摘要：以柳州某厂房金属屋面为例，介绍了TPO防水卷材无穿孔机械固定系统的防水设计、施工工艺以及细部节点处理。该工程项目实践证明，无穿孔机械固定工艺可有效保证卷材的完整性，减少对钢板结构的破坏，提高防水保温工程的一体化，降低渗漏风险，适用于金属结构单层屋面系统。
原文刊载于《中国建筑防水》2023年第4期。
跨度较大的金属屋面对构造荷载有一定要求，同时工业厂房对渗漏较为敏感，为保证工业厂房金属屋面围护结构防水保温一体化系统的可靠性和耐久性，近年来该类项目多设计选用单层防水卷材屋面系统。相对于传统卷材屋面，单层屋面系统多采用新型高分子防水材料，参照JGJ/T316—2013《单层防水卷材屋面工程技术规程》，选用1.5mm厚合成高分子防水卷材（主要为PVC、TPO、EPDM等三类）外露使用可达到一级防水设防要求。此类单层屋面系统可有效减轻结构荷载，提升结构安全性。
热塑性聚烯烃（TPO）防水卷材的主要成分TPO合成树脂结合了橡胶和树脂各自的优点，不含增塑剂，材料本身具备高耐候、高环保、反射节能、耐低温性能优异等诸多优点，理论寿命可达50年以上，是目前单层屋面系统的首选产品。系统中所有TPO防水卷材的自身接缝搭接都是由热风焊接方式完成的，从而形成一个连续整体的防水屋面。TPO单层屋面系统卷材固定安装有传统机械固定工艺和无穿孔机械固定工艺两种，后者可有效保证卷材的完整性，减少对钢板结构的破坏，提高屋面系统的整体性，降低渗漏风险，提升防水工程的耐久性和可靠性。
1项目防水系统设计
1.1项目概况
柳州鱼峰区某厂房屋面为钢结构厂房金属屋面，总建筑面积16530m2，分为3个屋面，最大屋面面积约8500m2，屋面高度最高12m。该屋面设计采用了TPO单层屋面系统，构造层次从上至下依次为：
1）1.5mm厚TPO聚酯纤维内增强型高分子防水卷材（P类），机械固定；
2）100mm厚岩棉板（分双层50mm+50mm铺设），密度不宜小于180kg/m3；
3）0.3mm厚PE隔汽膜；
4）0.8mm厚双面镀锌压型钢板（YX35-125-750）。
1.2屋面系统安装固定工艺选择
项目施工前，项目实施单位与项目参建各方针对金属屋面TPO防水卷材机械固定系统进行深化设计沟通，根据规范并结合项目实际情况进行了工程量清单的计算。
以该项目最大的屋面为例，屋面高度为12m，长176.5m，宽48.2m，双坡矩形屋面，坡度3%，处于柳州市郊区，归为B类；压型钢板峰峰距125mm，固定件的承载能力设计值600N/个；所选用的TPO防水卷材标称宽幅2m。
通过对传统有穿孔机械固定工艺进行核算，其加密区固定件间距核算结果为0.125m，中心区固定间距为0.250m，该屋面卷材和保温层大面需固定件预计约44000套。
后经进一步沟通探讨，参照国内外类似项目的先进经验，改用无穿孔机械固定工艺进行工程量核算。按行距0.6m核算得到：加密区固定件间距0.625m，中心区固定件间距1.0m（为不减少保温层固定件数量，间距也取0.625m）。由于无穿孔系统卷材和保温层可共用固定件，所需数量大大减少，仅需23000套。详细计算数据如表1。
表1柳州某厂房金属屋面固定件计算
计算依据：
1）GB50009-2012《建筑结构荷载规范》；JGJ/T316-2013《单层防水卷材屋面工程技术规程》
2）柳州地区按50年重现期，查规范得：基本风压W0=0.30kN/m2
3）围护结构风荷载公式Wk=βgz*μsl*μz*W0
4）边角区宽度：E/10（E取高度2H和迎风宽度B中较小者）
5）风荷载设计值系数Wd=1.4Wk
6）单位长度固定件数量：n=L*Wd/Wg
7）固定件间距为：S=1/n（取值只能为压型钢板峰峰距的倍数，向下取值）
