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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，建筑設計已不滿足于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1.1~1.2)
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。
圖1.1 貴州銅仁鳳凰機場航站樓的玻璃與金屬板塊側立面
王德勤，男，1958.4出生，教授級高級工程師，北京德宏幕墻技術科研中心主任;研究生導師;中國建筑裝飾協會專家組成員;中國建筑金屬結構協會專家組成員;中國鋼協空間結構分會索結構專業專家;全國標準化技術委員會專家。十八項國家專利發明人。
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。
圖1.2 貴州銅仁鳳凰機場航站樓照片
圖1.3 航站樓側面幕墻鋁板與玻璃板塊照片 圖1.4 頂部鋁板與玻璃板塊照片
本文所提及的金屬屋面、鋁板幕墻的金屬板塊，是指由外飾面層為3mm厚鋁單板，表面采用氟碳噴涂，內裝飾層采用2mm厚穿孔鋁單板，表面采用粉末噴涂。內外層之間夾有防水透氣膜、保溫棉、無紡布等，由鋁合金龍骨支承并連接內外層鋁板，使其形成即有內、外裝飾性，又有防水、保溫、隔氣、隔聲、防潮等各項金屬板幕墻和金屬屋面所需要的物理性能指標，易于裝配的金屬板塊系統。(圖1.3~1.4)
這種板塊的最大特點是，板塊全部在工廠加工制作便于對板塊的加工質量和精度的控制。在工地現場只進行板塊的裝配式吊裝。板塊裝配到位后在完成建筑立面和屋面的使用功能的同時，能一次性完成外飾效果和內裝飾效果。不用再對室內、外進行面層裝飾就能投入使用，能節省大量的裝飾費用和施工工期。
2、板塊裝配式金屬屋面板的設計
以貴州銅仁鳳凰機場航站樓的設計為例，介紹其設計方案及其性能的實現。
貴州銅仁鳳凰機場航站樓是一項改擴建工程，在設計施工過程中機場要正常的運行，這對項目的設計與施工提出了很高的要求。其結構形式為框架結構、鋼結構體系，屋面部分的支撐結構為球形網架系統。當地的基本風壓值為0.3kN/m2，基本雪壓值為0.3kN/m2。均為50年的重現期。
整個建筑的外立面和屋面均采用了玻璃和鋁板相間，有機的將玻璃板塊和鋁板板塊拼接成錯落有致，波瀾起伏的造型。特別是在建筑的中段建筑師利用了天地大扭轉的手法，將立面扭轉180度(圖2.a~2.b)展現出今天與昔日翻天覆地的變化，特別是在建筑的中部，其外墻從正立面翻轉90度變成了屋面，又從屋面翻轉90度變成了背立面，給人以鳳凰涅槃的震撼。
圖2.a 外墻從正立面翻轉90度變成了屋面 圖2.b 外側面鋁板和玻璃波瀾起伏的造型
由于建筑效果的要求，使得該項目在中段造型部位金屬幕墻與金屬屋面、玻璃幕墻與玻璃采光頂之間已無明顯的界限。在設計中，為了能很好地實現扭轉的效果和漸變的光線折射面。在每塊平板玻璃之間采取了多角度錯縫的做法來實現玻璃板塊之間的扭轉金屬屋面板塊之間基本上采用了齊縫的做法，在個別位置采取了大錯縫的手法來展現翻轉的力度。(圖2.c~2.d)
圖2.c 玻璃板塊與金屬板塊的連接節點 圖2.d 多角度大錯縫的做法節點圖
2.1內、外裝飾性與建筑物理性能的有機結合
建筑的裝飾面層是一個能夠有效的展示建筑設計思想的載體，裝飾面的本身對于建筑物的各項物理性能沒有直接的要求，面層與功能層可以是各自獨立的兩套系統。也可以是相互有機結合的一個整體。只要能在保證建筑物各項物理性能的基礎上實現了建筑的裝飾效果就視為可行。
圖2.1.1 機場航站樓玻璃雙曲立面效果照片 圖2.1.2 機場航站樓內飾面效果照片
貴州銅仁鳳凰機場航站樓的外立面和屋面，就是采用了內、外裝飾面層與建筑面功能層有機的結合為一個整體的做法，在解決了建筑各項物理性能的同時也實現了建筑師對內外裝飾面效果的要求。(圖2.1.1~2.1.2)在節省了工程造價的同時，大大降低了異形建筑幕墻和屋面在現場安裝的施工難度，有效的縮短了現場安裝的周期，取得了很好的經濟效益和社會效益。
2.2 結構、連接系統與裝飾面板之間的構造
該項目的主體結構、支承龍骨、面板、連接系統、裝飾面層之間的關系是：主體結構是鋼結構體系;異形金屬屋面和采光頂部分的支撐結構為球形網架系統;屋面體系利用網架系統的各個球形節點作為支撐點，將支承龍骨通過可調節的節點支座，按照設計定位尺寸固定安裝;有保溫、隔熱等性能的裝配式金屬板塊系統是通過固定在龍骨上的多個連接件進行連接固定的。
裝配式金屬板塊，是指由3mm厚鋁單板作為外飾面層，表面采用氟碳噴涂，內裝飾層采用2mm厚穿孔鋁單板，表面采用粉末噴涂。內外層之間夾有防水透氣膜、保溫棉、無紡布等，由鋁合金龍骨支承并連接內外層鋁板，使其形成即有內、外裝飾性，又有防水、保溫、隔氣、隔聲、防潮等各項金屬板幕墻和金屬屋面所需要的物理性能指標，易于裝配的金屬板塊系統。(圖2.2.1~2.2.2)
圖2.2.1 貴州銅仁鳳凰機場航站樓效果圖 圖2.2.2 貴州銅仁鳳凰機場航站樓效果圖
2.3雙層防水構造溝設計方案
為了確保板塊之間的縫隙(膠縫)，能在各種工況的狀態下實時保證其在設計時要求的氣密、水密等各項物理性能，要對支承體系和裝配式金屬板塊進行相對位移的分析以及結構與結構之間的溫度變形情況的分析:
主體結構支承的球形網架結構與屋面的支撐龍骨均為鋼結構材料，并在一個溫度場內。所以，在溫度荷載的作用下其相對變形量很小，可視為不產生相對位移量。
板塊與結構之間是在兩個不同的溫度場內，又是不同的結構體系，不同線膨脹系數的材料。其相互之間會出現多種情況下的位移。在節點設計時要充分考慮到，連接節點在有連接固定作用的同時，還要能夠適應其相互之間在三維方向上的變形位移量。
板塊與板塊之間由于是分別固定在各自的支承龍骨上，每個板塊自身在外部條件的作用下會出現尺寸上的變化。最終將會反映在板塊之間縫隙的尺寸變化。
2.3.1、以實際工程為例，對面板材料的溫度變形進行分析：
