不锈钢排水天沟的设计——金属屋面排水天沟设计的问题解析

　　1 引言

　　当今的建筑造型已经呈现多元化的发展方向，一些新派建筑师不满足于设计中规中矩的建筑形式，许多大型和超大型的极富视觉冲击力的建筑越来越多的呈现在我们面前。 建筑的屋顶、屋面部分也都利用外饰层作为建筑设计思想的载体，展示着建筑艺术的魅力。异形金属屋面系统以往也只是作为建筑造型中的个别单体，现在已经大范围的得到应用。超大型的曲面建筑金属屋面，特别是双曲面造型的建筑金属屋面系统，越来越多的应用在国内外大型建筑中。(图1~4)

图1长沙梅溪湖文化中心效果图

　　近年来，由于建筑幕墙和金属屋面的设计方法和技术手段有了不断提高，bim和计算机三维设计软件的应用，已经完全可以满足异形金属屋面的造型设计需要。那么，如 何更好的实现建筑创意，如何在将建筑的语言表达的更加透彻的同时，还能保证屋面的各项物理指标和使用性能，这已经是许多幕墙公司和幕墙设计师们必须面临的问题。

　　本文所提及的金属屋面是指由铝镁锰薄板或铝板、钢板等金属板材压制成型的金属屋面系统。屋面系统中主要包括：主体支撑钢结构;连接机构;檩条;底层硬防水镀锌钢板;防潮隔气层;隔声层;保温层;金属屋面板;外装饰板。

　　这里的金属屋面系统，主要是指建筑物金属屋面的整体系统，其中包括：屋面系统、排水系统、屋脊、山墙、檐口、屋面板接口、封头、防雷接闪器、清洗水接头、不锈钢连接环、融雪融冰装置、落水及虹吸装置还包括屋面面层的装饰板，附着物等。

图2鄂尔多斯博物馆东立面图

　　在这里重点要介绍的是，排水系统中的排水天沟的设计和虹吸排水的使用。

图3 贵州铜仁凤凰机场航站楼效果图

图4重庆江北机场T3A航站楼效果图

　　2、金属屋面排水天沟

　　2.1、排水天沟的定义、作用及功能

　　天沟指建筑物屋面两胯间的下凹部分，在建筑屋面汇集屋面雨水的沟槽。天沟排水是指利用天沟将雨水排至屋面以外。屋面排水分有组织排水和无组织排水(自由排水)，有组织排水一般是把雨水集到天沟内再由雨水管排下，集聚雨水的沟就被称为天沟，天沟分内天沟和外天沟，内天沟是指在外墙以内的天沟，一般有女儿墙;外天沟是挑出外墙的天沟，一般没女儿墙。

　　金属屋面不锈钢天沟是指，在建筑物顶部采用金属板作为防水屋面时，在金属屋面的下凹部位，起到收集雨水作用并能通过排水管系统有组织的将雨水排出的凹型沟槽，一般采用不锈钢板制作成“U”形或矩形的排水系统，叫不锈钢排水天沟。不锈钢天沟槽安装现场、金属屋面天沟和山墙处天沟见图5(a)(b) (c)。

图5.a不锈钢天沟槽安装现场

图5.b金属屋面檐口天沟

图5.c金属屋面山墙处天沟

　　2.2、 天沟的构造形式与设计方案：

　　不锈钢天沟的作用是收集雨水，并能通过排水管系统有组织的迅速将雨水排出。

　　天沟槽的设计时，在充分考虑到其自身的排水、引水的功能外，还要考虑到排水天沟是整个屋面系统的一个组成部分。其功能要完整。特别是在保温(词条“保温”由行业大百科提供)、隔热、隔声及装饰性能上要根据不同的项目进行专门(词条“门”由行业大百科提供)的设计。一般要求在天沟金属槽的室内则设置填充保温棉，在可视部分包饰装饰面层。在天沟金属槽的室外则涂防水油膏加防水卷材，这样有利于减少噪声，提高沟槽的防腐能力，提高使用寿命。

　　在相关的国家标准和规范中对金属屋面排水天沟的设计已明确规定，排水天沟槽的设计应该考虑以下各方面的内容：

　　1) 排水天沟采用防腐性能好的金属材料，不锈钢板的厚度不应小于2.5mm;

　　2) 防水系统采用两道以上的防水构造。防水系统应具备吸收温度变化等所产生的位移的能力。(图6(a) (b))

