1 引言
如今的建筑造型已经呈现出多元化的发展方向，一些新建筑师对正式建筑形式的设计并不满足，许多具有巨大视觉冲击力的大型和超大型建筑越来越多地呈现在我们面前。建筑的屋顶和屋顶部分也以外部装饰层作为建筑设计理念的载体，展现了建筑艺术的魅力。过去，异形金属屋面系统在建筑造型中仅作为单个单元使用，但现在已得到广泛应用。超大型曲面建筑金属屋面，特别是双曲面建筑金属屋面系统，在国内外大型建筑中的应用越来越多。（图 1.1~1.4）。
近年来，由于建筑幕墙和金属屋面的设计方法和技术手段不断完善，BIM和计算机立体设计软件的应用充分满足了异形金属屋面的造型设计需求。好吧钢结构桥落水系统，比如
如何更好地实现建筑创意，如何更彻底地表达建筑的语言，同时也要保证屋顶
物理指标和性能已经是许多幕墙企业和幕墙设计师必须面对的问题。
本文所称金属屋面是指由铝镁锰板或铝板、钢板等金属板压制成型的金属屋面系统。屋面系统主要包括：主体支撑钢结构;连接机构;檩;底层为硬质防水镀锌钢板;防潮空气屏障;隔音;绝缘;金属屋面板;外部装饰板。
这里的金属屋面系统主要是指建筑物金属屋面的整体系统，包括：屋面系统、排水系统、屋脊、山墙、檐口、屋面板接口、头部、防雷闪光灯、清洗水接头、不锈钢连接环、融雪融冰装置、落水虹吸装置还包括屋面层装饰板、 附件等
这里的重点是排水系统中排水沟的设计以及虹吸排水的使用。
2.金属屋面排水沟
2.1. 排水沟的定义、功能和作用
排水沟是指建筑物屋顶的两个胯部之间的凹陷部分，以及从建筑物屋顶收集雨水的沟渠。排水沟排水是指使用排水沟将雨水排出屋顶。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排水沟中，然后通过雨水管排出，收集雨水的沟渠称为排水沟，排水沟分为内排水沟和外排水沟，内排水沟是指外墙内的排水沟， 一般有护墙;外天沟是从外墙伸出的天沟，一般没有护栏。
金属屋面不锈钢天沟是指在金属屋面的凹面部分收集雨水，当金属板用作建筑物顶部的防水屋面时，可以通过排水管系统有条不紊地排出的凹沟，不锈钢板一般用于制作“U”形或矩形排水系统， 这被称为不锈钢排水沟。
2.2.排水沟的结构形式及设计方案：
不锈钢排水沟的作用是收集雨水，并通过排水管系统快速有机地排出雨水。
在排水沟的设计中，除了其自身的排水和引水功能外，还应考虑到排水沟是整个屋面系统的一个组成部分。它的功能应该是完整的。特别是在隔热、隔热、隔音和装饰性能方面，应根据不同的项目进行特殊设计。一般要求在天沟金属槽内部填充保温棉，可见部分用装饰面层装饰。在排水沟金属槽室外，涂上防水软膏和防水卷材，有利于降低噪音，提高沟槽的防腐能力，提高使用寿命。
在相关国家标准规范中，金属屋面排水沟的设计有明确规定，排水沟的设计应考虑以下几个方面：
1）排水沟采用防腐性能好的金属材料，不锈钢板厚度不小于2.5mm;
2）防水系统采用两种以上防水结构。防水系统应具有吸收温度变化等引起的位移的能力（见图2.2a，b）。
3）排水沟的截面尺寸应根据排水量计算确定，在长度方向上应考虑伸缩缝，排水沟的连续长度不应大于30m。
4）集水面积超过5000平方米的屋面，应设置不少于2套独立的屋面排水系统，并采用虹吸屋面雨水排水系统。
5）排水沟底板排水坡度应大于1%。在排水沟内侧设置柔性防水层，最好在两侧和所有底板垂直板位置（1/2）处增加柔性防水层。（如图 2 所示。2a、b）
2.2.1. 排水沟溢流的设计：
在CECS183：2005《虹吸屋面雨水排放系统技术规范》中定义如下：
一
溢流是用于在降雨量超过系统设计排水能力时溢出水的孔口或装置。
这
