一、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出现在我们面前。建筑的屋面及屋顶部分也以外层作为建筑设计思想的载体，展现了建筑艺术的魅力。过去，异型金属屋面系统仅作为建筑造型中的独立单元使用，但现在已得到广泛应用。超大型弧形建筑金属屋面，特别是双曲面建筑金属屋面系统，越来越多地应用于国内外大型建筑中。 （图1.1~1.2）
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和计算机三维设计软件的应用可以完全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与金属面板侧立面图
王德勤，男，1958年4月出生，教授级高级工程师，北京德宏幕墙技术研究中心主任；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；中国钢协空间结构分会索结构专业专家；国家标准化技术委员会专家。十八项国家专利发明人。
如何在保证屋顶各项物理指标和性能的同时，更好地实现建筑创意，如何更彻底地表达建筑语言，已经是很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、玻璃板照片 图1.4 顶部铝板、玻璃板照片
本文所说的金属屋面、铝幕墙金属板是指外装饰层为3mm厚铝单板，表面氟碳喷涂，内装饰层为2mm厚穿孔铝单板，表面粉末喷涂。表面。内外层之间夹有防水透气膜、保温棉、无纺布等。铝合金龙骨支撑和连接内外铝板，使其兼具内外装饰性能，同时还具有防水、保温、隔气、保温的作用。是一种易于组装、满足各种金属板幕墙、金属屋顶所需的隔音、防潮等物理性能指标的金属板系统。 （图1.3~1.4）
此类板材最大的特点是所有板材均在工厂加工，有利于控制板材的加工质量和精度。施工现场仅进行面板预制吊装。板材组装到位后，可一次性完成室内外装饰效果，同时完成建筑立面和屋顶功能。无需内外表面装修即可投入使用，可节省大量装修费用和施工时间。
2、板式装配式金属屋面板的设计
以贵州铜仁凤凰机场航站楼设计为例，介绍其设计方案及性能实现。
贵州铜仁凤凰机场航站楼是改扩建工程。在设计和建设过程中，机场必须正常运行，这对项目的设计和建设提出了很高的要求。其结构形式为框架结构和钢结构体系，屋盖部分支撑结构为球形网架体系。当地基本风压值为0.3kN/m2，基本雪压值为0.3kN/m2。两者的回报期均为50年。
整个建筑的外立面和屋顶均由玻璃和铝板交替构成，玻璃板和铝板有机拼接成匀称、起伏的形状。尤其是在建筑的中部，建筑师采用了天地大扭的手法，将立面扭转了180度（图2.a~2.b），展现了今时今日与过去的翻天覆地的变化。 。尤其是建筑中部，外墙从前立面翻转90度到屋顶，再从屋顶翻转到后立面90度，给人以凤凰涅槃重生的震撼。
图2.a 外墙从前立面翻转90度至屋顶 图2.b 外侧铝板和玻璃的起伏形状
由于建筑效果的要求，工程中部的金属幕墙与金属屋顶、玻璃幕墙与玻璃采光顶没有明显的界限。在设计中，为了达到扭曲的效果和渐变的光线折射表面。每片平板玻璃之间采用多角度交错接缝，实现玻璃面板之间的扭转。金属屋面板基本相互对齐，并在某些位置使用大交错缝以显示反转。强度。 （图2.c~2.d）
图2.c 玻璃板与金属板连接节点 图2.d 多角度大错缝节点图
2.1内外装饰与建筑物理性能的有机结合
建筑物的装饰面是能够有效展示建筑设计思想的载体。装饰面本身对建筑物的物理性能没有直接的要求。表面层和功能层可以是两个独立的系统。也可以是相互有机结合的一个整体。只要在保证建筑物物理性能的基础上能够达到建筑物的装饰效果，就认为是可行的。
