1. 简介
当今的建筑风格已呈现出多元化的发展方向，建筑设计已不再满足于常规的建筑形式，许多极具视觉冲击力的大型、超大型建筑越来越多地呈现在我们面前。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，展现出建筑艺术的魅力。异形金属屋面系统以前只是建筑风格中的个别单体，但现在已得到广泛的应用。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的应用越来越广泛。（图1.1~1.2）
近年来，随着建筑幕墙、金属屋面设计方法和技术手段的不断完善，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。
图1.1 贵州铜仁凤凰机场航站楼玻璃及金属板侧立面图
王德勤，男，1958年4月出生，教授级高级工程师，北京德鸿幕墙技术研究中心主任钢结构屋面防水的参考文献，研究生导师，中国建筑装饰协会专家组成员，中国建筑金属结构协会专家组成员，中国钢铁协会空间结构分会索结构专家，国家标准化技术委员会专家，18项国家专利发明人。
如何更好地实现建筑创意钢结构屋面防水的参考文献，如何在保证屋面物理指标和性能的同时，将建筑语言表达得更加透彻，是众多幕墙公司和幕墙设计师必须面对的问题。
图1.2 贵州铜仁凤凰机场航站楼照片
图1.3 航站楼侧幕墙铝板及玻璃板照片 图1.4 顶部铝板及玻璃板照片
本文所说的金属屋面、铝幕墙的金属面板，是指外表层为3mm厚铝单板，表面喷氟碳，内装饰层为2mm厚穿孔铝单板，表面喷粉。内外层之间夹有防水透气膜、保温棉、无纺布等。内外铝板之间采用铝合金龙骨支撑连接，形成易于组装的金属面板体系，既具有内装饰性，又具有金属幕墙、金属屋面所要求的防水、保温、隔气、隔声、防潮等物理性能指标。（图1.3~1.4）
该类型面板最大的特点是所有面板均在工厂加工制作，便于控制面板的加工质量和精度。施工现场只进行面板的组装吊装。面板组装到位后，在完成建筑立面和屋面的使用功能的同时，还能一次性完成室内外装饰效果。室内外无需进行表面装饰即可投入使用，可以节省大量的装修费用和施工时间。
2. 板拼金属屋面板设计
以贵州铜仁凤凰机场航站楼设计为例，介绍其设计方案及其性能的实现。
贵州铜仁凤凰机场航站楼为改扩建工程，设计施工过程中，机场必须正常运行，对工程设计施工提出了很高的要求。其结构形式为框架结构加钢结构体系，屋面部分支撑结构为球面网架体系。当地基本风压值为0.3kN/m2，基本雪压值为0.3kN/m2，重现期均为50年。
整个建筑的立面和屋顶均采用玻璃和铝板，有机地拼接成交错起伏的造型。特别是在建筑的中部，建筑师用天地扭转的手法，将立面扭转180度（图2.a~2.b），展现出今天与过去的翻天覆地的变化。特别是在建筑的中部，外墙从前立面到屋顶翻转了90度，再从屋顶到后立面又翻转了90度，给人一种凤凰重生的震撼。
图 2.a 外墙从正面到屋顶翻转 90 度 图 2.b 外墙铝板和玻璃的起伏形状
由于建筑效果的要求，该项目中间的金属幕墙与金属屋面、玻璃幕墙与玻璃天窗之间没有明显的分界线。设计中为了达到扭转效果和渐变的光线折射面，在每片平板玻璃之间采用多角度错缝，实现玻璃板间的扭转。金属屋面板基本对齐，在部分位置采用较大的错缝，以显示翻转的力度。（图2.c~2.d）
图2.c 玻璃板与金属板连接节点 图2.d 多角度大错缝方法节点图
2.1 室内外装饰与建筑物理性能的有机结合
建筑装饰面层是能有效展示建筑设计理念的载体，装饰面层本身对建筑的物理性能并无直接要求，面层与功能层可以是两个独立的系统，也可以是一个有机结合的整体，只要能在保证建筑物理性能的基础上达到建筑的装饰效果，都是可行的。
图2.1.1 机场航站楼玻璃双曲立面照片 图2.1.2 机场航站楼内立面照片
贵州铜仁凤凰机场航站楼外立面及屋面，采用将内外装饰面层与建筑表面功能层有机结合为一个整体的做法，既解决了建筑的各项物理性质问题，又实现了建筑师对于内外装饰面效果的要求。（图2.1.1~2.1.2）在节省工程造价的同时，大大降低了异形建筑幕墙及屋面现场安装的施工难度，有效缩短了现场安装工期，取得了良好的经济效益和社会效益。
2.2结构、连接系统与装饰板间的施工
