1 简介
当今的建筑风格已呈现出多元化的发展方向，一些新派建筑师已不满足于常规的建筑形式，许多极具视觉冲击力的大型、超大型建筑日益呈现在我们面前。建筑的屋面及屋面部分也利用外装饰层作为建筑设计思想的载体，展现建筑艺术的魅力。异形金属屋面系统过去只是建筑风格中的个别单体，如今已得到广泛的应用。超大弧形建筑金属屋面，尤其是双曲建筑金属屋面系统在国内外大型建筑中应用日益广泛。（图1~4）
图1 长沙梅溪湖文化中心效果图
近年来，随着建筑幕墙、金属屋面的设计方法和技术手段不断完善钢结构桥落水系统，BIM和计算机三维设计软件的应用完全可以满足异形金属屋面的设计需求。那么，如何更好地实现建筑创意，如何将建筑语言表达得更加透彻，同时又能保证屋面的物理指标和性能，这已经成为众多幕墙公司和幕墙设计师必须面对的问题。
本文所指的金属屋面是指由铝镁锰薄板或铝板、钢板等金属板材压制而成的金属屋面系统。屋面系统主要包括：主体支撑钢结构；连接机构；檩条；底部硬质防水镀锌钢板；防潮隔气层；隔音层；保温层；金属屋面板；外装饰板。
这里的金属屋面系统主要是指建筑金属屋面的整体系统，它包括：屋面系统、排水系统、屋脊、山墙、檐口、屋面板接口、封头、避雷器、清水接头、不锈钢连接环、融雪融冰装置、落水管及虹吸装置，还包括屋面装饰板、附着物等。
图2 鄂尔多斯博物馆东立面图
这里的重点是排水沟的设计以及排水系统中虹吸排水的运用。
图3 贵州铜仁凤凰机场航站楼效果图
图4 重庆江北机场T3A航站楼效果图
2.金属屋顶排水沟
2.1. 排水沟的定义、作用及功能
天沟是指建筑物屋面两檐之间的凹陷部分，是建筑物屋面上收集屋面雨水的凹槽。天沟排水是指利用天沟将雨水排到屋面之外。屋面排水分为有组织排水和无组织排水（自由排水）。有组织排水一般是将雨水收集到天沟内，然后通过雨水管排出。收集雨水的沟叫做天沟。天沟分为内天沟和外天沟。内天沟是指在外墙内侧的天沟，一般设有女儿墙；外天沟是伸出外墙外的天沟，一般不设女儿墙。
金属屋面不锈钢天沟是指金属板作为建筑顶部防水屋面时，在金属屋面凹陷处开槽，收集雨水，通过排水管道系统有组织地排出。一般用不锈钢板制成“U”形或矩形的排水系统，就叫不锈钢排水天沟。不锈钢天沟、金属屋面天沟、山墙天沟的安装位置如图5(a)(b)(c)所示。
图5.a 不锈钢天沟安装现场
图 5.b 金属屋面檐沟
图 5.c 金属屋顶山墙天沟
2.2. 天沟结构及设计：
不锈钢天沟的作用是收集雨水并通过排水管道系统快速、有组织地排出。
天沟设计时，除充分考虑其本身的排水分水功能外，还应考虑到排水天沟是整个屋面系统的组成部分，其功能必须齐全，特别是在保温、隔热、隔音、装饰性能等方面应根据不同项目作特殊设计。一般要求在天沟金属槽室内部分设置保温棉，在可见部分包裹装饰面层。室外涂抹防水油膏、防水卷材，以降低噪音，提高天沟的防腐能力，增加使用寿命。
金属屋面排水沟的设计在国家有关标准、规范中已有明确规定，排水沟的设计应考虑以下几个方面：
1）排水沟采用耐腐蚀性能好的金属材料，不锈钢板厚度不应小于2.5mm；
2）防水系统采用两层或两层以上的防水结构，防水系统应能吸收温度变化等引起的位移（图6（a）（b））
图6（a）不锈钢排水沟的横截面图
3)排水沟的断面尺寸应根据排水计算确定，长度方向应考虑设置伸缩缝。排水沟的连续长度不宜大于30m。
4）对汇水面积大于5000平方米的屋面，应设置不少于两道独立的屋面排水系统，并宜采用虹吸式屋面雨水排水系统。
5）天沟底板排水坡度应大于1%。天沟内侧应设置柔性防水层，最好至少在两侧立板的一半位置（1/2）及整个底板处设置。（图6（b））
图6(b) 加工后的不锈钢天沟
2.2.1. 排水沟溢流设计：
