本文摘自：《建筑幕墻創(chuàng)新與發(fā)展》未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載
1 引言
當(dāng)今的建筑造型已經(jīng)呈現(xiàn)多元化的發(fā)展方向，一些新派建筑師不滿足于設(shè)計中規(guī)中矩的建筑形式，許多大型和超大型的極富視覺沖擊力的建筑越來越多的呈現(xiàn)在我們面前。 建筑的屋頂、屋面部分也都利用外飾層作為建筑設(shè)計思想的載體，展示著建筑藝術(shù)的魅力。異形金屬屋面系統(tǒng)以往也只是作為建筑造型中的個別單體，現(xiàn)在已經(jīng)大范圍的得到應(yīng)用。超大型的曲面建筑金屬屋面，特別是雙曲面造型的建筑金屬屋面系統(tǒng)，越來越多的應(yīng)用在國內(nèi)外大型建筑中。(圖1~4)
圖1長沙梅溪湖文化中心效果圖
近年來，由于建筑幕墻和金屬屋面的設(shè)計方法和技術(shù)手段有了不斷提高，bim和計算機三維設(shè)計軟件的應(yīng)用，已經(jīng)完全可以滿足異形金屬屋面的造型設(shè)計需要。那么，如 何更好的實現(xiàn)建筑創(chuàng)意，如何在將建筑的語言表達(dá)的更加透徹的同時，還能保證屋面的各項物理指標(biāo)和使用性能，這已經(jīng)是許多幕墻公司和幕墻設(shè)計師們必須面臨的問題。
本文所提及的金屬屋面是指由鋁鎂錳薄板或鋁板（詞條“鋁板”由行業(yè)大百科提供）、鋼板等金屬板材壓制成型的金屬屋面系統(tǒng)。屋面系統(tǒng)中主要包括：主體支撐鋼結(jié)構(gòu);連接機構(gòu);檁條;底層硬防水鍍鋅鋼板;防潮隔氣層;隔聲層;保溫層;金屬屋面板;外裝飾板。
這里的金屬屋面系統(tǒng)，主要是指建筑物金屬屋面的整體系統(tǒng)，其中包括：屋面系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、屋脊、山墻、檐口、屋面板接口、封頭、防雷接閃器、清洗水接頭、不銹鋼連接環(huán)、融雪融冰裝置、落水及虹吸裝置還包括屋面面層的裝飾板，附著物等。
圖2鄂爾多斯博物館東立面圖
在這里重點要介紹的是，排水系統(tǒng)中的排水天溝的設(shè)計和虹吸排水的使用。
圖3 貴州銅仁鳳凰機場航站樓效果圖
圖4重慶江北機場T3A航站樓效果圖
2、金屬屋面排水天溝
2.1、排水天溝的定義、作用及功能
天溝指建筑物屋面兩胯間的下凹部分，在建筑屋面匯集屋面雨水的溝槽。天溝排水是指利用天溝將雨水排至屋面以外。屋面排水分有組織排水和無組織排水(自由排水)，有組織排水一般是把雨水集到天溝內(nèi)再由雨水管排下，集聚雨水的溝就被稱為天溝，天溝分內(nèi)天溝和外天溝，內(nèi)天溝是指在外墻以內(nèi)的天溝，一般有女兒墻;外天溝是挑出外墻的天溝，一般沒女兒墻。
金屬屋面不銹鋼天溝是指，在建筑物頂部采用金屬板作為防水屋面時，在金屬屋面的下凹部位，起到收集雨水作用并能通過排水管系統(tǒng)有組織的將雨水排出的凹型溝槽，一般采用不銹鋼板制作成“U”形或矩形的排水系統(tǒng)，叫不銹鋼排水天溝。不銹鋼天溝槽安裝現(xiàn)場、金屬屋面天溝和山墻處天溝見圖5(a)(b) (c)。
圖5.a不銹鋼天溝槽安裝現(xiàn)場
圖5.b金屬屋面檐口天溝
圖5.c金屬屋面山墻處天溝
2.2、 天溝的構(gòu)造形式與設(shè)計方案：
不銹鋼天溝的作用是收集雨水，并能通過排水管系統(tǒng)有組織的迅速將雨水排出。