溢流系统不包括在设计回水期内超过降雨量的雨水系统。溢流系统可以是重力系统，也可以是虹吸系统，溢流系统不得与其他系统结合使用。
在排水沟中，如果出现特殊情况，如排水口不畅通、水量过大等特殊情况，为了保证排水沟能够排出水，较好的办法是在排水沟内设置溢流口。当排水沟中的水位达到一定高度时，水通过溢流口溢出，可以有组织地排放到落水管中。或者直接在屋外排水。
我们生活中最常见的溢出是家中使用的水槽。基本上，每个水池的边缘都有一个小开口，这是水池的溢流口。当水到达池子高度的口边时，水会通过这个溢流口流入下水道，这样过多的水就不会溢出。提高水安全。
屋面排水沟在工作状态下的环境比较复杂，很有可能因异物而减少或流失落水管的排水量。或因特殊情况，水量过大而无法及时排出，导致水从排水沟边缘溢出，进入屋面保温层，造成屋面漏水，更严重的可能因水的重量而造成屋面支撑结构的安全问题。
这
溢流口的形式可根据工程特点确定，可采用在天沟侧或垂直板末端开口的方法;也可以采用桌面溢流设计。（见图 2.2.1a、b）。
在设计溢流口时，还应进行溢流端口的布局分析，通过计算分析方法确定溢流端口的大小和位置，以及数量是否满足极限状态下的需要。溢流大小的计算已在“虹吸屋顶雨水排放系统技术规范”中给出。
由于工程不同，特别是异形曲线工程，每段天沟的设置会有所不同，因此在深化设计时，应分析计算每段天沟的布局，每个下沉口和溢流口的设置。
2.2.2. 不锈钢排水沟槽应能与其支撑结构之间相对移位
不锈钢排水沟施工过程中，不锈钢排水沟板的边缘不得直接锚固（焊接）在排水沟的支撑结构上（如图2.2.2所示）。因为天沟和天沟的支撑结构在工作时一般不在温度场内，所以当温度变化时会有很大的温差。在排水沟槽的纵向方向上，天沟与支撑结构之间会有较大的相对变形。如果固定，变形受限，这部分会产生较大的温度应力，导致其失效。
同时，由于不锈钢天沟的材料是不锈钢板，奥氏体不锈钢在20°C至300°C时的线膨胀系数为17.5;支承结构采用碳钢，在20°C至300°C时其线膨胀系数约为11.3至13。 与碳钢相比，奥氏体不锈钢的线膨胀系数最大，比碳钢大40%，线膨胀系数值随温度升高而相应增大。因此，当温度发生变化时，即使达到排水沟及其支撑结构的温度，也会因材料不同而产生较大的应力，并发生温度变形。因此，在排水沟和支撑结构的设计中，应充分考虑相对位移的特性，使其在工作时保持良好的工作条件。
2.2.3. 坡度较大的排水沟应设置阻水挡板和水平落水管
当屋顶布置有大型斜坡排水沟时，应考虑排水沟在使用中的有效性和可靠性。应设置不锈钢排水沟的支撑系统，使其安全稳定。在大坡度的排水沟中设置雨水桶时，应充分考虑雨水的流速。根据其坡度，应确定是否加挡水板（如图2.2.3a所示）。
当坡度大于15%时，建议考虑在不锈钢排水沟内设置阻水板装置，以降低斜排水沟内雨水的水流速，坡度越大，堵水板的数量应越多。除了有效控制水的流速外，封水板还可以有效防止异物进入排水口。
这
挡水板的形式可有筛式、桥式、板式等。挡水板的高度一般可以是排水沟侧立管高度的1/2至1/3（如图2.2.3b所示）。
斜水槽内的雨水桶应设置集水池，将集水池内的雨水集中排放，集水槽底部应水平设置，斜水槽底部不宜安装雨水桶。纵向倾斜的排水沟集水坑应位于倾斜排水沟的下半部分，在集水坑的下部短边缘应设置防水屏障（图 2.2.3a）。
2.2.4. 斜屋顶的横向天沟底板应水平设置
在弧形建筑物的屋顶上设置排水沟时，应充分考虑排水沟在使用中的有效性，不锈钢排水沟段的下底板不宜倾斜设置（如图2.2.4a所示），这将严重影响排水沟设计能力的有效性，大大降低排水沟的排水性能， 同时会因积水而对排水沟造成污染。