CECS183:2005《虹吸式屋面雨水排水系统技术规范》对其定义如下：
溢流口或装置是指当降雨量超过系统设计的排水能力时用来溢流的开口或装置。
溢流系统是排放超过设计重现期的雨水的系统。溢流系统可以是重力系统或虹吸系统。溢流系统不得与其他系统一起使用。
在排水天沟中，如果遇到特殊情况，比如排水口堵塞，水流量过大等，为了保证天沟能够把水排出，比较好的做法是在天沟中设置溢流口，当天沟中的水位达到一定高度时，水从溢流口溢出，可以有组织地排入落水管，也可以直接将水排到屋外。
我们日常生活中最常见的溢水口就是家里使用的洗手池了。基本上每个水槽的边缘都会有一个小开口，这个小开口就是水槽的溢水口。当水槽里的水到达这个开口的边缘时，水就会通过这个溢水口流入下水管，这样就不会溢出太多的水。这样就提高了用水的安全性。
屋面排水天沟的工作环境比较复杂，很有可能因为异物而导致落水管排水量减少或失去排水功能。或者由于突发事件，水量过大来不及及时排出，导致水从天沟边缘溢出，进入屋面保温层，造成屋面渗漏。更严重的情况下，水的重量可能会给屋面支撑结构带来安全问题。
溢流口形式可根据工程特点确定。可开设在天沟的侧板或端板上；也可设计为台面式溢流口。（图7a、b）
图7a 不锈钢天沟台溢流节点图
图7b 天沟侧板溢流口设置节点图
在设计溢流口时还应进行溢流口的布置分析，通过计算分析的方法确定溢流口的大小、位置，数量在极限状态下是否满足需要。《虹吸式屋面雨水排水系统技术规范》中已经给出了溢流口尺寸计算的计算公式及方法。
由于工程的差异性，特别是异形曲线工程，各天沟段的设置会有所不同，因此在深入设计时应通过分析计算确定各天沟段的布置方式、各落水管及溢流口的设置方式。
2.2.2. 不锈钢排水沟应能相对于其支撑结构移动。
不锈钢天沟施工时，不得将不锈钢天沟边缘直接锚固（焊接）在天沟支撑结构上（如图2.2.2所示）。由于天沟与天沟支撑结构在使用时一般不处于同一温度场中，当温度变化时会产生很大的温差，天沟与支撑结构在天沟槽纵向上会产生很大的相对变形，如果采用固定措施限制其变形，会使该部位产生很大的温度应力，导致其损坏。
图8 不锈钢天沟截面节点图
同时，由于不锈钢天沟的材质为不锈钢板，奥氏体不锈钢在20℃至300℃时线膨胀系数为17.5；而支撑结构采用碳钢材质，其在20℃至300℃时线膨胀系数约为11.3至13。与碳钢相比，奥氏体不锈钢的最大线膨胀系数比碳钢大40%，而且随着温度的升高，线膨胀系数的数值也相应增大。因此，当温度发生变化时，即使天沟及其支撑结构的温度相同，由于材质的差异，也会产生很大的应力和温度变形。因此，在设计天沟及支撑结构时，应充分考虑相对位移的特性，使其在运行过程中保持良好的工作状态。
2.2.3. 坡度较大的排水沟应设置挡水挡板和横向水斗。
屋面设置陡檐沟时，应考虑排水沟的有效性和可靠性，应设置不锈钢檐沟的支撑系统，确保安全稳定。在陡檐沟内设置雨水槽时，应充分考虑雨水的流速，根据其坡度确定是否加设挡水板（图9a）。
当坡度大于15%时，建议考虑在不锈钢排水沟内安装挡水板装置，以减少倾斜排水沟内雨水的流速。坡度越大，安装的挡水板数量就越多。挡水板除了能有效控制水的流速外，还能有效防止异物进入排水口。
挡水板可采用筛孔式、桥式、板式等形式，挡水板的高度一般可为天沟侧立板高度的1/2～1/3(图10b)。
斜沟内的雨水斗应设有集水槽，收集雨水后排出。集水槽底部应水平设置，斜沟底部不应倾斜安装雨水斗。纵向斜沟集水槽应设置在斜沟下半部，并在集水槽下部短边设置挡水板（图9a）。
图9a 陡坡天沟挡水挡板布置示意图
图9b：天沟挡水挡板形状示意图
2.2.4. 坡屋面的水平天沟底板宜水平设置。
