中国建筑第八工程局有限公司天津分公司 300457
摘要：随着建筑技术的发展，特别是BIM模型建造技术创新应用，为外檐异形曲面幕墙工程快速发展增添了活力，金属屋面应用为新颖造型设计的展馆、博物馆、酒店等大空间提供了条件，异形曲面双层金属外檐饰面具有独特的造型和良好的外观效果。在不突破外层装饰面的屋面设排水系统是异形曲面金属幕墙设计及施工研究的新课题，异形曲面金属幕墙屋面排水是在保证装饰效果的前提下设置排水设施，对此研究异形曲面金属幕墙屋面排水系统有重要意义。
关键词：异形曲面、金属幕墙、屋面排水系统、隐形排水天沟、设计、施工
一、工程概况
国家海洋博物馆项目坐落于天津滨海生态城旅游区，整个建筑外形为四条“鱼跃”的造型组合而成，顺接平滑自然，体现了海洋生物从陆地向海洋延伸的动态形态。建筑设计造型富有未来气息，平立面均呈弧形。将近10万㎡的大体量异形多曲面建筑外檐幕墙和外墙体系（包括曲面金属幕墙、曲面玻璃幕墙、曲面石材幕墙等），大部分采用直立锁边铝镁锰金属板作为主要围护结构，上覆3mm厚菱形铝合金穿孔（非穿孔）铝板作为装饰板，铝板幕墙面积近6万㎡。
二、工程重点与难点分析
2.1、深化设计复杂，本工程外檐曲面幕墙面积约10万平米，异形曲面双层金属幕墙面积约6万平米，金属幕墙屋面面积约3万平米，在如此大体量的曲面外饰板内做隐藏式天沟具有较大难度，特别是与金属板连接的细部构造节点等是本工程深化设计的重点和难点，
2.2、在局限位置内设置排水系统本身较困难，又由于汇水面积大，设计的暴雨重现期长等因素，对于选择什么样的排水系统是重点。
2.3、排水系统走向及固定是难点，因本工程为曲面大空间结构，且侧面为玻璃幕墙结构，排水管走向影响着装饰效果，且钢桁架结构设计要求不能焊接固定其他构件，如何设计排水管走向和固定排水管系统是本天沟布置的难点。
2.4、金属幕墙多为异形多曲，排水沟是隐藏在金属幕墙外装饰板的内侧，在外饰板施工前，必须进行天沟布置和安装完成。并需经过试水实验合格后方可进行外饰板安装，从天沟的材料、加工及现场焊接的每道工序必须严格检验，隐藏式排水天沟施工质量控制是难点。
三、总体思路
3.1、设计思路
在异形曲面金属屋面上布置天沟要求宜简不宜繁，简洁的排水设计既能方便施工、又能降低造价、也更容易保证质量。根据曲面屋面的跨度大小，来定位天沟的纵向位置和布置数量，再根据汇水面积的大小和排水系统选择来计算排水天沟的截面尺寸，做到宜加工、宜施工、有质量保证的设计原则。
3.2、施工思路
由于金属幕墙施工的工序多，在什么时间插入天沟的施工是质量保证的关键，经过讨论和论证，宜在幕墙龙骨安装后进行排水天沟的安装，一般先安装平段天沟，再安装斜段天沟，天沟的龙骨和天沟不宜焊接，宜采用三面卡固定方法，排水系统应能在一定位移下功能良好，防止其结构或天沟的温度变形造成天沟开裂、渗漏等现象发生。
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四、实施方案及措施
4.1、隐藏式曲面天沟设计构造做法
根据双层金属幕墙屋面的构造做法，天沟饰面到主钢构龙骨之间的净距一般较小，根据隐藏要求及水落口处水平段长度要求和斜向曲面特点，天沟的深度在一定宽度范围内最小应满足排水系统功能要求，根据天沟的布置部位，本工程天沟分为屋面顶斜天沟、屋面平天沟、侧面平天沟，