图6(a) 不锈钢天沟槽的横剖面节点图

　　3) 排水天沟的截面尺寸应根据排水计算确定，并在长度方向上应考虑设置伸缩缝，天沟连续长度不宜大于30m。

　　4)在对于汇水面积大于5000平方米屋面，应设置不少于2组独立的屋面排水系统，并应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%。在天沟内侧设置柔性防水层，最好不低于在两侧立板的一半位置(1/2)处和底板的全部加一道柔性防水层。(图6(b) )

图6(b) 加工成型的不锈钢天沟

　　2.2.1、排水天沟溢流口的设计：

　　在CECS183：2005 《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》中是这样定义的：

　　溢流口(overflow)当降雨量超过系统设计排水能力时，用来溢水的孔口或装置。

　　溢流系统(overflow system)排除超过设计重现期雨量的雨水系统。溢流系统可以是重力系统或虹吸系统，溢流系统不得与其他系统合用。

　　在排水天沟内,如果出现非常情况,如排水口不畅，水量过大等特殊情况，为保证天沟能够将水排出，比较好的办法是在天沟内设置溢流口。当天沟的水位到达一定的高度时，水在过溢流口溢出，并能将水有组织的排入落水管内。或直接将水排到屋外。

　　我们在生活中最常见的溢流口就是家庭中使用的洗手水池。基本上在每个水池上沿边部都留有一个小口，这就是水池的溢流口。当水在水池内高度到达口边缘时，水将通过此溢流口流入下水管道，不使过多的水发生外溢的现象。提高了用水的安全性。

　　屋面排水天沟在工作状态时其环境更为复杂，很有可能由于异物将落水口的排水量减少或失去排水的功能。或由于非常情况，出现水量过大无法及时排出而造成水从天沟的边缘溢出，进入屋面的保温层而出现屋面漏水现象，更严重的时候可能由于水的重量引起屋顶支撑结构的安全问题。

　　溢流口的形式可以根据工程项目的特点而定，可采用在天沟侧面立板或端部立板面上开口的作法;也可以采用台式溢流口的设计。(图7a、b)

图7a不锈钢天沟台式溢流口节点图

图7b在天沟侧面立板设置的溢流口节点图

　　在设计溢流口时也应进行溢流口的布置分析，用计算和分析方法确定溢流口的尺寸大小和位置，数量是否满足在极限状态下的需要。溢流口的尺寸计算在《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》中已给出了计算公式和计算方法。

　　由于项目的不同特别是异形曲项目，每一段天沟的设置都会有所不同，所以应在深化设计时对每一段天沟的布置、每一个落水口和溢流口的设置都应有分析计算来确定。

　　2.2.2、不锈钢天沟槽应与其支撑结构之间能够相对位移

　　在不锈钢天沟施工时，不得将不锈钢天沟的板边缘直接锚固(焊)在天沟的支撑结构上(如图2.2.2)。因为天沟与天沟的支撑结构一般在工作状态时不是在一个温度场内，在温度变化时会出现较大的温度差。会在天沟槽的纵向方向天沟与支撑结构之间出现较大的相对变形。如使其固定限制其变形将在此部位出现很大的温度应力，使之出现破坏。

图8 不锈钢天沟断面节点图

　　同时，由于不锈钢天沟的材质为不锈钢板，奥氏体型不锈钢在20℃至300℃时线膨涨系数为17.5;而支撑结构为碳钢材料，其在20℃至300℃时线涨系数约为11.3至13。奥氏体型不锈钢与碳钢相比，最大的线膨胀系数，比碳钢大40%，并随着温度的升高，线膨胀系数的数值也相应地提高。所以出现温度变化时即使天沟与其支撑结构的温度一至，也会由于材质的不同出现很大的应力(词条“应力”由行业大百科提供)而产生温度变形。所以在天沟和支撑结构设计时应充分考虑到其有相对位移的特点，使其在工作时能保持良好的工作状态。

　　2.2.3、大坡度的排水天沟应设置阻水挡板、水平落水斗

　　屋面布置大坡度天沟时，应考虑到排水天沟在使用时的有效和可靠性。应设置好不锈钢天沟的支承系统，使其安全稳固。在大坡度的天沟内设置雨水斗时，应充分考虑到雨水的流速。应根据其斜度来确定是否要增设阻水板(图9a)。

　　在斜度大于15%时，在不锈钢排水天沟内宜考虑设置阻水板装置，来降低雨水在斜形天沟内的水流速，斜度越大阻水板的数量应越多。阻水板除了能有效的控制水的流速外，还能有效的阻止异物进入排水口。