传统的有穿孔机械固定仅能在卷材边缘进行固定，固定件需穿透卷材。若依照卷材常见宽度进行固定仍无法满足设计要求，则通常还需在风荷载最大的屋面边角区裁切半幅卷材进行额外加固，需要更多的接缝，由此会带来一定的渗漏隐患。在风荷载受力情况下，由于有穿孔固定件只能沿卷材搭接分布，抗风揭过程中卷材易受力不均，且其本身已对卷材造成穿透破坏，故能承受的极限风荷载相对无穿孔工艺而言较低。两者风荷载试验受力对比如图1所示。
图1有穿孔（左）与无穿孔（右）风荷载受力试验对比
无穿孔机械固定系统具有以下几方面优势：
1）该工艺未穿透破坏卷材，有效保证了卷材的完整性，降低渗漏隐患；
2）无穿孔固定件分布更均匀，使单层屋面卷材受力更合理，可承受的风荷载极限更高；
3）由于固定件均匀分布，卷材更为紧密地贴伏于基层上，能有效减少卷材摆动及由此产生的磨损甚至破坏；
4）屋面边角加密区不再需要裁切卷材进行加密固定，减少搭接，也相应降低了渗漏风险；
5）与保温层统一固定，可减少紧固件数量20%~50%，同时减少对钢板结构的破坏，可更好地保证系统的安全性。
1.3无穿孔焊接工艺原理
无穿孔机械固定工艺采用专用无穿孔固定垫片，搭配螺钉、金属压条等配套材料，将保温层、TPO防水卷材以及其他层次直接固定在金属屋面基层或结构檩条上（图2为其屋面系统构造）。其工艺原理为，加热器中电流电磁感应产生的热量在加热卷材的同时，透过卷材将下部金属垫片上的特殊涂层与卷材进行焊合，再将带有磁性的散热工具置于加热部位，将金属垫片吸附在工具底部，对垫片进行冷却的同时加固焊接强度，从而达到无穿孔固定的效果。固定件需与保温层一起设置固定。
图2TPO单层屋面无穿孔机械固定系统构造
2TPO防水卷材无穿孔机械固定工艺
2.1机具准备
1）TPO铺设：固定及收口压条、焊绳、耐候密封胶、自动焊接机、手持焊枪等。
2）无穿孔焊接：无穿孔焊接机、无穿孔垫片、垫片套管、固定螺钉（通过抗盐雾1000h试验）。图3左为TPO无穿孔焊接机，右为固定件。
图3TPO无穿孔固定件及焊接机
2.2施工工艺流程
2.3无穿孔施工具体操作及注意事项
2.3.1基层处理
施工前检查屋面基层状况以确保屋面安装牢固、耐久、无锈迹、无裂缝，清除疏松颗粒、孔洞及尖锐凸物或其他可能妨碍整个系统的杂物。
2.3.2隔汽层铺设
该项目选用具有一定强度、隔汽性能强的PE膜类材料作为隔汽层，防止水汽渗透。PE膜搭接边及节点周边部位采用丁基防水密封胶粘带密封固定。过往有项目选用轻质无纺布作为隔汽层，强度不足易破损，且不易隔绝水汽，易使保温层受潮，效果不佳，不建议采用。
2.3.3保温层铺设及固定件设置
本项目保温层采用尺寸为1.2m×0.6m的岩棉板，参照JGJ/T316—2013，每板至少设置2个固定件（岩棉板与其他保温板固定件数量要求对比见表2），沿长向中线布置。安装前确保基层干燥。分层铺设的保温板，接缝相互错开，防止通缝，接缝拼装严密。必要时采用同类材料嵌填空缺部位，以避免冷桥现象。
保温层与卷材统一固定，均采用专用无穿孔固定件，位置和数量按深化设计布置，钻孔前在保温层上进行网格化弹线定位。固定前进行预钻孔及抗拔测试，保障螺钉在金属基面上的抗拔力满足规范要求。固定件均在压型钢板的波峰上固定，并垂直于屋面板。无穿孔垫片固定后应平行于保温板表面，不能将垫片过度地固定进保温层，且不得过度倾斜，便于后续垫片焊接操作。
表2板状绝热材料固定件数量和位置
JGJ/T316—2013表6.3.4
2.3.4防水卷材预铺
进行卷材预铺时，首先把卷材自然展开在布置完成的保温层上，平整顺直，释放应力，减少褶皱，并根据现场实际进行适当的剪裁，保证卷材的搭接宽度及错缝要求。
2.3.5TPO防水卷材无穿孔焊接工艺
无穿孔焊机开机步骤：确认稳压器接通电源，无其他机器连接在该设备上；电源稳定运行后，再将无穿孔焊机电源线接到设备上并开机进行试焊。