在弧形建筑屋面设置天沟时，应充分考虑天沟在使用过程中的排水有效性。不锈钢天沟段的下部底板不得设置成一定角度（图10a），这样会严重影响天沟设计容量的有效性，大大降低天沟的排水性能。同时，还会因积水造成天沟内污染。
实际工程中，天沟段倾斜底板大多是在结构面与屋面距离过小，且未考虑天沟位置的情况下设置的，应重新定义结构与屋面板的关系。设计时，不锈钢天沟段下底板必须水平设置，以使天沟能起到有效的排水作用（图10b）。
图10a 天沟挡水挡板形状示意图
图10b：天沟挡水挡板形状示意图
2.2.5. 排水沟端部及纵缝设计
排水天沟的断面尺寸应根据排水计算确定，长度方向应考虑伸缩缝。由于天沟纵向长度受温度变形影响，所以长度不宜过长，国家标准规定天沟连续长度不宜大于30m，这是一个参考尺寸，具体工程可根据实际情况提出要求。连续长度尺寸的确定主要考虑天沟工作状态下环境温度变化引起的天沟纵向长度尺寸变形是否在可控范围内，计算时温度变化值（温差）应考虑100℃以上的变化。天沟端部及接头形式也应根据各实际工程情况及要求进行设计。
2.2.6 排水沟清理及防尘防砂设计
大部分屋面天沟和屋檐都暴露在室外，风吹来的灰尘、沙子和杂质会随着雨水或重量进入天沟。在风沙大的地区，这个问题尤其严重。即使是有盖的天沟也会被沙尘侵入。如果不及时清理沙子，所有的排水口都会被堵塞，尤其是彩虹排水口的功能会受到严重破坏。（图11a、b、c）
图 11a 排水沟内堆积的沙子照片
图 11b 排水沟内加热电缆和落水管内沙子的堆积
图11c 排水沟虹吸出口处沙子堆积的照片
解决这一问题最好的办法就是及时清理积砂和灰尘，实际操作中清理积砂的方法有很多种，除了常规的人工清理，还可以用高压水枪对积砂进行冲洗清除。
这里要强调的是一种非常实用的清理积沙的方法：在天沟底部及落水管边缘设置集沙池（图11d）。
图11d 排水沟集砂池结构示意图
集砂池的作用是将雨水流经排水沟内堆积的沙子及异物带入集砂池，便于清理排水沟内的沙子，避免沙子快速侵入排水系统，为清理赢得时间。集砂池内可设置移动式槽，清理沙子时将移动式槽移出即可清除沙子。
2.3.金属屋面集水面积的划分及集水量的分析计算
在金属屋面排水天沟设计中，集水面积和集水量的确定直接影响到不锈钢天沟系统和落水管系统的布置和结构设计，是保证屋面功能设计的关键参数。集水量的分析主要涉及单位时间内指定天沟所能收集的最大雨水总量的分析。这就需要分析计算出该段天沟对应的整个金属屋面能够接收雨水的面积。一般平、坡屋面的计算分析比较简单，采用下述方法即可得到结果。但对于复杂的异形金属屋面，必须根据其屋面板布置图，对相应的面积进行集水量分析。下面是落水管所分担雨水量的计算、排水量的计算、落水管直径的计算，这是天沟设计中最重要的分析计算。
图12 排水沟对应集水区分析
（1）每根落水管分担雨水量的计算：
屋顶长度：L（米）；屋顶宽度：B（米）；
汇水面积：Ar=B*L(㎡)；
降雨量：Qr=Ar*I*10-3/3600(立方米/秒)；
降雨强度：I（毫米/小时）
考虑屋顶存储容量的系数。介于 1.0 和 2.0 之间。
平屋顶（坡度2.5%）1.5~2.0。
（2）天沟排水计算（天沟断面计算）：
参见图 13，了解排水沟排水系统的简化横截面。
图13 天沟排水断面示意图
天沟的排水量采用曼宁公式计算：
Qg=Ag*Vg=Ag*R2/3*S1/2/n
银=钨*钨
R=银/(钨+2氢)
Vg：排水沟排水速度（米/秒）
N：不锈钢或彩钢板摩擦系数=0.0125
S：天沟排水坡度 = 1/100
W：排水沟宽度（m）
H: 排水沟深度（米）
Hw：设计最大水深（m）（通常为0.8H）