　　阻水板的形式可以为筛孔式、桥式、板式等。阻水板的高度一般可在天沟侧立板高度的1/2至1/3(图10b)。

　　斜型天沟内的雨水斗应设置集水槽，将雨水集中在集水槽中排出，集水槽的底部应水平设置，不得将雨水斗倾斜安装在斜型天沟的底部。纵向倾斜的天沟集水槽应设置在斜型天沟的下半部位，并在集水槽的下短边边缘设置阻水板(图9a)。

图9a 大坡度天沟阻水挡板布置简图

图9b天沟阻水挡板形状简图

　　2.2.4、斜屋面的横向天沟底板应水平设置

　　在曲面建筑屋面设置天沟时，应充分考虑到排水天沟在使用时的有效性，不得使不锈钢天沟断面的下底板倾斜设置(图10a)，这会严重影响天沟设计容量的有效性，使天沟的排水性能大打折扣，同时还能由于积水造成天沟内污浊。

　　在实际工程中，天沟断面底板倾斜设置大部分是出现在结构面与屋面的距离太小，没有考虑到设置天沟的位置。应重新确定结构与屋面板的关系。在设计时必须将不锈钢天沟断面的下底板水平设置，这样才能使天沟起到有效的排水作用(图10b)。

图10a天沟阻水挡板形状简图

图10b天沟阻水挡板形状简图

　　2.2.5、排水天沟端头和长度方向接头的设计

　　排水天沟的截面尺寸应根据排水计算确定，并在长度方向上应考虑设置伸缩缝。由于天沟纵向长度方向有着温度变形的影响，所以长度不宜过长。按照国家标准的规定，天沟连续长度不宜大于30m。这是一个参考尺寸，可根据实际情况对特定的项目提出要求。连续长度尺寸的确定主要是考虑天沟在工作状态时，由于环境温度的变化引起的天沟纵向长度尺寸变形是否在可控范围内。在计算时温度变化值(温差)应考虑在100℃以上的变化。天沟端头和接头形式也应根据每个实际工程情况和要求进行设计。

　　2.2.6、排水天沟的清理和防治积尘、积沙的设计

　　大部分屋面的天沟和檐沟都是裸露在外的，对于室外的粉尘、风沙和风中的夹杂物随着雨水或自重会进入到天沟内。特别是在风沙大的地区这个问题就显得十分严重，就连有盖板的天沟都会被积沙、积尘侵入，如不能及时清理积沙会将全部排水口封住，特别是对虹式排水口的功能破坏非常严重。(图11a、b、c)

图11 a天沟内已积沙照片

图11b天沟内伴热线和落水口的积沙

图11c天沟虹吸落水口处积沙照片

　　解决这个问题的最好办法就是要对积沙、积尘及时的清理。在实践中,清理积沙的方法很多，除了常规的人工打扫清理外，还可以用设置高压水枪冲洗清除积沙的办法等。

　　在这里所要重点介绍的是一种非常实用的清理积沙的办法：在天沟底部，落水口的边部设置集沙池(图11d)。

图11d 天沟内设置集沙池的构造简图

　　集沙池的作用是能够将积在天沟内的沙子和异物通过雨水流带入到集沙池内，在便于清理天沟内的积沙的同时可以阻止积沙快速侵入落水系统，给清理挣得时间。在积沙池内可设置一个活动槽，在清理积沙时将活动槽移出就可将积沙清除。

　　2.3、金属屋面汇水区域的划分及汇水量的分析、计算

　　在金属屋面排水天沟的设计中，汇水区域和汇水量的确定直接影响到不锈钢天沟系统和落水系统的布置与构造设计，是保证屋面功能设计中的关键参数。汇水量的分析，主要内容是将指定天沟在单位时间内所能收集到的最大雨水总量的分析。这就需要对这段天沟所对应的，能接受雨水的全部金属屋面面积进行分析计算。一般的平面和斜面屋面的计算分析比较简单，按以下方法就可以得出结果。但对应复杂的异型金属屋面要根据其屋面板排版图对所对应的区域进行汇水量分析。下面是落水口分担雨水量的计算、排水量的计算以及落水管管径计算，这是在天沟设计中最重要的分析计算。

　　(1)、每一个落水口所分担之雨水量计算：

　　屋面长度：L(m); 屋面宽度：B(m);

　　集水面积：Ar=B*L(㎡);

　　雨水量：Qr=Ar *I*10-3/3600(m?/sec);

　　降雨强度：I (mm/hr)

