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1 引言
當今的建筑造型已經呈現多元化的發展方向，一些新派建筑師不滿足于設計中規中矩的建筑形式，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計思想的載體，展示著建筑藝術的魅力。異形金屬屋面系統以往也只是作為建筑造型中的個別單體，現在已經大范圍的得到應用。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，越來越多的應用在國內外大型建筑中。(圖1.1~1.4)
近年來，由于建筑幕墻和金屬屋面的設計方法和技術手段有了不斷提高，bim和計算機三維設計軟件的應用，已經完全可以滿足異形金屬屋面的造型設計需要。那么，如
何更好的實現建筑創意，如何在將建筑的語言表達的更加透徹的同時，還能保證屋面的
各項物理指標和使用性能，這已經是許多幕墻公司和幕墻設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、鋼板等金屬板材壓制成型的金屬屋面系統。屋面系統中主要包括：主體支撐鋼結構（詞條“鋼結構”由行業大百科提供）;連接機構;檁條;底層硬防水鍍鋅鋼板;防潮（詞條“防潮”由行業大百科提供）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，主要是指建筑物金屬屋面的整體系統，其中包括：屋面系統、排水系統、屋脊、山墻、檐口、屋面板接口、封頭、防雷接閃器（詞條“接閃器”由行業大百科提供）、清洗水接頭、不銹鋼連接環、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。
在這里重點要介紹的是，排水系統中的排水天溝的設計和虹吸排水的使用。
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再由雨水管排下，集聚雨水的溝就被稱為天溝，天溝分內天溝和外天溝，內天溝是指在外墻以內的天溝，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，叫不銹鋼排水天溝。
2.2、 天溝的構造形式與設計方案：
不銹鋼天溝的作用是收集雨水，并能通過排水管系統有組織的迅速將雨水排出。
天溝槽的設計時，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的一個組成部分。其功能要完整。特別是在保溫、隔熱、隔聲及裝飾性能上要根據不同的項目進行專門的設計。一般要求在天溝金屬槽的室內則設置填充保溫棉，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，提高溝槽的防腐能力，提高使用壽命。
在相關的國家標準和規范中對金屬屋面排水天溝的設計已明確規定，排水天溝槽的設計應該考慮以下各方面的內容：
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小于2.5mm;
2) 防水系統采用兩道以上的防水構造。防水系統應具備吸收溫度變化等所產生的位移的能力。(如圖2.2a、b)
3) 排水天溝的截面尺寸應根據排水計算確定，并在長度方向上應考慮設置伸縮縫，天溝連續長度不宜大于30m。
4)在對于匯水面積大于5000平方米屋面，應設置不少于2組獨立的屋面排水系統，并應采用虹吸式屋面雨水排水系統。
5)天溝底板的排水坡度應大于1%。在天溝內側設置柔性防水層，最好不低于在兩側立板的一半位置(1/2)處和底板的全部加一道柔性防水層。(如圖2..2a、b)
2.2.1、排水天溝溢流口的設計：
在CECS183：2005 《虹吸式屋面雨水排水系統技術規程》中是這樣定義的：
溢流口(overflow)當降雨量超過系統設計排水能力時，用來溢水的孔口或裝置。
溢流系統(overflow system)排除超過設計重現期雨量的雨水系統。溢流系統可以是重力系統或虹吸系統，溢流系統不得與其他系統合用。