天溝槽的設(shè)計時，在充分考慮到其自身的排水、引水的功能外，還要考慮到排水天溝是整個屋面系統(tǒng)的一個組成部分。其功能要完整。特別是在保溫（詞條“保溫”由行業(yè)大百科提供）、隔熱（詞條“隔熱”由行業(yè)大百科提供）、隔聲及裝飾性能上要根據(jù)不同的項目進(jìn)行專門（詞條“門”由行業(yè)大百科提供）的設(shè)計。一般要求在天溝金屬槽的室內(nèi)則設(shè)置填充保溫棉，在可視部分包飾裝飾面層。在天溝金屬槽的室外則涂防水油膏加防水卷材，這樣有利于減少噪聲，提高溝槽的防腐（詞條“防腐”由行業(yè)大百科提供）能力，提高使用壽命。
在相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中對金屬屋面排水天溝的設(shè)計已明確規(guī)定，排水天溝槽的設(shè)計應(yīng)該考慮以下各方面的內(nèi)容：
1) 排水天溝采用防腐性能好的金屬材料，不銹鋼板的厚度不應(yīng)小于2.5mm;
2) 防水系統(tǒng)采用兩道以上的防水構(gòu)造。防水系統(tǒng)應(yīng)具備吸收溫度變化等所產(chǎn)生的位移的能力。(圖6(a) (b))
圖6(a) 不銹鋼天溝槽的橫剖面節(jié)點圖
3) 排水天溝的截面尺寸應(yīng)根據(jù)排水計算確定，并在長度方向上應(yīng)考慮設(shè)置伸縮縫（詞條“伸縮縫”由行業(yè)大百科提供），天溝連續(xù)長度不宜大于30m。
4)在對于匯水面積大于5000平方米屋面，應(yīng)設(shè)置不少于2組獨立的屋面排水系統(tǒng)，并應(yīng)采用虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)。
5)天溝底板的排水坡度應(yīng)大于1%。在天溝內(nèi)側(cè)設(shè)置柔性防水層，最好不低于在兩側(cè)立板的一半位置(1/2)處和底板的全部加一道柔性防水層。(圖6(b) )
圖6(b) 加工成型的不銹鋼天溝
2.2.1、排水天溝溢流口的設(shè)計：
在CECS183：2005 《虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》中是這樣定義的：
溢流口(overflow)當(dāng)降雨量超過系統(tǒng)設(shè)計排水能力時，用來溢水的孔口或裝置。
溢流系統(tǒng)(overflow system)排除超過設(shè)計重現(xiàn)期雨量的雨水系統(tǒng)。溢流系統(tǒng)可以是重力系統(tǒng)或虹吸系統(tǒng)，溢流系統(tǒng)不得與其他系統(tǒng)合用。
在排水天溝內(nèi),如果出現(xiàn)非常情況,如排水口不暢，水量過大等特殊情況，為保證天溝能夠?qū)⑺懦�，比較好的辦法是在天溝內(nèi)設(shè)置溢流口。當(dāng)天溝的水位到達(dá)一定的高度時，水在過溢流口溢出，并能將水有組織的排入落水管內(nèi)。或直接將水排到屋外。
我們在生活中最常見的溢流口就是家庭中使用的洗手水池。基本上在每個水池上沿邊部都留有一個小口，這就是水池的溢流口。當(dāng)水在水池內(nèi)高度到達(dá)口邊緣時，水將通過此溢流口流入下水管道，不使過多的水發(fā)生外溢的現(xiàn)象。提高了用水的安全性。
屋面排水天溝在工作狀態(tài)時其環(huán)境更為復(fù)雜，很有可能由于異物將落水口的排水量減少或失去排水的功能。或由于非常情況，出現(xiàn)水量過大無法及時排出而造成水從天溝的邊緣溢出，進(jìn)入屋面的保溫層而出現(xiàn)屋面漏水現(xiàn)象，更嚴(yán)重的時候可能由于水的重量引起屋頂支撐結(jié)構(gòu)的安全問題。