在实际工程中，天沟段底板的倾斜设置大多发生在结构面与屋面距离太小时，不考虑天沟的位置。应重新确定结构与屋面板之间的关系。在设计中，不锈钢排水沟段的下底板必须水平设置，使排水沟发挥有效的排水作用（如图2.2.4b所示）。
2.2.5.排水沟末端设计及接缝长度方向：
排水沟的截面尺寸应按排水计算确定，在长度方向上应考虑伸缩缝。由于排水沟的纵向长度有温度变形的影响，所以长度不宜过长。根据国家标准规定，排水沟的连续长度不应大于30m。这是一个参考大小，可以根据实际情况为特定项目请求。连续长度尺寸的确定主要是考虑在天沟处于工作状态时，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。在计算100°C以上的温度变化时，应考虑温度变化值（温差）。 排水沟端部和接缝形式也应根据每个实际工程情况和要求进行设计。
2.2.6. 排水沟的清洗及灰尘和积沙的设计：
大多数屋顶排水沟和排水沟都暴露在外，室外灰尘、沙尘暴和风夹杂物会随着雨水或重量进入排水沟。特别是在大风大沙的地区，这个问题非常严重，即使是有盖板的排水沟也会被沙尘侵入，如果不能及时清理沙子，所有的排水口都会被密封，尤其是彩虹排水口的功能损坏非常严重。（见图 2.2.6a、b、c）。
解决这个问题的最好办法是及时清理积聚的沙尘。在实践中，清理积沙的方法有很多，除了常规的人工清理外，还可以设置高压水枪来清洗和清除积沙。
我们在这里要重点介绍的是一种非常实用的清理积沙的方法：在排水沟的底部，天坑的边缘设置了一个集沙池（如图2.2.6d所示）。
集砂槽的作用是通过雨水流将积聚在排水沟中的沙子和异物带入集砂池，在方便清洗排水沟内沙子的同时，可以防止沙子快速进入落水系统，为清洗赢得时间。可以在沉淀池中设置一个活动池，当沉积物被清除时，可以通过将可移动的凹槽移出来去除沉积物。
2.3. 金属屋面集水区的划分及集水区的分析计算
在金属屋面排水沟的设计中，集水区和集水量的确定直接影响到不锈钢排水沟系统和落水管系统的布局和结构设计，是保证屋面功能设计的关键参数。集水区分析的主要内容是分析给定排水沟每单位时间可以收集的最大雨水量。这需要分析和计算可以接受与该排水沟相对应的雨水的金属屋顶的总面积。一般平屋顶和斜屋顶的计算分析比较简单，可按以下方法得到结果。但是，应根据其屋面板布置图对相应复杂异形金属屋面的集水区进行分析。下面是落水管共享雨水量的计算，排水量的计算，落水管直径的计算，这是排水沟设计中最重要的分析计算。
（1）计算每个天坑共享的雨水量：
屋面长度：L（m）;屋面宽度：B（m）;
集水面积：Ar=B ́L（m2）;
降雨量：Qr=Ar ́I ́10-3/3600（m3/sec）;
降雨强度：I（毫米/小时）。
一个考虑屋顶堆积能力的因素。在1.0~2.0之间。
平屋顶（坡度
>2.5%）1.5~2.0。图2.3.1，排水沟对应的集水区分析图
（2）排水沟排水量的计算（排水沟段核算）：
排水沟排水量使用曼宁公式计算：
Qg=Ag'Vg =Ag'R2/3'S1/2/n
Ag=W'HW
R=银/（W+2HW）
Vg：排水沟排水速度（m/sec）。
N：SUS或彩板摩擦系数=0.0125 图2.3.2，排水沟剖面图
S：排水沟坡度 = 1/100
W：排水沟宽度（m）。
H：排水沟深度（m）。
Hw：设计最大水深（m）（通常为0.8H）。
FOR Qg> Qr排水槽的截面符合要求。
（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）。
广告：落水管面积（m2）。
g：重力加速度 = 9.8 m/sec