图2.1.1 机场航站楼玻璃双曲立面效果照片 图2.1.2 机场航站楼室内装饰效果照片
贵州铜仁凤凰机场航站楼外立面及屋面采用内外装饰面层与建筑表面功能层有机结合为一体，既解决了建筑的物理性能，又达到了建筑师对室内外装饰的要求。外部装饰表面效果。 （图2.1.1~2.1.2）在节省工程造价的同时，也大大降低了异型建筑幕墙、屋面现场安装的施工难度，有效缩短了现场安装周期，取得了良好的效果。经济效益和社会效益。
2.2 结构、连接系统与装饰板之间的施工
本工程主体结构、支撑龙骨、面板、连接系统及装饰面之间的关系为：主体结构为钢结构体系；异形金属屋面和采光屋面的支撑结构为球形网格系统；屋面系统采用网架系统各球形节点作为支撑点，通过可调节的节点支撑，按照设计的定位尺寸固定安装支撑龙骨；将具有保温、隔热等性能的装配式金属板系统通过多个连接件连接固定在龙骨上。
预制金属板是指采用3mm厚铝单板作为外饰面层，表面喷涂氟碳，内装饰层采用2mm厚穿孔铝单板，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。铝合金龙骨支撑和连接内外铝板，使其兼具内外装饰性能，同时还具有防水、保温、隔气、保温的作用。是一种易于组装、满足各种金属板幕墙、金属屋顶所需的隔音、防潮等物理性能指标的金属板系统。 （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 双层防水结构沟设计方案
为了确保板之间的间隙（胶缝）在各种工况下能够实时保证设计中要求的气密性、水密性等物理性能，必须对支撑系统和组装好的金属板进行比较。结构间位移分析及温度变形分析：
主体结构支撑的球形网架结构和屋顶支撑龙骨均采用钢结构材料，处于温度场。因此，在温度载荷作用下，其相对变形很小，可以视为不发生相对位移。
板材和结构处于两个不同的温度场、不同的结构体系、不同线膨胀系数的材料。他们之间会产生各种位移。在设计节点时，应充分考虑连接节点在具有连接和固定作用的同时，还必须能够适应彼此在三维方向上的变形和位移。
由于板材固定在各自的支撑龙骨上，每块板材本身在外界条件的作用下都会发生尺寸变化。这最终将反映在板之间间隙尺寸的变化上。
2.3.1.以实际项目为例，分析面板材料的温度变形：
贵州铜仁机场工程金属屋面板分割尺寸较大。不考虑其他因素，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；最大菱形板对角线尺寸4100mm/T 3880)
常用建筑材料热膨胀系数表（单位X10-6/℃）
计算：本项目位于贵州省，夏热冬冷。铝板长度为3000mm。假设屋顶铝板外表面最大温差为100℃，则室外铝板
这意味着在一块板材内，由于温度变化引起的外板和内板之间的最大尺寸变形差异为5.15MM。板材越大，变形差异越大。这就要求在板材的结构设计中充分考虑到这种影响。内板和外板之间的连接必须具有允许面内变形的结构。这可以确保屋顶系统在工作状态下保持其物理性能。
2.3.2.双层防水结构沟槽节点设计方案
10 从上述计算可以看出，当金属屋面板受到温度变化的影响时，面板之间的接缝处会发生较大的尺寸变化。通常我们在接缝处使用硅酮密封胶来保证气密和水密性能。如果采用常规铝板幕墙结构，无法满足接缝密封要求。为了很好地适应其尺寸变化，在采用大位移硅酮密封胶的同时，在外板接缝处采用双胶接缝，以增加其位移能力。 （图2.3.a~b）
图2.3.2a 机场航站楼双胶缝施工现场照片
为了保证其防水性能，设计了“错位两层防水结构”。也就是说，在安装过程中，板材定位后，首先在板材厚度方向的中间涂抹一层防水密封胶。并通过闭水试验后，进行外层双胶缝的制作。 （图2.3.2c~d）彻底解决板材变形带来的防水问题。