　　考虑屋面蓄积能力的系数。1.0~2.0之间。

　　平屋面(坡度<2.5%)1.0，斜屋面(坡度>2.5%)1.5~2.0。

　　(2)、天沟排水量的计算(天沟断面核算)：

　　天沟排水断面简图见图13

　　天沟排水量计算采用曼宁公式计算：

　　Qg=Ag*Vg =Ag*R2/3*S1/2/n

　　Ag=W*HW

　　R=Ag/(W+2Hw)

　　Vg：天沟排水速度(m/sec)

　　N：sus或彩色板磨擦系数=0.0125

　　S：天沟泄水坡度=1/100

　　W：天沟宽度(m)

　　H：天沟深度(m)

　　Hw：设计最大水深(m)(通常取0.8H)

　　FOR Qg>Qr 排水槽的截面满足要求。

　　(3)、落水管管径计算: Qd=m*Ad*(2gHW)1/2( m?/sec)

　　M：落水管支数=1支

　　d：落水管外径(m)

　　Ad：落水口面积(㎡)

　　g：重力加速度=9.8 m/sec

　　HW：天沟最大水深(m)

　　FOR Qd>Qr 使用落水管的管径大小满足要求

　　2.4、虹吸式屋面雨水排水系统的设计

　　在CECS183：2005 《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》术语中规定，虹吸式屋面雨水排水系统：按虹吸满管压力流原理设计，管道内雨水的流速压力等可有效控制和平衡的屋面雨水排水系统。一般由虹吸式雨水斗(如图2.4.1~2.)、管材(连接管、悬吊管、立管、排出管)、管件、固定件组成。

　　当雨水、雪水按照我们的要求汇入天沟内就进入了有组织的排水的过程 ，一般情况下从天沟内向外排水的方案有两种：一是通过水的重力和天沟的排水坡度使雨水汇聚到落水斗处，通过排水管道有组织的排出。这种方法简单易维护，大量使用在建筑上。二是虹吸排水系统技术。

　　虹吸(syphonage)是利用液面高度差的作用力现象，将液体充满一根倒U形的管状结构内后，将开口高的一端置于装满液体的容器中，容器内的液体会持续通过虹吸管从开口于更低的位置流出。(图15.)

　　虹吸的实质是因为重力和分子间粘聚力而产生。装置中管内最高点液体在重力作用下往低位管口处移动，在U型管内部产生负压，导致高位管口的液体被吸进最高点，从而使液体源源不断地流入低位置容器。

　　虹吸式排水系统的基本原理是，当天沟积水深度达到设计深度时，掺气比值迅速下降为零，雨斗内水流形成负压或压力流(满管压力流)，泻流量迅速增大，从而形成饱和排水状态。其技术特点在于虹吸式雨水斗设计，水进入立管的流态被雨水斗调整，消除了由于过水断面缩小而形成的旋涡，从而避免了空气进入排水系统，使系统内管道呈满流状态。

　　利用了建筑物高度赋予的势能，在雨水的连续流转过程中形成虹吸作用(如图16~17.)，导致水流速度迅速增大，实现大流量排水过程。

　　在这里想特别强调，在天沟虹吸式排水系统设计时一定要考虑到固定在天沟上的虹吸式雨水斗会在不锈钢天沟有温差变形时随着天沟槽移动，如连接在吸式雨水斗上的落水管不能适应其位移，将会出现断裂的现象，造成排水功能失效。

　　2.5、在寒冷地区屋面除雪融冰系统的设计及排水应该考虑的问题

　　金属屋面在寒冷地区的冬季，常会出现积雪的现象，严重影响了金属屋面的使用安全。为解决这个问题可在不锈钢排水天沟内布设天沟融雪系统。

　　在天沟内的融雪系统一般采用恒定功率电伴热带作为融雪的手段。基本方法是将设计计算后选定的伴热带铺设在不锈钢天沟内。.

　　天沟融雪方案在确定时，应根据工程所在地的冬季气候条件和环境通过计算选用伴热带，确定伴热带在天沟内的铺设方案;以某个实际工程为例，为保证除冰和融雪的速度和效果，选用了伴热带标称功率为35瓦/米，天沟内铺设方式采用1:6呈“S”型铺设(图18)，天沟槽除冰融雪功率为210瓦/米。落水斗附近加密铺设。

　　该项目的融雪散热量计算如下： 融雪系统设计依据为《地面辐射供暖技术规程》JGJ142--2004。 散热量计算如下：

　　单位地面面积所需散热量(Qx)按以下公式计算：

　　Tpj=Tn+9.82*( Qx/100)0.969

　　式中Tpj-----------地表面温度(℃)，地表面温度按照融雪要求在1℃左 右，即Tpj=1℃

　　式中Tn-----------环境计算温度。在融冰项目中为最低室外环境温度， 即Tn=-31℃ (鄂尔多斯室外最低气温-31℃)