HW：排水沟最大水深（m）。
FOR Qd>Qr使用落水管的尺寸来满足要求
2.4. 虹吸屋面雨水排放系统设计
在CECS183：2005《虹吸屋面雨水排水系统技术规范》中规定，虹吸屋面雨水排放系统：按虹吸管全管压力流原理设计，管道内雨水的流量和压力可有效控制和平衡屋面雨水排水系统。一般由虹吸雨水桶（如图2.4.1~2.所示）、管材（连接管、悬索管、立管、排水管）、管件及固定件组成。
当雨水和雪水按照我们的要求流入排水沟时，就进入了有组织的排水过程，一般情况下，从排水沟排到外面有两种方式：一种是通过水的重力和排水沟的排水坡度将雨水收集到落水管， 并有组织地通过排水管排放。这种方法简单易维护，在建筑物中大量使用。二是虹吸排水系统技术。
虹吸是一种利用液位高度差的力将管结构填充成倒U形，然后将开口的高端置于装满液体的容器中，容器中的液体通过虹吸管继续从下部开口流出的现象。（图 2.4.3.）。
虹吸的本质是由于重力和分子间凝聚力而产生的。装置内管道最高点的液体在重力作用下向低喷嘴移动，U型管内产生负压，使高喷嘴处的液体被吸入最高点，使液体不断流入低容器。
虹吸排水系统的基本原理是，当排水沟内积水深度达到设计深度时，曝气比迅速降至零，斗内水流形成负压或压力流（全管压力流），泻药流量迅速增加，从而形成饱和排水状态。其技术特点在于虹吸式雨水桶设计，通过雨水桶调节进入立管的水流状态，消除了因水截面变窄而形成的涡流，从而避免了空气进入排水系统，使系统中的管道处于全流量状态。
利用建筑物高度赋予的势能，在雨水的连续流动中形成虹吸效应（如图2.4.4~5所示），导致水流速度迅速增加，流量排水过程大。
这里，我想强调的是，在排水沟虹吸排水系统的设计中，必须考虑到固定在排水沟上的虹吸雨水桶在不锈钢排水沟有温差变形时会随着排水沟槽移动，如与吸雨水桶相连的落水管无法适应其位移， 并且会出现断裂现象，导致排水功能失效。
2.5. 寒冷地区屋面融雪融冰系统设计排水应考虑的问题
在寒冷地区的冬季，金属屋面上经常出现积雪现象，严重影响了金属屋面的安全性。为了解决这个问题，可以在不锈钢排水沟中铺设排水沟融雪系统。
排水沟中的融雪系统通常使用恒功率电伴热作为融雪的手段。基本方法是将设计计算后选定的伴热铺设在不锈钢排水沟中
在确定排水沟融雪方案时，应根据工程所在冬季气候条件和环境，通过计算选择伴热方案，确定排水沟内伴热的铺设方案;以实际工程为例，为保证除冰融雪的速度和效果，伴热电热标称功率为35瓦/米，排水沟内铺设方式为1：6呈“S”形（如图2.5.1所示），沟槽除冰融雪功率为210瓦/米。下旋铲斗铺设在充气机附近。
融雪工程散热计算如下：融雪系统设计依据《地面辐射供暖技术规程》JGJ142--2004。散热计算公式如下：
单位建筑面积所需散热量（Qx）按以下公式计算：
Tpj=Tn+9.82*（ Qx/100）0.969
其中Tpj-----------地表温度（°C），根据融雪要求，地表温度在1°C左右，即Tpj=1°C
其中 Tn 计算环境-----------温度。在融冰工程中，室外最低环境温度为Tn=-31°C（鄂尔多斯室外最低温度为-31°C）。
其中 Qx ----------单位地面面积所需的散热量 w/m2，即 1=-31+9.82*（ Qx/100）0.969
（ Qx/100）0.969=32÷9.82=3.26
从上面的公式中我们知道：Qx ≈348W/m2
根据计算结果，每延米平均功率为348*0.6=209W，采用35W/m的加热电缆，加热电缆（含弯曲丝）实际按每延米6.5米铺设。考虑到实际使用和控制系统操作的便利性和现场供电，建筑物的屋顶天沟设有多个控制点，每个控制点都配有一个控制箱进行分区控制。