FOR Qg>Qr 排水槽断面符合要求。
（3）落水管直径计算：Qd=m*Ad*(2gHW)1/2(m³/sec)
M：落水管数量 = 1
d: 落水管外径（m）
Ad：排水口面积(㎡)
g：重力加速度 = 9.8 米/秒
HW：排水沟最大水深（m）
FOR Qd>Qr 落水管直径满足要求
2.4 虹吸式屋面雨水排水系统设计
CECS183:2005《虹吸式屋面排水系统技术规范》规定，虹吸式屋面排水系统是依据虹吸式满管压力流原理设计的，能对管内雨水的流速和压力进行有效的控制和平衡。它一般由虹吸式雨水斗（如图2.4.1~2所示）、管道（连接管、吊管、立管、排水管）、管件、固定件等组成。
图13：虹吸雨水桶
图14 虹吸式雨水斗爆炸图
当雨水、雪水按照我们的要求流入天沟后，就进入有组织排水的过程。一般天沟排水到室外有两种解决方案：一是利用水的重力和天沟的排水坡度，使雨水聚集在落水管中，通过排水管道有组织地排出。这种方式简单易维护，在建筑中应用广泛。另一种是虹吸排水系统技术。
虹吸现象是利用液面高低差的力量，将一个倒U型管状结构灌满液体后，将开口较高的一端放入盛有液体的容器中，容器内的液体会不断通过虹吸管从下端开口流出。（图15）
图15.虹吸原理图
虹吸的本质是由于重力和分子间的内聚力，管内最高处的液体在重力作用下向下方管口移动，使U形管内部产生负压，使高管口的液体被吸入最高处，这样液体就源源不断地流入下部容器。
虹吸排水系统的基本原理是当雨水槽内的水深达到设计深度时，曝气比迅速下降为零，雨水槽内的水流形成负压或压力流（满管压力流），排水量迅速增大，形成饱和排水状态。其技术特点在于虹吸雨水槽设计。通过雨水槽调节进入立管的水的流动状态，消除因水流截面减小而形成的旋涡，从而避免空气进入排水系统，使系统内的管道充满水流。
利用建筑高度赋予的势能，使雨水在不断流动过程中形成虹吸效应（如图16~17所示），使水流速度迅速增加，实现大流量排水过程。
图16：天沟排水效果图
图17 天沟虹吸排水系统改造示意图
这里要强调的是，在设计天沟虹吸排水系统时，必须考虑到当不锈钢天沟因温差而变形时，固定在天沟上的虹吸雨水斗会随天沟槽移动，如果与虹吸雨水斗连接的落水管不能适应其位移就会断裂，导致排水功能失效。
2.5 寒冷地区屋面除雪除冰系统设计及排水应考虑的问题
寒冷地区冬季金属屋面经常会积雪，严重影响金属屋面的安全，为解决这一问题可在不锈钢排水天沟内安装天沟融雪系统。
天沟融雪系统一般采用恒功率电加热电缆作为融雪手段，基本方法是将经过设计计算选定的加热电缆敷设在不锈钢天沟内。
在确定天沟融雪方案时，应根据工程所在地冬季气候条件及环境，通过计算选定加热带，并确定加热带在天沟内的铺设方案；以实际工程为例，为保证除冰融雪的速度和效果，选用了标称功率为35瓦/米的加热带，在天沟内的铺设方式为1：6呈“S”型（图18），天沟槽的除冰融雪功率为210瓦/米，越靠近落水管铺设越密集。
本工程融雪散热量计算如下：融雪系统设计依据为《地面辐射供暖技术规范》JGJ142--2004，散热量计算如下：
单位楼面面积所需散热量（Qx）按下式计算：
Tpj=Tn+9.82*(Qx/100)0.969
式中Tpj-----------地表温度（℃），按融雪要求地表温度在1℃左右，即Tpj=1℃
式中Tn为计算环境温度，本除冰工程中为室外最低环境温度，即Tn=-31℃（鄂尔多斯地区室外最低温度为-31℃）
式中Qx----------单位楼面面积所需散热量w/㎡
1=-31+9.82*(Qx/100)0.969
（Qx/100）0.969=32÷9.82=3.26
由上式可知：Qx≈348W/㎡