在排水天溝內,如果出現非常情況,如排水口不暢，水量過大等特殊情況，為保證天溝能夠將水排出，比較好的辦法是在天溝內設置溢流口。當天溝的水位到達一定的高度時，水在過溢流口溢出，并能將水有組織的排入落水管內。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。當水在水池內高度到達口邊緣時，水將通過此溢流口流入下水管道，不使過多的水發生外溢的現象。提高了用水的安全性。
屋面排水天溝在工作狀態時其環境更為復雜，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，出現水量過大無法及時排出而造成水從天溝的邊緣溢出，進入屋面的保溫層而出現屋面漏水現象，更嚴重的時候可能由于水的重量引起屋頂支撐結構的安全問題。
溢流口的形式可以根據工程項目的特點而定，可采用在天溝側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計。(如圖2.2.1a、b)
在設計溢流口時也應進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，數量是否滿足在極限狀態下的需要。溢流口的尺寸計算在《虹吸式屋面雨水排水系統技術規程》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，每一段天溝的設置都會有所不同，所以應在深化設計時對每一段天溝的布置、每一個落水口和溢流口的設置都應有分析計算來確定。
2.2.2、不銹鋼天溝槽應與其支撐結構之間能夠相對位移：
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)在天溝的支撐結構上(如圖2.2.2)。因為天溝與天溝的支撐結構一般在工作狀態時不是在一個溫度場內，在溫度變化時會出現較大的溫度差。會在天溝槽的縱向方向天溝與支撐結構之間出現較大的相對變形。如使其固定限制其變形將在此部位出現很大的溫度應力，使之出現破壞。
同時，由于不銹鋼天溝的材質為不銹鋼板，奧氏體型不銹鋼在20℃至300℃時線膨漲系數為17.5;而支撐結構為碳鋼材料，其在20℃至300℃時線漲系數約為11.3至13。奧氏體型不銹鋼與碳鋼相比，最大的線膨脹系數（詞條“線膨脹系數”由行業大百科提供），比碳鋼大40%，并隨著溫度的升高，線膨脹系數（詞條“膨脹系數”由行業大百科提供）的數值也相應地提高。所以出現溫度變化時即使天溝與其支撐結構的溫度一至，也會由于材質的不同出現很大的應力而產生溫度變形。所以在天溝和支撐結構設計（詞條“結構設計”由行業大百科提供）時應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。
2.2.3、大坡度的排水天溝應設置阻水擋板、水平落水斗：
屋面布置大坡度天溝時，應考慮到排水天溝在使用時的有效和可靠性。應設置好不銹鋼天溝的支承系統，使其安全穩固。在大坡度的天溝內設置雨水斗時，應充分考慮到雨水的流速。應根據其斜度來確定是否要增設阻水板(如圖2.2.3a)。
在斜度大于15%時，在不銹鋼排水天溝內宜考慮設置阻水板裝置，來降低雨水在斜形天溝內的水流速，斜度越大阻水板的數量應越多。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入排水口。
阻水板的形式可以為篩孔式、橋式、板式等。阻水板的高度一般可在天溝側立板高度的1/2至1/3(如圖2.2.3b)。
斜型天溝內的雨水斗應設置集水槽，將雨水集中在集水槽中排出，集水槽的底部應水平設置，不得將雨水斗傾斜安裝在斜型天溝的底部。縱向傾斜的天溝集水槽應設置在斜型天溝的下半部位，并在集水槽的下短邊邊緣設置阻水板(圖2.2.3a)。
2.2.4、斜屋面的橫向天溝底板應水平設置
在曲面建筑屋面設置天溝時，應充分考慮到排水天溝在使用時的有效性，不得使不銹鋼天溝斷面的下底板傾斜設置(如圖2.2.4a)，這會嚴重影響天溝設計容量的有效性，使天溝的排水性能大打折扣，同時還能由于積水造成天溝內污濁。
在實際工程中，天溝斷面底板傾斜設置大部分是出現在結構面與屋面的距離太小，沒有考慮到設置天溝的位置。應重新確定結構與屋面板的關系。在設計時必須將不銹鋼天溝斷面的下底板水平設置，這樣才能使天溝起到有效的排水作用(如圖2.2.4b)。
2.2.5、排水天溝端頭和長度方向接頭的設計：