　　式中Qx----------单位地面面积所需散热量w/㎡ 即

　　1=-31+9.82*( Qx/100)0.969

　　( Qx/100)0.969=32÷9.82=3.26

　　通过以上公式得知： Qx ≈348W/㎡

　　根据计算结果，每延米平均功率348*0.6=209W,使用35W/m发热电缆，实际按每延米6.5米发热电缆(含折弯曲线)铺设。考虑实际使用和控制系统操作方便以及现场电源等情况，该建筑屋面天沟设多个控制点，每个控制点设1个控制箱进行分区控制。

　　天沟内伴热带的铺设方式根据实际工程的要求，可采用呈“S”型的铺设方案，也可以采用平行铺设的方法(如图2.5.3)。要加大融雪速度也可选用大功率伴热带或在天沟的立板及屋面板檐口增设融雪装置。

　　2.6屋面与不锈钢天沟的隔声设计

　　雨滴撞击屋面和天沟的不锈钢板引起振动，将有两种声音传向室内，一是振动辐射出的空气声，一是通过结构传递的固体声。如果屋面的构造具有良好的空气声隔绝能力及良好的撞击声隔绝能力，可降低雨噪声。

　　增加屋面质量是解决雨噪声最为有效的途径，但是对于金属屋面等轻质屋面的可行性不大，因此只能通过改变屋面的结构做法来降低雨噪声对室内的影响。一般来说分层越多，层与层之间的界面越多效果越好。雨噪声属于在结构中传递的弹性波，声波通过界面时会因反射而降低继续行进的声能，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(词条“吸声材料”由行业大百科提供)作层间填充，可提高隔声层的空气声隔声性能。同时，这些吸声材料还具有提高保温性能的效果。有些材料，如聚苯、聚氨酯等，虽具有保温特性，但不具有不吸声性能，对于雨噪声的隔绝效果甚微。

　　根据以往实验室测试数据及工程经验，在某项目中所采用的金属幕墙综合隔声量约为30dB左右。为了增加屋面隔声量，在轻质屋面板内，采用纸面石膏板、GRC板做隔声层，可起到较好的隔声效果。隔声层一方面起到分层的作用，一方面也增加了部分重量，从两方面提高了隔声量。通过增加GRC板材后维护幕墙综合隔声量能够增加10dB左右，达到40dB。

　　屋盖(词条“屋盖”由行业大百科提供)上下层板材由龙骨(或其他刚性支撑件)固定时时，受声一侧板的振动会通过龙骨传到另一侧板，这种象桥一样传递声能的现象被称为声桥。声桥越多、接触面积越大、刚性连接越强，声桥现象越严重，隔声效果越差。在板材和龙骨之间加弹性垫，如弹性金属条或弹性材料垫对轻质屋盖隔声有一定的改善量，最多可以提高5dB以上。上述这些办法都能够有效的解决屋面和不锈钢天沟的雨噪声隔声问题。

　　3 结束语

　　近年来，超大型的曲面建筑金属屋面，特别是双曲面造型的金属屋面系统，越来越多的应用在国内外大型建筑中。我们应该看到，这些异型屋面在给建筑增彩的同时也我们带来诸多的烦恼。其中反应最强烈，出现问题最多的是渗水、漏水现象。这可以说是大型金属屋面质量上的顽症，究其原因应该是多方面的。但排水系统设计不到位，特别是对排水天沟的设计没有充分分析在工作状态时的适应、协调情况，造成不锈钢排水天沟的使用功能失效，而造成屋面漏水的严重后果。

　　本文中有些内容和介绍的设计方案如：溢流口的形式、阻水挡板和落水斗的设置、集沙池的构造等，是我在多年参与屋面、天沟设计和实践中的一点经验总结，如果能给金属屋面系统设计师们提供一些有益的启发就深感欣慰了。

　　参考文献

　　[1] 王德勤，鄂尔多斯博物馆的双曲面金属屋面设计，《幕墙设计》，2010年，第3期

　　[2] 《采光顶与金属屋面技术规程》，中华人民共和国行业标准, JGJ 255-2012

　　[3] 王德勤、王琦， 临沂大剧院螺旋状异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，鲁台经贸中心异型屋面设计，《中国建筑防水》,2012年，7期

　　[5] 朱相栋，金属屋面雨噪声隔声技术指标，清华大学，建筑环境检测中心，2010.05