试焊时，裁切一块卷材与垫片空铺在平面上，按仪器操作规范将卷材焊接到垫片上，再将磁性散热器置于焊合后的垫片上方进行冷却，同时加固焊接强度，在焊接后的垫片上放置至少45s。当焊接面完全冷却后，取下卷材进行剥离测试，查看焊接是否充分。当施工环境温度变化超过5℃时，重新进行试焊。
试焊完成后，从角边区等加密区开始固定件无穿孔焊接，之后再进行非加密区焊接，总体上按照卷材的铺设方向逐幅焊接卷材。冷却器的磁铁会吸住铁渣等杂质，因此需要每次施工前对冷却器底面进行检查，若杂质较多及时清理。
2.3.6防水卷材大面接缝焊接
卷材长边搭接边的焊接用自动焊机施焊，短边搭接及细部处理采用手持焊枪焊接。无穿孔系统的搭接宽度一般为80mm。
焊接机焊接，主要应用于大面积的卷材长边焊接，程序为：调整卷材搭接宽度—设置焊接参数—预热焊机—焊接—焊缝检查。
手持焊枪焊接，主要应用于卷材短边焊接及细部处理，程序为：调整卷材搭接宽度—设置焊接参数—预热焊枪—点焊—预焊—终焊—焊缝检查。
T型搭接处焊接时，需对焊接机进行加压处理，焊接密实，并采用均质圆形片进行修补加强，避免出现虚焊及通缝，产生渗漏隐患。
当天铺设的卷材及保温层需在当天完成焊接，并对每天施工后留下的未完工部分采用胶带和有效的遮蔽防雨措施进行保护，避免淋雨和受潮。
2.4无穿孔施工具体操作及注意事项
2.4.1防水卷材细部处理
屋面防水大面采用的是织物内增强（P类）TPO卷材，由于P类卷材是在TPO片材中加入织物网格，无特殊处理时，织物网格不具备防水效果。为此我们模拟了一个中间是P类TPO防水卷材，宽度约8cm的立管模型，积水厚度10cm左右，在未加任何压力下经过10min左右出现了明显渗水现象（图4）。针对P类TPO防水卷材的此种特性，且TPO防水卷材在应用时无法避免裁切，本项目在细部节点部位或卷材的裁切短边搭接使用时都使用均质H类材料进行处理或覆盖条覆盖，以减少渗漏隐患。
图4P类TPO渗漏隐患测试
2.4.2女儿墙收口处理
女儿墙收口部位，将TPO防水卷材铺设到立面合适的上翻收口部位，立面用H类TPO卷材通过胶粘剂粘贴，收口上端采用压条固定，并用密封胶密封（图5）。
图5女儿墙收口上翻推荐做法
若女儿墙高度较低，为提升收口可靠性，减少渗漏风险，也可将H类卷材上翻到女儿墙外侧再进行收口压条固定，再用专用铝塑板进行完全覆盖，此方法防水效果更佳，供同行参考。
2.4.3内天沟拉杆特殊加强处理
过往项目中拉杆处焊接时，仅利用均质TPO卷材边缘加热后，焊接于大面上，且为降低渗漏风险，焊接缝常需提前留置朝下，焊接施工难度较大，焊缝质量难以保障。
为解决以上难题，现场增设一道环形均质TPO加强层过渡，其点焊固定于天沟立面卷材之上；此时拉杆杆身处的卷材焊接缝可留置于正上方便于焊接操作，杆身焊接完成后再将拉杆卷材边缘拉扯延长部位与环形加强层密封焊实；拉杆处卷材焊接完毕后，扯开环形加强层点焊部位，与拉杆卷材一起将焊缝旋转到拉杆底部，再将环形加强层与天沟立面卷材进行焊实（图6）。此方法现场应用效果良好，可降低焊接施工难度，保证焊缝质量，减少渗漏风险。
图6檐沟拉杆增设环形加强层操作示例
2.4.4U型压条保护
为防止U型压条裁切边缘过于尖锐而刺破卷材，现场裁切一小块卷材焊接包裹住压条边缘尖锐部位进行保护（图7）。
图7U型压条焊接保护操作示例
结语
本项目屋面系统施工质量高，完工验收后经过多次暴雨及极端高温天气考验，使用至今未发现渗漏。
与传统金属板屋面相比，采用机械固定的单层屋面系统，极大地提高了防水保温工程的一体化，结合TPO防水卷材可焊性好、环保性、可外露使用、使用寿命长等优势，降低了屋面工程的渗漏风险，延长了耐久年限。而相对于传统机械固定工艺，无穿孔系统可提供更高的抗风揭能力和相对的性价比优势，有利于防水效果的长期保持，可大面积应用于类似需求及构造的建筑屋面中。
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