顶面斜天沟位于1-4号馆的屋面下坡面处，具有收水面积大，水平面变化大、坡度大等特点，也是曲面隐藏式天沟的主要排水设施。顶面平天沟位于2-3号馆之间的中央大厅位置，具有天沟数量多，收水量大、集中排水量大等特点，是本工程的排水重点。侧面平天沟位于1-4号馆侧面，具有沟底在同一水平面，收水量小、施工难度大等特点，是顶天沟收水系统的一个补充。
4.2、隐藏式曲面天沟的排水系统选择
由于曲面天沟的收水面积大、、容量小、易溢流等不利因素，对此需要收水速度快、收水量大的排水系统，根据对比分析，此曲面排水系统需要采用虹吸式排水系统，在60s内即可启动虹吸系统，并可满足排水需求，但虹吸排水系统对排水设施要求较为苛刻，包括虹吸的收水斗的底面平整，储水量、虹吸主、支管坡度布置等，均需经过计算确定。
4.3、异形高大空间排水系统管走向及固定措施
本工程为倾斜异形大空间钢结构体系，为保证其空间效果，在高大空间部位采用玻璃幕墙系统，对于排水系统的走向要求提出了挑战，排水系统只能在8-10m柱距的门式桁架上固定和走向。项目对特定的工况环境进行研究论证，采用抱箍卡具进行排水管的固定，它是有抱箍和支撑龙骨组成，沿曲面桁架从雨水斗处至地下收水管道，此做法不破坏主体钢结构，具有可适应温度应力变化等特点，特别适用于异形结构的管道固定方法。
4.4、异形曲面异形排水天沟施工控制重点
天沟施工质量的优劣直接关系到屋面的防水效果，在施工过程中应重点关注不锈铁天沟的与龙骨之间的连接关系，不锈钢之间的焊接、不锈铁天沟与金属锁边板之间的构造连接、不锈铁天沟之间是否设缝及年限暴雨重现期溢水等方面均应全面考虑。
1、隐藏式不锈铁天沟在本工程中采用2mm厚316不锈钢板压制而成，为便于运输和安装，分1.2m一段现场焊接，焊接时为防止焊接热变形，采用不锈钢专用焊机从中间向两侧依次进行焊接，焊缝应饱满，无夹渣、漏焊等质量缺陷。在顶面斜天沟分段高低差处应设置挡板，并留有溢流水量高度。
2、为考虑不锈钢天沟的温度收缩特性，不锈钢天沟龙骨采用三面围卡形式，天沟与龙骨之间处于铰接状态，在钢结构或不锈钢天沟等受温度影响下，保证天沟的自由伸缩，减少天沟的渗漏隐患。
3、不锈钢天沟与锁边板之间的连接构造是曲面金属幕墙天沟排水的控制重点，对此进行了多次专家论证，因要保证其隐蔽性和建筑的外观效果，天沟在设计时天沟的深度和宽度不能保证其在暴雨重现期内的溢流现象，对于 50年的暴雨重现期每平米的雨量达到6.77L/㎡·s的雨量，现有的条件不能保证在60s内虹吸系统的启动，在溢流时必须保证其天沟低端的构造措施不渗水，对此项目采用二次防水措施减少其渗漏风险。，主要采用柔性防水卷材和柔性防水布等两种主要防水材料，可以吸收温度应力作用下的微变形。
五、总结
国家海洋博物馆工程是首座国家级、公益性、综合性的海洋博物馆，现已收藏展品十万余件，屋面的施工质量在业主重视、设计关注、施工保障下已顺利完成，经过多次讨论和论证并采用多种措施，保证了其屋面的防水效果，异形曲面金属幕墙隐藏式天沟经历了多次雨水的检验，屋面防水效果得到了保证。
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、第三期
[2]王德勤、不锈钢排水天沟设计-金属屋面排水天沟设计的问题解析，《建筑幕墙创新与发展》2017.4
[3]陈小丽，异形幕墙施工技术，《建筑施工技术开发》2013.11
论文作者:赵国勤,刘泉
论文发表刊物:《建筑细部》2018年2月上
论文发表时间:2018/9/5
标签：天沟论文; 曲面论文; 幕墙论文; 屋面论文; 异形论文; 金属论文; 排水系统论文; 《建筑细部》2018年2月上论文;