排水天溝的截面尺寸應根據排水計算確定，并在長度方向上應考慮設置伸縮縫。由于天溝縱向長度方向有著溫度變形的影響，所以長度不宜過長。按照國家標準的規定，天溝連續長度不宜大于30m。這是一個參考尺寸，可根據實際情況對特定的項目提出要求。連續長度尺寸的確定主要是考慮天溝在工作狀態時，由于環境溫度的變化引起的天溝縱向長度尺寸變形是否在可控范圍內。在計算時溫度變化值(溫差)應考慮在100℃以上的變化。天溝端頭和接頭形式也應根據每個實際工程情況和要求進行設計。
2.2.6、排水天溝的清理和防治積塵、積沙的設計：
大部分屋面的天溝和檐溝都是裸露在外的，對于室外的粉塵、風沙和風中的夾雜物隨著雨水或自重會進入到天溝內。特別是在風沙大的地區這個問題就顯得十分嚴重，就連有蓋板的天溝都會被積沙、積塵侵入，如不能及時清理積沙會將全部排水口封住，特別是對虹式排水口的功能破壞非常嚴重。(如圖2.2.6a、b、c)
解決這個問題的最好辦法就是要對積沙、積塵及時的清理。在實踐中,清理積沙的方法很多，除了常規的人工打掃清理外，還可以用設置高壓水槍沖洗清除積沙的辦法等。
在這里所要重點介紹的是一種非常實用的清理積沙的辦法：在天溝底部，落水口的邊部設置集沙池(如圖2.2.6d)。
集沙池的作用是能夠將積在天溝內的沙子和異物通過雨水流帶入到集沙池內，在便于清理天溝內的積沙的同時可以阻止積沙快速侵入落水系統，給清理掙得時間。在積沙池內可設置一個活動槽，在清理積沙時將活動槽移出就可將積沙清除。
2.3、金屬屋面匯水區域的劃分及匯水量的分析、計算：
在金屬屋面排水天溝的設計中，匯水區域和匯水量的確定直接影響到不銹鋼天溝系統和落水系統的布置與構造設計，是保證屋面功能設計中的關鍵參數。匯水量的分析，主要內容是將指定天溝在單位時間內所能收集到的最大雨水總量的分析。這就需要對這段天溝所對應的，能接受雨水的全部金屬屋面面積進行分析計算。一般的平面和斜面屋面的計算分析比較簡單，按以下方法就可以得出結果。但對應復雜的異型金屬屋面要根據其屋面板排版圖對所對應的區域進行匯水量分析。下面是落水口分擔雨水量的計算、排水量的計算以及落水管管徑計算，這是在天溝設計中最重要的分析計算。
(1)、每一個落水口所分擔之雨水量計算：
屋面長度：L(m); 屋面寬度：B(m);
集水面積：Ar=B´L(m2);
雨水量：Qr=Ar ´I´10-3/3600(m3/sec);
降雨強度：I (mm/hr)
考慮屋面蓄積能力的系數。1.0~2.0之間。
平屋面(坡度<2.5%)1.0，斜屋面(坡度
>2.5%)1.5~2.0。 圖2.3.1、天溝所對應的匯水量分析圖
(2)、天溝排水量的計算(天溝斷面核算)：
天溝排水量計算采用曼寧公式計算：
Qg=Ag´Vg =Ag´R2/3´S1/2/n
Ag=W´HW
R=Ag/(W+2HW)
Vg：天溝排水速度(m/sec)
N：sus或彩色板磨擦系數=0.0125 圖2.3.2、天溝排水斷面簡圖
S：天溝泄水坡度=1/100
W：天溝寬度(m)
H：天溝深度(m)
Hw：設計最大水深(m)(通常取0.8H)
FOR Qg>Qr 排水槽的截面滿足要求。
(3)、落水管管徑計算: Qd=m´Ad´(2gHW)1/2( m3/sec)
M：落水管支數=1支
d：落水管外徑(m)
Ad：落水口面積(m2)
g：重力加速度=9.8 m/sec
HW：天溝最大水深(m)
FOR Qd>Qr 使用落水管的管徑大小滿足要求
2.4、虹吸式屋面雨水排水系統的設計
在CECS183：2005 《虹吸式屋面雨水排水系統技術規程》術語中規定，虹吸式屋面雨水排水系統：按虹吸滿管壓力流原理設計，管道內雨水的流速壓力等可有效控制和平衡的屋面雨水排水系統。一般由虹吸式雨水斗(如圖2.4.1~2.)、管材(連接管、懸吊管、立管、排出管)、管件、固定件組成。
當雨水、雪水按照我們的要求匯入天溝內就進入了有組織的排水的過程 ，一般情況下從天溝內向外排水的方案有兩種：一是通過水的重力和天溝的排水坡度使雨水匯聚到落水斗處，通過排水管道有組織的排出。這種方法簡單易維護，大量使用在建筑上。二是虹吸排水系統技術。
虹吸(syphonage)是利用液面高度差的作用力現象，將液體充滿一根倒U形的管狀結構內后，將開口高的一端置于裝滿液體的容器中，容器內的液體會持續通過虹吸管從開口于更低的位置流出。(如圖2.4.3.)