貴州同仁機場項目的金屬屋面的板塊分割尺寸較大,在不考慮其它因素，只考慮溫度變化對其影響，進行分析計算如下：
對受陽光直射的外層鋁合金屋面板，取100℃為最大溫度差值;標準板塊尺寸為 2000mmX3000mm ;最大菱形板塊的對角線尺寸為4100mmX2000mm ; 按照《鋁及鋁合金軋制板材》(GB/T 3880)
常用建筑材料的熱膨脹系數（單位X10-6/℃）表
計算：工程項目在貴州，屬夏熱冬冷地區。鋁板長度取值為3000mm。假設屋面鋁板外表面最大溫度差為100℃，則室外鋁板
這也就是說在一塊板塊內，由于溫度變化所引起的外層板和內層板的最大尺寸變形差為5.15MM，板塊的尺寸越大變形差也就越大。這就要求在板塊的構造設計時要充分考慮到這方面的影響。要在內、外板塊連接部位有允許其平面內變形的構造。這才能保證屋面系統在工作狀態時保證其各項物理性能。
2.3.2、雙層防水構造溝節點設計方案
10從以上的計算中可以看出，在金屬屋面板塊受到溫度變化的影響時，在板塊與板塊之間的接縫處會出現較大的尺寸變化。通常我們在接縫處是采用硅酮密封膠來保證氣密、水密性能的實現。如果按照常規的鋁板幕墻的構造形式已經無法滿足接縫處密封的要求。為了能很好地適應其尺寸變化，在采用了大變位硅酮密封膠的同時，在外層板塊接縫處采用雙膠縫來增大其變位能力。(如圖2.3.a~b )
圖2.3.2a 機場航站樓雙道膠縫的施工現場照片
在保證其防水性能方面，設計了“錯位式兩道防水構造”。也就是在安裝過程中，在板塊定位好之后在板塊厚度方向的中部先打一道防水密封膠。并在進行閉水試驗合格后再打外層的雙膠縫。(圖2.3.2c~d)徹底解決由于板塊變形所引起的防水問題。
2.3.2c對兩道密封膠縫的現場施工控制 2.3.2d 在現場對膠縫進行閉水試驗檢測
3、金屬屋面排水天溝
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。
圖2.1.a不銹鋼天溝槽安裝現場 2.1.b金屬屋面檐口天溝
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（詞條“分包”由行業大百科提供）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。
3.1、排水天溝槽在設計時應該考慮的內容
3.1.1、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。
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。
3.1.2、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。
圖2.2.2不銹鋼天溝斷面節點圖
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，比碳鋼大40%，并隨著溫度的升高，線膨脹系數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。
3.1.3、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3.1.3a)。
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。
圖3.1.3a 大坡度天溝阻水擋板布置簡圖
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3.1.3b)。
圖3.1.3b天溝阻水擋板形狀簡圖
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。
3.1.4、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3.1.4a)，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。
圖3.1.4a天溝阻水擋板形狀簡圖 圖3.1.4b天溝阻水擋板形狀簡圖
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3.1.4b)。
3.1.5、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。
3.2、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（詞條“彈性”由行業大百科提供）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金屬板塊和不銹鋼天溝的雨噪聲隔聲問題。
4、 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、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。其中板塊之間的縫隙(膠縫)，是否能在各種工況的狀態下實時保證其在設計時要求的氣密、水密等各項物理性能，是保證項目整體性能的一個非常重要的因素。再則就是排水系統設的計不到位，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。這些因素很值得我們研究總結。
本文中有些內容和介紹的設計方案是我在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
[1] 王德勤，不銹鋼排水天溝的設計，《建筑幕墻》，2017年，第2期
[2] 《采光頂與金屬屋面技術規程》，中華人民共和國行業標準, JGJ 255-2012
[3] 王德勤、王琦， 臨沂大劇院螺旋狀異形金屬屋面設計體會，《中國建筑金屬結構》，2015年，.第2期
[4] 王德勤，魯臺經貿中心異型屋面設計，《中國建筑防水》,2012年，7期
[5] 朱相棟，金屬屋面雨噪聲隔聲技術指標，清華大學，建筑環境檢測中心，2010.05