2.3.2c 两处密封胶缝现场施工控制 2.3.2d 现场对胶缝进行闭水试验
3、金属屋面排水沟
金属屋面不锈钢天沟是指金属板作为顶部防水屋面时，在金属屋面凹处收集雨水并能通过排水管道系统有组织地排出雨水的凹槽。建筑。一般用不锈钢板制作成“U”形或矩形的排水系统，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 金属屋面檐口天沟
不锈钢天沟的作用是收集雨水，并通过排水管道系统有组织、快速地排出。
在设计天沟时，除了充分考虑其自身的排水、导水功能外，还需要考虑排水天沟是整个屋面系统的组成部分。其功能必须齐全。特别是保温、隔热、隔音、装饰性能必须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安装保温棉填充物，并用装饰面覆盖可见部分。在天沟金属槽外侧涂抹防水油膏和防水膜。这样有利于降低噪音，提高沟槽的防腐能力，延长使用寿命。
3.1.排水沟设计时应考虑的事项
3.1.1.金属屋面排水沟的设计在国家相关标准和规范中已有明确规定。排水天沟的设计应考虑以下几个方面：
1）排水沟采用防腐性能良好的金属材料制成，不锈钢板的厚度不应小于2.5mm；
2）防水系统采用二级以上防水结构。防水系统应具有吸收因温度变化等引起的位移的能力。
3）排水天沟的截面尺寸应根据排水计算确定，长度方向应考虑伸缩缝。天沟的连续长度不宜大于30m。
4）集水面积大于5000平方米的屋面，应设置不少于2套独立屋面排水系统，并宜采用虹吸式屋面雨水排水系统。
5）天沟底板的排水坡度应大于1%。天沟内侧设置柔性防水层。最好在不少于两侧立板和整个底板的一半（1/2）处加设柔性防水层。
3.1.2.不锈钢天沟沟槽应能相对其支撑结构移动：
不锈钢天沟施工时，不得将不锈钢天沟板边缘直接锚固（焊接）到天沟支撑结构上（图2.2.2）。由于天沟和天沟支撑结构在运行时一般不在同一温度场，当温度变化时会产生较大的温差。天沟与支撑结构之间将在天沟沟槽的纵向上产生较大的相对变形。如果对其进行固定以限制其变形，则该部位会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，由于不锈钢天沟采用不锈钢板制成，奥氏体不锈钢在20℃至300℃的线膨胀系数为17.5；而支撑结构采用碳钢制成，其在20℃至300℃时的线膨胀系数约为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%。随着温度的升高，线膨胀系数的值也相应增大。因此，当温度发生变化时，即使天沟及其支撑结构的温度达到同一水平，也会因材料不同而产生很大的应力，导致温度变形。因此，在设计天沟和支撑结构时应充分考虑相对位移特性，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置阻水挡板和水平排水斗：
在屋顶设置大坡度天沟时，应考虑排水天沟在使用过程中的有效性和可靠性。不锈钢天沟应设置支撑系统，使其安全、稳定。在坡度较大的天沟内设置雨水斗时，应充分考虑雨水的流速。应根据其坡度确定是否加设阻水板（图3.1.3a）。
当坡度大于15%时，宜考虑在不锈钢排水天沟内安装阻水板装置，以减少倾斜天沟内雨水的水流量。坡度越大，挡水板的数量就越多。阻水板除了能有效控制水的流量外，还能有效防止异物进入排水口。
图3.1.3a 大坡度天沟阻水挡板简化布置
阻水板的形式可以是网式、桥式、板式等，阻水板的高度一般可以是天沟侧立板高度的1/2～1/3（图3.1） .3b).