根据计算结果，每延米平均功率为348*0.6=209W。若采用35W/m加热电缆，实际敷设按每延米6.5米加热电缆（含折弯线）计算。考虑到实际使用情况及控制系统操作和现场供电的方便性，该建筑屋面天沟设置多个控制点，每个控制点均设置控制箱进行分区控制。
天沟内加热电缆的敷设方式可根据实际工程要求，采用“S”型敷设或平行敷设（如图2.5.3所示），为提高融雪速度，可采用大功率加热电缆或在天沟的垂直板、屋面板檐口处加设融雪装置。
图18：“S”形敷设的电加热电缆
图19 “S”型电热带融雪效果
图20 电伴热带平行敷设
2.6 屋面及不锈钢天沟隔声设计
雨滴撞击屋面及天沟的不锈钢板时，会产生振动，从而向室内传递两种声音：一种是振动辐射的空气声，另一种是通过结构传递的固体声。如果屋面结构具有良好的空气声隔声性能和良好的撞击声隔声性能，则可以减少雨噪声。
增加屋面质量是解决雨噪最有效的方法，但对于金属屋面等轻质屋面来说并不可行。因此，减少雨噪对室内影响的唯一方法就是改变屋面结构。一般来说，层数越多，层间界面越多，效果越好。雨噪是在结构中传播的弹性波，声波经过界面时钢结构桥落水系统，继续传播的声能会因反射而减少，因此界面有利于降低声能。
采用岩棉、离心玻璃棉等吸音材料作为层间填充，可以提高隔声层的空气声隔声性能，同时这些吸音材料还有提高保温性能的作用。有些材料如聚苯乙烯、聚氨酯等，虽然具有保温性能，但不具备吸音性能，对隔绝雨噪作用不大。
根据以往的实验室测试数据和工程经验，某项目所采用的金属幕墙综合隔声量在30dB左右。为了增加屋面的隔声量，在轻质屋面板中采用石膏板、GRC板作为隔声层，可以达到较好的隔声效果。隔声层一方面起到了分层的作用，另一方面也增加了部分重量，从两个方面提高了隔声效果。在幕墙中增加GRC板，综合隔声量可提高约10dB~40dB。
当屋顶的上部和下部面板由龙骨（或其他刚性支撑）固定，声音范围内的面板会通过龙骨传播到另一侧，这种传播的声音像桥梁一样面板和龙骨之间的静态垫，例如弹性金属条或弹性材料垫，可以在一定程度上改善轻质屋顶的隔音，这可以通过上述所有方法有效地提高所有方法。
3 结论
近年来，越来越多的金属屋顶，尤其是具有双曲线的金属屋顶系统，在国内和国外的大型建筑物中，这些特殊的屋顶都会为建筑物增添颜色。系统设计没有到位，尤其是排水沟的设计并不能完全分析工作状态的适应和协调，从而导致不锈钢排水沟的使用功能失败，并导致屋顶泄漏的严重后果。
本文中介绍的一些内容和设计解决方案，例如溢出的形式，挡水板和落水室的设置，构造沙子收集池等，是我多年来在屋顶设计和练习中的经验的摘要，如果他们可以为金属屋顶系统提供一些有用的灵感，我会感到非常高兴。
参考
[1] Wang Deqin，“ Ordos博物馆的双曲线金属屋顶设计”，幕墙设计，2010年3月3日
[2]天窗和金属屋顶的技术规范，中华人民共和国的行业标准，JGJ 255-2012
[3] Wang Deqin和Wang Qi，“ Linyi Grand Theatre的螺旋形金属屋顶的设计经验”，中国建筑金属结构，2015年，第2号
[4] Wang Deqin，《山东泰旺经济和贸易中心特殊形状的屋顶设计》，中国建筑防水，2012年，第7号
[5] Zhu Xiangdong，金属屋顶雨量隔热的技术指标，Tsinghua大学，建筑环境测试中心，2010.05
专家介绍
Wang Deqin
铝制门，窗户和窗帘墙委员会专家小组
工作场所：北京Dehong工程技术研究中心
技术名称：教授级高级工程师
专业：门，窗户和窗帘墙标准的准备，建筑玻璃和金属结构的设计和研究
专业知识：大型金属屋顶和用双曲线电缆结构的玻璃窗帘墙的产品开发，节点设计，建筑技术研究和应用。