溢流口的形式可以根據(jù)工程項目的特點而定，可采用在天溝側(cè)面立板或端部立板面上開口的作法;也可以采用臺式溢流口的設(shè)計。(圖7a、b)
圖7a不銹鋼天溝臺式溢流口節(jié)點圖
圖7b在天溝側(cè)面立板設(shè)置的溢流口節(jié)點圖
在設(shè)計溢流口時也應(yīng)進(jìn)行溢流口的布置分析，用計算和分析方法確定溢流口的尺寸大小和位置，數(shù)量是否滿足在極限狀態(tài)下的需要。溢流口的尺寸計算在《虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》中已給出了計算公式和計算方法。
由于項目的不同特別是異形曲項目，每一段天溝的設(shè)置都會有所不同，所以應(yīng)在深化設(shè)計時對每一段天溝的布置、每一個落水口和溢流口的設(shè)置都應(yīng)有分析計算來確定。
2.2.2、不銹鋼天溝槽應(yīng)與其支撐結(jié)構(gòu)之間能夠相對位移
在不銹鋼天溝施工時，不得將不銹鋼天溝的板邊緣直接錨固(焊)在天溝的支撐結(jié)構(gòu)上(如圖2.2.2)。因為天溝與天溝的支撐結(jié)構(gòu)一般在工作狀態(tài)時不是在一個溫度場內(nèi)，在溫度變化時會出現(xiàn)較大的溫度差。會在天溝槽的縱向方向天溝與支撐結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)較大的相對變形。如使其固定限制其變形將在此部位出現(xiàn)很大的溫度應(yīng)力，使之出現(xiàn)破壞。
圖8 不銹鋼天溝斷面節(jié)點圖
同時，由于不銹鋼天溝的材質(zhì)為不銹鋼板，奧氏體型不銹鋼在20℃至300℃時線膨漲系數(shù)為17.5;而支撐結(jié)構(gòu)為碳鋼材料，其在20℃至300℃時線漲系數(shù)約為11.3至13。奧氏體型不銹鋼與碳鋼相比，最大的線膨脹系數(shù)，比碳鋼大40%，并隨著溫度的升高，線膨脹系數(shù)的數(shù)值也相應(yīng)地提高。所以出現(xiàn)溫度變化時即使天溝與其支撐結(jié)構(gòu)的溫度一至，也會由于材質(zhì)的不同出現(xiàn)很大的應(yīng)力（詞條“應(yīng)力”由行業(yè)大百科提供）而產(chǎn)生溫度變形。所以在天溝和支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)充分考慮到其有相對位移的特點，使其在工作時能保持良好的工作狀態(tài)。
2.2.3、大坡度的排水天溝應(yīng)設(shè)置阻水擋板、水平落水斗
屋面布置大坡度天溝時，應(yīng)考慮到排水天溝在使用時的有效和可靠性。應(yīng)設(shè)置好不銹鋼天溝的支承系統(tǒng)，使其安全穩(wěn)固。在大坡度的天溝內(nèi)設(shè)置雨水斗時，應(yīng)充分考慮到雨水的流速。應(yīng)根據(jù)其斜度來確定是否要增設(shè)阻水板(圖9a)。
在斜度大于15%時，在不銹鋼排水天溝內(nèi)宜考慮設(shè)置阻水板裝置，來降低雨水在斜形天溝內(nèi)的水流速，斜度越大阻水板的數(shù)量應(yīng)越多。阻水板除了能有效的控制水的流速外，還能有效的阻止異物進(jìn)入排水口。
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