本工程主体结构、支撑龙骨、面板、连接系统、装饰面层的关系为：主体结构为钢结构体系；异形金属屋面及天窗支撑结构为球面网架体系；屋面系统利用网架体系球面节点作为支撑点，按照设计定位尺寸通过可调节点支架将支撑龙骨固定安装；组装式具有保温隔热性能的金属板体系通过固定在龙骨上的多个连接件连接固定。
预制金属板是指采用3mm厚铝单板作为外表层，表面氟碳喷涂，2mm厚穿孔铝单板作为内装饰层，表面粉末喷涂。内外层之间夹有防水透气膜、保温棉、无纺布等。铝合金龙骨支撑、连接内外铝板，形成易于组装的金属面板体系，兼具内外装饰性能，同时具备金属板幕墙、金属屋面所要求的防水、保温、隔气、隔音、防潮等物理性能指标。（图2.2.1~2.2.2）
图2.2.1 贵州铜仁凤凰机场航站楼效果图 图2.2.2 贵州铜仁凤凰机场航站楼效果图
2.3 双层防水构造沟设计
为了保证板间的间隙（胶接）在各种工况下能实时保证设计所要求的气密性、水密性等物理性能，需要对支撑体系及组装好的金属板间的相对位移、结构间的温度变形进行分析：
主体结构所支撑的球面网架结构与屋盖支撑龙骨均采用钢结构材料，且处于同一温度场中，因此在温度荷载作用下，它们的相对变形很小，可以视为无相对位移。
板与结构处于两个不同的温度场中，又是不同的结构体系、不同的线膨胀系数的材料，它们之间在各种情况下都会产生位移。在节点设计时要充分考虑连接节点在具有连接固定功能的同时，还要能适应它们之间在三维方向的变形位移。
由于板块固定在各自的支撑龙骨上，因此每块板块在受到外界条件的影响下尺寸都会发生变化，最终体现在板块之间间隙尺寸的变化上。
2.3.1以实际工程为例，分析面板材料的温度变形：
贵州铜仁机场工程金属屋面板块分割尺寸较大，在不考虑其他因素的情况下，仅考虑温度变化的影响，分析计算如下：
对于受阳光直射的外铝合金屋面板，以100℃为最大温差；标准板材尺寸为2000mmX3000mm；最大花纹板对角线尺寸为4100mmX2000mm；依据《铝及铝合金轧制板材》（GB/T 3880）
常用建筑材料热膨胀系数表（单位：X10-6/℃）
计算：该项目位于贵州，属夏热冬冷地区，铝板长度为3000mm，假设屋面铝板外表面最大温差为100℃，室外铝板
这意味着一块板内，温度变化引起的外板与内板的最大尺寸变形差为5.15MM，板尺寸越大，变形差越大，这就要求在设计板结构时要充分考虑这方面的影响，在内外板连接处应有允许平面内变形的结构，这样才能保证屋面系统在工作时保持其各项物理性能。
2.3.2 双层防水结构沟节点设计方案
10由以上计算可知，金属屋面板受温度变化影响时，面板间接缝处会产生较大的尺寸变化，通常我们在接缝处采用硅酮密封胶来保证气密性和水密性。如果采用常规的铝幕墙结构，已经不能满足接缝处密封的要求。为了适应其尺寸变化，在使用大位移硅酮密封胶的同时，在外板接缝处采用双胶缝，以增加其位移能力。（如图2.3.a~b所示）
图2.3.2a 机场航站楼双轨胶接施工现场照片
为保证其防水性能，设计了“错层双层防水结构”。即在安装过程中，板材就位后，先在板材厚度方向中间打一层防水密封胶。并经闭水试验合格后，再打外层双胶缝。（图2.3.2c~d）彻底解决板材变形引起的防水问题。
2.3.2c 两道密封胶缝现场施工控制 2.3.2d 胶缝现场防水试验
3.金属屋顶排水沟
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设的收集雨水的凹槽，并能通过排水管道系统将雨水有组织地排出。一般用不锈钢板制成“U”形或矩形的排水系统，就称为不锈钢排水天沟。
图2.1.a 不锈钢天沟安装现场 2.1.b 金属屋面天沟
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、防水卷材等，以减少噪音，提高天沟的防腐能力，增加使用寿命。
3.1. 设计排水沟时应考虑哪些因素？
3.1.1.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)防水系统应采用两层以上的防水构造，防水系统应能吸收温度变化等引起的位移。
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。