虹吸的實質是因為重力和分子間粘聚力而產生。裝置中管內最高點液體在重力作用下往低位管口處移動，在U型管內部產生負壓，導致高位管口的液體被吸進最高點，從而使液體源源不斷地流入低位置容器。
虹吸式排水系統的基本原理是，當天溝積水深度達到設計深度時，摻氣比值迅速下降為零，雨斗內水流形成負壓或壓力流(滿管壓力流)，瀉流量迅速增大，從而形成飽和排水狀態。其技術特點在于虹吸式雨水斗設計，水進入立管的流態被雨水斗調整，消除了由于過水斷面縮小而形成的旋渦，從而避免了空氣進入排水系統，使系統內管道呈滿流狀態。
利用了建筑物高度賦予的勢能，在雨水的連續流轉過程中形成虹吸作用(如圖2.4.4~5.)，導致水流速度迅速增大，實現大流量排水過程。
在這里想特別強調，在天溝虹吸式排水系統設計時一定要考慮到固定在天溝上的虹吸式雨水斗會在不銹鋼天溝有溫差變形時隨著天溝槽移動，如連接在吸式雨水斗上的落水管不能適應其位移，將會出現斷裂的現象，造成排水功能失效。
2.5、在寒冷地區屋面除雪融冰系統的設計及排水應該考慮的問題
金屬屋面在寒冷地區的冬季，常會出現積雪的現象，嚴重影響了金屬屋面的使用安全。為解決這個問題可在不銹鋼排水天溝內布設天溝融雪系統。
在天溝內的融雪系統一般采用恒定功率電伴熱帶作為融雪的手段。基本方法是將設計計算后選定的伴熱帶鋪設在不銹鋼天溝內。.
天溝融雪方案在確定時，應根據工程所在地的冬季氣候條件和環境通過計算選用伴熱帶，確定伴熱帶在天溝內的鋪設方案;以某個實際工程為例，為保證除冰和融雪的速度和效果，選用了伴熱帶標稱功率為35瓦/米，天溝內鋪設方式采用1:6呈“S”型鋪設(如圖2.5.1)，天溝槽除冰融雪功率為210瓦/米。落水斗附近加密鋪設。
該項目的融雪散熱量計算如下： 融雪系統設計依據為《地面輻射供暖技術規程》JGJ142--2004。 散熱量計算如下：
單位地面面積所需散熱量(Qx)按以下公式計算：
Tpj=Tn+9.82*( Qx/100)0.969
式中Tpj-----------地表面溫度(℃)，地表面溫度按照融雪要求在1℃左 右，即Tpj=1℃
式中Tn-----------環境計算溫度。在融冰項目中為最低室外環境溫度， 即Tn=-31℃ (鄂爾多斯室外最低氣溫-31℃)
式中Qx----------單位地面面積所需散熱量w/m2 即 1=-31+9.82*( Qx/100)0.969
( Qx/100)0.969=32÷9.82=3.26
通過以上公式得知： Qx ≈348W/m2
根據計算結果，每延米平均功率348*0.6=209W,使用35W/m發熱電纜，實際按每延米6.5米發熱電纜(含折彎曲線)鋪設。考慮實際使用和控制系統操作方便以及現場電源等情況，該建筑屋面天溝設多個控制點，每個控制點設1個控制箱進行分區控制。
