1、引言
当今的建筑造型已经呈现多元化的发展方向，建筑设计已不满足于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（词条“曲面”由行业大百科提供）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1.1~1.2)
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。
图1.1 贵州铜仁凤凰机场航站楼的玻璃与金属板块侧立面
王德勤，男，1958.4出生，教授级高级工程师，北京德宏幕墙技术科研中心主任;研究生导师;中国建筑装饰（词条“建筑装饰”由行业大百科提供）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;全国标准化技术委员会专家。十八项国家专利发明人。
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。
图1.2 贵州铜仁凤凰机场航站楼照片
图1.3 航站楼侧面幕墙铝板与玻璃板块照片 图1.4 顶部铝板与玻璃板块照片
本文所提及的金属屋面、铝板幕墙的金属板块，是指由外饰面层为3mm厚铝单板，表面采用氟碳喷涂，内装饰层采用2mm厚穿孔铝单板，表面采用粉末喷涂。内外层之间夹有防水透气膜、保温棉、无纺布等，由铝合金龙骨支承并连接内外层铝板，使其形成即有内、外装饰性，又有防水、保温、隔气、隔声、防潮等各项金属板幕墙（词条“金属板幕墙”由行业大百科提供）和金属屋面所需要的物理性能指标，易于装配的金属板块系统。(图1.3~1.4)
这种板块的最大特点是，板块全部在工厂加工制作便于对板块的加工质量和精度的控制。在工地现场只进行板块的装配式吊装。板块装配到位后在完成建筑立面和屋面的使用功能的同时，能一次性完成外饰效果和内装饰效果。不用再对室内、外进行面层装饰就能投入使用，能节省大量的装饰费用和施工工期。
2、板块装配式金属屋面板的设计
以贵州铜仁凤凰机场航站楼的设计为例，介绍其设计方案及其性能的实现。
贵州铜仁凤凰机场航站楼是一项改扩建工程，在设计施工过程中机场要正常的运行，这对项目的设计与施工提出了很高的要求。其结构形式为框架结构、钢结构体系，屋面部分的支撑结构为球形网架系统。当地的基本风压值为0.3kN/m2，基本雪压值为0.3kN/m2。均为50年的重现期。
整个建筑的外立面和屋面均采用了玻璃和铝板相间，有机的将玻璃板块和铝板板块拼接成错落有致，波澜起伏的造型。特别是在建筑的中段建筑师利用了天地大扭转的手法，将立面扭转180度(图2.a~2.b)展现出今天与昔日翻天覆地的变化，特别是在建筑的中部，其外墙从正立面翻转90度变成了屋面，又从屋面翻转90度变成了背立面，給人以凤凰涅槃的震撼。
图2.a 外墙从正立面翻转90度变成了屋面 图2.b 外侧面铝板和玻璃波澜起伏的造型
由于建筑效果的要求，使得该项目在中段造型部位金属幕墙与金属屋面、玻璃幕墙与玻璃采光顶之间已无明显的界限。在设计中，为了能很好地实现扭转的效果和渐变的光线折射面。在每块平板玻璃之间采取了多角度错缝的做法来实现玻璃板块之间的扭转金属屋面板块之间基本上采用了齐缝的做法，在个别位置采取了大错缝的手法来展现翻转的力度。(图2.c~2.d)
图2.c 玻璃板块与金属板块的连接节点 图2.d 多角度大错缝的做法节点图（词条“节点图”由行业大百科提供）
2.1内、外装饰性与建筑物理性能的有机结合
建筑的装饰面层是一个能够有效的展示建筑设计思想的载体，装饰面的本身对于建筑物的各项物理性能没有直接的要求，面层与功能层可以是各自独立的两套系统。也可以是相互有机结合的一个整体。只要能在保证建筑物各项物理性能的基础上实现了建筑的装饰效果就视为可行。
图2.1.1 机场航站楼玻璃双曲立面效果照片 图2.1.2 机场航站楼内饰面效果照片
贵州铜仁凤凰机场航站楼的外立面和屋面，就是采用了内、外装饰面层与建筑面功能层有机的结合为一个整体的做法，在解决了建筑各项物理性能的同时也实现了建筑师对内外装饰面效果的要求。(图2.1.1~2.1.2)在节省了工程造价的同时，大大降低了异形建筑幕墙和屋面在现场安装的施工难度，有效的缩短了现场安装的周期，取得了很好的经济效益和社会效益。
2.2 结构、连接系统与装饰面板之间的构造
该项目的主体结构、支承龙骨（词条“龙骨”由行业大百科提供）、面板、连接系统、装饰面层之间的关系是：主体结构是钢结构体系;异形金属屋面和采光顶部分的支撑结构为球形网架系统;屋面体系利用网架系统的各个球形节点作为支撑点，将支承龙骨通过可调节的节点支座，按照设计定位尺寸固定安装;有保温、隔热等性能的装配式金属板块系统是通过固定在龙骨上的多个连接件（词条“连接件”由行业大百科提供）进行连接固定的。
装配式金属板块，是指由3mm厚铝单板作为外饰面层，表面采用氟碳喷涂，内装饰层采用2mm厚穿孔铝单板，表面采用粉末喷涂。内外层之间夹有防水透气膜、保温棉、无纺布等，由铝合金龙骨支承并连接内外层铝板，使其形成即有内、外装饰性，又有防水、保温、隔气、隔声、防潮等各项金属板幕墙和金属屋面所需要的物理性能指标，易于装配的金属板块系统。(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双层防水构造沟设计方案
为了确保板块之间的缝隙(胶缝)，能在各种工况的状态下实时保证其在设计时要求的气密、水密等各项物理性能，要对支承体系（词条“支承体系”由行业大百科提供）和装配式金属板块进行相对位移的分析以及结构与结构之间的温度变形情况的分析:
主体结构支承的球形网架结构与屋面的支撑龙骨均为钢结构材料，并在一个温度场内。所以，在温度荷载的作用下其相对变形量很小，可视为不产生相对位移量。
板块与结构之间是在两个不同的温度场内，又是不同的结构体系，不同线膨胀系数的材料。其相互之间会出现多种情况下的位移。在节点设计时要充分考虑到，连接节点在有连接固定作用的同时，还要能够适应其相互之间在三维方向上的变形位移量。