根据实际工程要求，排水沟内伴热的敷设方式可采用“S”形敷设方案，也可采用平行敷设方式（如图2.5.3所示）。为了提高融雪速度，还可以选择大功率伴热或在排水沟的垂直板和屋面板的屋檐上增加融雪装置。
2.6 屋面和不锈钢天沟的隔音设计
雨滴撞击屋顶和排水沟的不锈钢板会引起振动，振动将两种声音传递到房间内：振动辐射的空气声音和通过结构传播的固体声音。如果屋面结构具有良好的空气隔声能力和良好的冲击隔声能力，则可以降低雨噪声。
提高屋面质量是解决雨噪声问题最有效的方法，但对于金属屋面等轻型屋面来说是不可行的，因此雨噪声对室内的影响只能通过改变屋面的结构做法来减少。一般来说，层数越多，层与层之间的接口越多越好。雨噪声是在结构中传播的弹性波，当声波通过界面时，声能会因反射而降低，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进行夹层填充，可以提高隔音层的空气隔声性能。同时，这些吸音材料还具有提高隔热性能的作用。有些材料，如聚苯乙烯、聚氨酯等，具有隔热性能，但不具有非吸音性能，对隔热雨噪影响不大。
根据以往的实验室测试数据和工程经验，一个工程中使用的金属幕墙综合隔音量约为30dB。为了增加屋面的隔音量，在轻质屋面板上，采用纸石膏板和GRC板作为隔音层，可以起到更好的隔音效果。隔音层一方面起到分层的作用，另一方面也增加了部分重量，从两个方面提高了隔音效果。通过增加GRC面板，幕墙的综合隔声可提高约10dB至40dB。
当屋面的上下面板由龙骨（或其他刚性支撑）固定时，受声影响的侧板的振动会通过龙骨传递到另一侧板，这种像桥一样传递声能的现象称为声桥。声桥越多，接触面积越大，刚性连接越强，声桥现象越严重，隔声效果越差。在板材和龙骨之间增加弹性垫，如弹性金属条或弹性材料垫，可以在一定程度上提高轻质屋顶的隔音效果，最多可以提高5dB以上。这些方法可以有效解决屋顶和不锈钢排水沟的雨噪声和隔音问题。
3 结束语
近年来，超大型弧形建筑金属屋面，特别是双曲面金属屋面系统，越来越多地应用于国内外大型建筑。我们应该看到，这些异形屋顶为建筑物增添了色彩，也给我们带来了很多麻烦。其中，反应最激烈的，问题最大的就是渗水和漏水。这可以说是大型金属屋面质量上的一个顽固问题，其原因应该很多。但是，排水系统的设计没有到位，特别是排水沟的设计没有充分分析工作状态下的适应性和协调性，导致不锈钢排水沟的使用功能失效，造成屋顶漏水的严重后果。
本文介绍的一些内容和设计方案，如溢流口的形式、防水层和落水管的设置、集砂池的结构等，都是我多年屋面和天沟设计与实践经验的一点经验总结，如果能为金属屋面系统的设计者提供一些有用的灵感，我深感欣慰。
引用
[1] 王德勤，“鄂尔多斯博物馆双曲面金属屋面设计”，《幕墙设计》，2010年第3期
[2] 采光屋顶和金属屋面技术规范，中华人民共和国行业标准，JGJ 255-2012
[3] 王德勤， 王琦， 临沂大剧院螺旋形金属屋面设计经验， 中国建筑金属结构， 2015， No. 2
[4] 王德勤， 鲁泰经济贸易中心异形屋面设计， 中国建筑防水， 2012， 第7期
[5] 朱向东，金属屋面雨噪声隔音技术指标钢结构桥落水系统，清华大学建筑环境检测中心，2010.05
专家演讲
王德勤
铝门窗幕墙委员会专家组
工作单位：北京德宏工程技术研究中心
技术职称：教授级高级工程师
专长：门窗幕墙标准编制，建筑玻璃金属结构设计研究
专长：大型金属屋面及双曲面索结构点支撑玻璃幕墙的产品开发、节点设计、施工技术研究及应用。在国内，是最早研发和推动点支玻璃幕墙的企业之一。
