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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

来源:《建筑幕墙创新与发展》  作者:王德勤  日期:2017-4-13
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  提要:本文对金属屋面上的排水系统,排水天沟的定义和不锈钢排水天沟的功能设计及虹吸排水的使用作了介绍。特别对不锈钢排水天沟的结构与构造设计原理、节点的设计思路和相关的技术进行了详细的分析。并将天沟溢流口的设计、阻水挡板与水平落水斗的设计、防治积尘积沙的方法作了介绍。同时将金属屋面汇水区域的划分及汇水量的分析、计算,除雪融冰系统的设计用实际例子进行了解析。
  关键词:不锈钢排水天沟,金属屋面,溢流口,汇水量,融冰系统。

本文摘自:《建筑幕墙创新与发展》未经许可不得转载

  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镁锰薄板铝板钢板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(词条“防潮”由行业大百科提供)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(词条“接闪器”由行业大百科提供)、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。特别是在保温隔热、隔声及装饰性能上要根据不同的项目进行专(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(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(词条“底板”由行业大百科提供)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(词条“碳钢”由行业大百科提供)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。

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专家介绍

 王德勤

铝门窗幕墙委员会专家组

工作单位:北京德宏工程技术科研中心

技术职称:教授级高工

专业:门窗幕墙标准编制、建筑玻璃与金属结构设计与研究

专长:大型金属屋面、双曲面索结构点支承玻璃幕墙的产品开发、节点设计、施工技术研究与应用。在国内是最早进行点支式玻璃幕墙研发、推广人之一。

原文地址:http://www.52mqw.com/info/2017-4-13/42868-1.htm
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