处上人口(图18)和清洁用水点。因为马道系统的布置原则与高架层吊顶内照明系统的布置形式协调统一(图19)，灯具支架直接与钢结构马道固定，不必独立设置灯具支架，因此简化了系统，节省了投资。
经验与小结
随着国内经济的飞速发展，大型公共建筑不断涌现，多专业多系统集成的建筑屋面工程正在越来越多的项目中出现，随之而来的诸多问题和设计难点也给各位从业的设计人员带来了新的挑战。南京南站的建筑形式和造型特点以及超大规模的屋面工程，在国内外工程中都不多见。设计组针对所遇到的技术难点逐一展开工作，集合整体的智慧逐一攻克，伴随着工程的顺利完工，此项目的屋面设计工作也随之圆满结束。
在整个设计过程中三维辅助设计的应用为建筑形体的准确把握和建筑结构的协调配合提供了有效的帮助，简化了工作流程并提高了工作效率：针对极端气候条件下屋面系统各种工况进行系统的归纳分析，针对不同安全隐患采取相应的安全措施，为站房的安全运营提供了有力的保障；整体考虑一体化设计的检修马道系统，为站房的机电设备安装和使用维护带来了更多的便捷。
在获得这些有益经验的同时，我们也不能忽略设计过程中没有考虑到的一些问题和教训。比如在屋面高侧窗幕墙设计中，由于对局部钢结构变形因素考虑不足，导致局部的幕墙龙骨随主体钢结构变形后，造成安装精度要求较高的嵌入式开启扇开闭困难。类似这些问题也是我们在以后的构造设计中需要加以考虑和避免的。
数年的设计过程中所产生的经验与教训难以尽详，谨以此本文抛砖引玉，与各位从业者相互借鉴与交流，将国内大型公建屋面工程的设计与集成水平推向新的高度。