天溝內伴熱帶的鋪設方式根據實際工程的要求，可采用呈“S”型的鋪設方案，也可以采用平行鋪設的方法(如圖2.5.3)。要加大融雪速度也可選用大功率伴熱帶或在天溝的立板及屋面板檐口增設融雪裝置。
2.6 屋面與不銹鋼天溝的隔聲設計
雨滴撞擊屋面和天溝的不銹鋼板引起振動，將有兩種聲音傳向室內，一是振動輻射出的空氣聲，一是通過結構傳遞的固體聲。如果屋面的構造具有良好的空氣聲隔絕能力及良好的撞擊聲隔絕能力，可降低雨噪聲。
增加屋面質量是解決雨噪聲最為有效的途徑，但是對于金屬屋面等輕質屋面的可行性不大，因此只能通過改變屋面的結構做法來降低雨噪聲對室內的影響。一般來說分層越多，層與層之間的界面越多效果越好。雨噪聲屬于在結構中傳遞的彈性波，聲波通過界面時會因反射而降低繼續行進的聲能，因此界面有利于降低聲能。
采用巖棉、離心玻璃棉等吸聲材料作層間填充，可提高隔聲層的空氣聲隔聲性能。同時，這些吸聲材料還具有提高保溫性能的效果。有些材料，如聚苯、聚氨酯等，雖具有保溫特性，但不具有不吸聲性能，對于雨噪聲的隔絕效果甚微。
根據以往實驗室測試數據及工程經驗，在某項目中所采用的金屬幕墻綜合隔聲量約為30dB左右。為了增加屋面隔聲量，在輕質屋面板內，采用紙面石膏板、GRC（詞條“GRC”由行業大百科提供）板做隔聲層，可起到較好的隔聲效果。隔聲層一方面起到分層的作用，一方面也增加了部分重量，從兩方面提高了隔聲量。通過增加GRC板材后維護幕墻綜合隔聲量能夠增加10dB左右，達到40dB。
屋蓋上下層板材由龍骨(或其他剛性支撐件)固定時時，受聲一側板的振動會通過龍骨傳到另一側板，這種象橋一樣傳遞聲能的現象被稱為聲橋。聲橋越多、接觸面積越大、剛性連接越強，聲橋現象越嚴重，隔聲效果越差。在板材和龍骨之間加彈性墊，如彈性金屬條或彈性材料墊對輕質屋蓋隔聲有一定的改善量，最多可以提高5dB以上。上述這些辦法都能夠有效的解決屋面和不銹鋼天溝的雨噪聲隔聲問題。
3 結束語
近年來，超大型的曲面建筑金屬屋面，特別是雙曲面造型的金屬屋面系統，越來越多的應用在國內外大型建筑中。我們應該看到，這些異型屋面在給建筑增彩的同時也我們帶來諸多的煩惱。其中反應最強烈，出現問題最多的是滲水（詞條“滲水”由行業大百科提供）、漏水現象。這可以說是大型金屬屋面質量上的頑癥，究其原因應該是多方面的。但排水系統設計不到位，特別是對排水天溝的設計沒有充分分析在工作狀態時的適應、協調情況，造成不銹鋼排水天溝的使用功能失效，而造成屋面漏水的嚴重后果。
本文中有些內容和介紹的設計方案如：溢流口的形式、阻水擋板和落水斗的設置、集沙池的構造等，是我在多年參與屋面、天溝設計和實踐中的一點經驗總結，如果能給金屬屋面系統設計師們提供一些有益的啟發就深感欣慰了。
參考文獻
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