3.1.2. 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，严禁将不锈钢天沟板边缘直接锚固（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较大的温差，天沟与支撑结构在天沟槽纵向将产生较大的相对变形，若采用固定措施限制其变形，将使该部位产生较大的温度应力，导致其损坏。
图2.2.2 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。
3.1.3. 坡度较大的排水沟应设挡水挡板及横水斗:
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（如图3.1.3a所示）。
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。
图3.1.3a 陡坡天沟挡水挡板布置示意图
挡水板形式可采用筛板式、桥式、板式等，挡水板高度一般可为天沟边立板高度的1/2～1/3(如图3.1.3b所示)。
图3.1.3b 天沟挡水挡板示意图
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，集水槽下部短边应设置挡水板。
3.1.4. 坡屋面的水平天沟底板宜水平设置。
在弧形建筑屋面安装天沟时，应充分考虑天沟在使用过程中的排水效果，不锈钢天沟段的下底板不得设置成一定角度（如图3.1.4a所示），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，还会因积水造成天沟内污染。
图3.1.4a 天沟挡水挡板形状简化图 图3.1.4b 天沟挡水挡板形状简化图
实际工程中，天沟段底板倾斜设置，多是由于结构面与屋面距离过小，且未考虑天沟位置，应重新定义结构与屋面板的关系，设计时必须将不锈钢天沟段底板水平设置，以使天沟能起到有效的排水作用（如图3.1.4b所示）。
3.1.5. 排水沟端部及长度方向接头设计：
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。
3.2 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，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。
根据以往实验室测试数据及工程经验，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。
当屋面的上下面板用龙骨（或其它刚性支撑）固定时，受声侧面板的振动会通过龙骨传递到另一侧，这种像桥梁一样传递声能的现象称为声桥。声桥越多，接触面积越大，刚性连接越牢固，声桥现象就越严重，隔声效果就越差。在面板与龙骨之间增设弹性垫块，如弹性金属条或弹性材料垫，可在一定程度上提高轻型屋面的隔声效果，可提高5dB以上。以上几种方法均可有效解决屋面金属板、不锈钢天沟的雨噪声隔声问题。
4. 结论
近年来，超大曲面金属屋面尤其是双曲面金属屋面系统在国内外大型建筑中得到越来越广泛的应用。我们应该看到，这些异形屋面在给建筑增添色彩的同时，也给我们带来了不少的麻烦。其中，反应最强烈、问题最多的就是渗漏、漏水。这可以说是大型金属屋面质量的一个顽疾，其原因应该是多方面的。其中，板块之间的缝隙（胶接缝）在各种工况下能否实时保证设计中要求的气密性、水密性等各种物理性能，是保证工程整体性能的一个非常重要的因素。另外，排水系统设计不到位，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配合性，导致不锈钢排水沟的使用功能失效，造成屋面漏水的严重后果。这些因素都值得我们研究和总结。
本文介绍的一些内容和设计方案，是本人在设计实践中积累的经验总结，若能给金属屋面系统设计人员提供一些有益的启发，我将十分欣慰。
参考
[1]王德勤，不锈钢排水沟设计，建筑幕墙，2017年第2期
[2] 中华人民共和国行业标准《天窗与金属屋面技术规范》JGJ 255-2012
[3]王德勤、王琪，《临沂大剧院螺旋形金属屋面设计体会》，《中国建筑金属结构》，2015年第2期
[4]王德勤，鲁台经贸中心异形屋面设计，中国建筑防水，2012年第7期
[5] 朱向东，金属屋面雨噪隔声技术指标，清华大学建筑环境检测中心，2010.05