板块与板块之间由于是分别固定在各自的支承龙骨上，每个板块自身在外部条件的作用下会出现尺寸上的变化。最终将会反映在板块之间缝隙的尺寸变化。
2.3.1、以实际工程为例，对面板材（词条“板材”由行业大百科提供）料的温度变形进行分析：
贵州同仁机场项目的金属屋面的板块分割尺寸较大,在不考虑其它因素，只考虑温度变化对其影响，进行分析计算如下：
对受阳光直射的外层铝合金屋面板，取100℃为最大温度差值;标准板块尺寸为 2000mmX3000mm ;最大菱形板块的对角线尺寸为4100mmX2000mm ; 按照《铝及铝合金轧制板材》(GB/T 3880)
常用建筑材料的热膨胀系数（单位X10-6/℃）表
计算：工程项目在贵州，属夏热冬冷地区。铝板长度取值为3000mm。假设屋面铝板外表面最大温度差为100℃，则室外铝板
这也就是说在一块板块内，由于温度变化所引起的外层板和内层板的最大尺寸变形差为5.15MM，板块的尺寸越大变形差也就越大。这就要求在板块的构造设计时要充分考虑到这方面的影响。要在内、外板块连接部位有允许其平面内变形的构造。这才能保证屋面系统在工作状态时保证其各项物理性能。
2.3.2、双层防水构造沟节点设计方案
10从以上的计算中可以看出，在金属屋面板块受到温度变化的影响时，在板块与板块之间的接缝处会出现较大的尺寸变化。通常我们在接缝处是采用硅酮密封胶来保证气密、水密性能的实现。如果按照常规的铝板幕墙的构造形式已经无法满足接缝处密封的要求。为了能很好地适应其尺寸变化，在采用了大变位硅酮密封胶的同时，在外层板块接缝处采用双胶缝来增大其变位能力。(如图2.3.a~b )
图2.3.2a 机场航站楼双道胶缝的施工现场照片
在保证其防水性能方面，设计了“错位式两道防水构造”。也就是在安装过程中，在板块定位好之后在板块厚度方向的中部先打一道防水密封胶。并在进行闭水试验合格后再打外层的双胶缝。(图2.3.2c~d)彻底解决由于板块变形所引起的防水问题。
2.3.2c对两道密封胶缝的现场施工控制2.3.2d 在现场对胶缝进行闭水试验检测
3、金属屋面排水（词条“排水”由行业大百科提供）天沟
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。
图2.1.a不锈钢天沟槽安装现场 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、隔热、隔声及装饰性能上要根据不同的项目进行专门的设计。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（词条“分包”由行业大百科提供）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。
3.1、排水天沟槽在设计时应该考虑的内容
3.1.1、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。
3) 排水天沟的截面（词条“截面”由行业大百科提供）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。
3.1.2、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2.2.2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。
3.1.3、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(如图3.1.3a)。
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。
图3.1.3a 大坡度天沟阻水挡板布置简图
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(如图3.1.3b)。
图3.1.3b天沟阻水挡板形状简图
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。
3.1.4、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(如图3.1.4a)，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。
图3.1.4a天沟阻水挡板形状简图 图3.1.4b天沟阻水挡板形状简图
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(如图3.1.4b)。
3.1.5、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。
3.2、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（词条“弹性”由行业大百科提供）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金属板块和不锈钢天沟的雨噪声隔声问题。
4、 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。其中板块之间的缝隙(胶缝)，是否能在各种工况的状态下实时保证其在设计时要求的气密、水密等各项物理性能，是保证项目整体性能的一个非常重要的因素。再则就是排水系统设的计不到位，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。这些因素很值得我们研究总结。
本文中有些内容和介绍的设计方案是我在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，不锈钢排水天沟的设计，《建筑幕墙》，2017年，第2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