图3.1.3b 天沟阻水板形状示意图
斜天沟内的雨水斗应设有集水箱，将雨水集中于集水箱内排放。集水箱底部应水平设置。雨水斗不应倾斜安装在倾斜天沟的底部。纵向倾斜天沟集水箱应安装在倾斜天沟的下半部，并在集水箱下短边安装挡水板。
3.1.4.坡屋顶的水平天沟底板应水平设置
在弧形建筑屋顶安装天沟时，应充分考虑排水天沟在使用过程中的有效性。不锈钢天沟断面的下底板不得设置斜角（如图3.1.4a所示）。这将严重影响天沟的设计能力。排水系统的有效性大大降低了天沟的排水性能，同时也会因积水而造成天沟内的污物。
图3.1.4a 天沟阻水挡板形状示意图 图3.1.4b 天沟阻水挡板形状示意图
实际工程中，天沟断面底板倾斜设置多发生在结构面与屋面距离过小时，且未考虑天沟位置的情况下。应重新定义结构与屋顶板的关系。设计时，不锈钢天沟断面的下底板必须水平设置，以便天沟能有效排水（图3.1.4b）。
3.1.5。排水天沟端部和纵向接缝的设计：
排水天沟的截面尺寸应根据排水计算确定，长度方向应考虑伸缩缝。由于天沟的纵向长度受温度变形影响，长度不宜过长。根据国家标准，天沟的连续长度不应大于30m。此为参考尺寸，可根据实际情况制定具体工程要求。连续长度尺寸的确定主要考虑天沟在工作状态时，因环境温度变化而导致的天沟纵向长度的变形是否在可控范围内。计算100°C以上的变化时应考虑温度变化值（温差）。天沟端头和接缝形式也应根据各个工程的实际情况和要求进行设计。
3.2.屋顶及不锈钢天沟隔音设计
雨滴撞击屋顶和排水沟上的不锈钢板会引起振动，从而将两种声音传递到房间中。一种是振动辐射的空气声，另一种是通过结构传播的固体声。如果屋顶结构具有良好的空气隔声能力和良好的冲击声隔声能力，则可以降低雨噪声。
提高屋顶质量是解决雨噪声最有效的方法，但对于金属屋顶等轻质屋顶来说并不可行。因此，只能通过改变屋顶结构来减少雨噪声对室内的影响。一般来说，层数越多，层与层之间的接口越多，效果越好。雨噪声是在结构中传播的弹性波。当声波通过界面时，会因反射而减少继续传播的声能。因此，界面有利于降低声能。
采用岩棉、离心玻璃棉等吸声材料作为层间填充，可提高隔声层的空气声隔声性能。同时，这些吸音材料还具有提高隔热性能的作用。有些材料钢结构金属屋面防水，如聚苯乙烯、聚氨酯等，虽然具有保温性能，但不具有吸音性能，对隔离雨声的作用不大。
根据以往实验室测试数据和工程经验，某工程采用的金属幕墙综合隔声量在30dB左右。为了增加屋顶的隔音效果，在轻质屋面板中采用石膏板和GRC板作为隔音层，可以达到更好的隔音效果。隔音层一方面起到分层的作用，另一方面也增加了一些重量，从两个方面提高了隔音能力。通过添加GRC板，幕墙的综合隔声量可提高10dB左右，达到40dB。
当屋顶的上下板由龙骨（或其他刚性支撑件）固定时，受声侧板的振动会通过龙骨传递到另一侧板。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，声桥现象越严重，隔音效果越差。在板与龙骨之间添加弹性垫，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面的隔音效果，最多可提高5dB。以上方法均能有效解决屋顶金属板和不锈钢天沟的雨声隔音问题。
4. 结论
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，在国内外大型建筑中得到越来越多的应用。我们应该看到，这些异形屋顶不仅给建筑增添了色彩，也给我们带来了很多麻烦。其中反应最强烈、问题最多的是渗水、漏水。这可以说是大型金属屋面质量的一个顽固问题，其原因应该是多方面的。板材之间的间隙（胶缝）能否在各种工况下实时保证设计中要求的气密性、水密性等物理性能，是保证工程整体性能的一个非常重要的因素。 。再者，排水系统设计不到位，特别是排水天沟的设计没有充分分析工况下的适应性和协调性，导致不锈钢排水天沟失效，造成屋顶渗漏的严重后果。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我在设计和实践中的经验总结。如果能为金属屋面系统设计者提供一些有用的启发，那就非常令人欣慰了。
参考
[1]王德林，不锈钢排水沟设计，《建筑幕墙》，2017年第2期
[2]《采光屋顶和金属屋顶技术规定》，中华人民共和国行业标准，JGJ 255-2012
[3]王德勤，王琪，临沂大剧院螺旋异形金属屋面设计经验钢结构金属屋面防水，《中国建筑金属结构》，2015年第2期
[4]王德尔钦，芦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，金属屋面雨声及隔声技术指标，清华大学建筑环境检测中心，2010.05
专家介绍
王德林
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
专业：门窗幕墙标准编制、建筑玻璃、金属结构设计与研究
专长：大型金属屋面及双曲面索结构点支式玻璃幕墙的产品开发、节点设计、施工技术研究及应用。他是国内最早开发和推广点支式玻璃幕墙的人之一。
