【BCW】快来看看椭球形金属屋面＋全溢流式排水天沟的设计

来源： 中国幕墙网（ID：alwindoor_wx）

中国贵州六枝特区，中国的煤都，是当年中国西南大三线的中心，上世纪六十年代伴随大三线决策开发贵州六盘水能源钢铁，为大三线第一个主要基地!在当年，六枝特区就是设在贵州郎岱县。后来六枝特区、盘县、水 城三地合并而来为现在的六盘水市，是贵州省地级市。没有大开发前，这里是少数民族聚居的高山苦寒之地。

“这是一个与众不同的博物馆，要用最现代的表现手法展示当年的建设者们在大三线的奋斗精神，展示那块土地的自然和人文的变迁史”这是惟邦国际建筑设计集团的著 名建筑设计师汪克先生对我说的第一句话,他是这个博物馆的创意设计者又是项目的组织实施者。

原地宗矿洗煤厂、六枝记忆三线建设博物馆

地宗矿洗煤厂、六 枝记忆三线建设博物馆项目总用地面积：143494m2(合215亩),

总建筑面积24848m2,其中一期总用地面积23342m2(合35亩),总建筑面积8652m2。

一期为主题博物馆：包含有碗型影院、接待中心、飞行影院及三线建设博物馆。利用原有建筑进行改造。设计理念是修旧如旧，保护工业遗产。(图1.1)

碗型影剧院：建筑面积1800㎡，碗型环幕投影视觉宽阔，360度空间成像表现，极具立体感，其以高新科技展示投影影像，时尚震撼。

接待中心：建筑面积1026㎡，位于园区的入口处，通过接待中心可以问询了解园区的情况，有效引导游客进入园区。(已在《发泡铝板与双层防水构造技术在建筑外围护上的应用 --贵州“六枝记忆”三线建设博物馆》 文章中作了详细的介绍)

三线建设博物馆：建筑面积3230㎡，主要是征集、典藏、陈列和研究三线时期代表人员和建设的工业遗产的实物场所。

飞行影院：飞行影院建筑面积266㎡，整个画面布满球体，六声道的立体声效果，影厅内的动感平台，是集液压、电器自动化控制、计算机动画为一体的高科技系统工程。

碗型影剧院：建筑面积1800㎡，碗型环幕投影视觉宽阔，360度空间成像表现，极具立体感，其以高新科技展示投影影像，时尚震撼。碗型影剧院的外形是一个标准的椭球形状水平分析为长轴，垂直方向为短轴。表面 用异形铝单板装饰，有着很强现代感。

3.1 椭球体碗型影剧院的外景照片

       整个椭球体置于有着老旧沧桑感的原“地宗矿洗煤厂”内长满青草和各式野花的坡地上。它与老水塔、旧厂房、废弃的传送架等当年的工业建筑融在了一起。这充满现代感的椭球与动感十足的一群几何菱形体相互呼应 ，更显博物馆的神秘。(图3.1)

碗型影剧院椭球体是由金属结构为主体结构支撑，通过檩托、二次弧形钢管檩条来支承硬防水板，底层的硬质防水镀锌钢板(厚度为1.5mm)块之间使用了铝箔丁基橡胶防水胶粘带作为板块之间搭接缝的防水连接构造。代替了以前在硬防水防板块之间采用“Ω”型钢槽的做法。用聚乙烯为防潮隔层;保温层为80mm保温棉;外层防水采用了厚度为0.9mm的扇形弯弧板直立锁边铝镁锰金属屋面板和防水透气膜;在高直立锁边上部安装了Φ50×3的弧 形铝支撑管。弧形铝管作为最外层彩色立体造型装饰板块的支承构件 。

我们在该项目的球形双曲面金属屋面的设计与施工中采用了多项新技术和新工艺。比如采用铝箔防水胶带作为二次防水构造(镀锌钢板硬防水层)的粘接密封材料;采用了全溢流式环形排水天沟;对口插槽式节点定位安装外 装饰板块等。用新的设计和工艺方法来确保建筑的使用功能。

1、主体钢结构与屋面檩条的设计

这个项目的主体钢结构在设计过程中走了不少的弯路，结构的布置方案做过多次修改，但还是没有考虑到外部金属屋面的支撑结构体系，导致了在主体结构上又增添了一层转接结构，以此来对支承金属屋面的环形檩条 进行二次支撑。

主体钢结构的布置，是采用了投影方向矩形网格分布，在球体的中部的桁架分割尺寸和边部的桁架分割尺寸相差很大，特别是在边部的四个边角部位，几乎没有能够支撑环形次龙骨的支点，只好再从主体钢结构的外部 按经线方向再加一层竖向钢檩条，来支承水平布置的环形钢管檩条(纬线方向)。以此作为铝镁锰直立锁边金属屋面板和外装饰面板的基础支承结构。(如图3.1.1~3.1.4)

2、 铝箔丁基胶带作为二次防水(硬防水层)的密封材料

这个椭球体的内部是一个非常现代的多维立体飞行影院和剧场。在演出时，整个画面是布满在球体内部的。参观人员或观众以传送带的形式使他们能在画面中有游动，以此来感受这多维、立体、飞行的震撼。这是一整 套电动液压等自动设备控制的精密系统。所以对椭球体的外围护结构的各项物理性能指标要求很高，特别对防水性能的要求是极为严格的。如果有雨水的渗入，将会对内部的设施造成很严重的影响。

为了能确保防水性能，我们在外层采用了直立锁边金属屋面的防水层，在中部设置了防水透气膜的软防水层，在最内侧设置了1.5MM厚的钢板硬防水层。以此来保障整体屋面的防水性能。特别是这层1.5MM厚的钢板 硬防水层，其防水构造能有效的解决在极限状态下，如有水渗入到保温层内也能进一步阻止水进入室内。

以往我们在使用这种硬防水构造时，是在硬防水的每块防板块之间竖向采用“Ω”型钢槽的做法，横向采用上下搭接的做法来防止水的进入内部。但这种方法给加工和安装造成了一定的困难，特别是在水平方向的接口 处，易出现错位、漏钉孔的情况，质量也不易控制。

根据本项目的外形的实际情况，我们为彻底解决以往出现的硬防水层不严的问题，在该项目首次使用了表面覆盖铝箔材料的防水胶带。用它作为基层钢板搭接部位的防水连接构造。

丁基胶粘防水胶带的型号是多种多样的。这里说的防水胶带，主要是指丁基橡胶防水密封胶粘带其标准为《丁基橡胶防水密封胶粘带》JCT 942—2004，简称为“丁基胶粘带”。那么什么是丁基橡胶粘带呢?按标准规 定的语言就是：“以饱和聚异丁烯橡胶、丁基橡胶、卤化丁基橡胶等为主要原料制成的，具有粘接密封功能的弹塑性单面或双面卷状胶粘带。”

我们在该项目上所使用的是单面胶粘带，表面覆盖材料为金属铝箔和无纺布覆面材料两种，其厚度为1.5毫米，宽度为80毫米的丁基胶粘带。(如图3.2.1~3.2.3)

3、金属屋面板全部都采用了弧面扇形板

在双曲面金属屋面板的排版设计中，可以采用多种形式进行金属板块的排布组合。但除了整体采用弧面扇形板以外，其他的排布形式都会出现过量接口的问题。为了保证外形可能会采用焊接或搭接的做法，给屋面板的 防水性能增加了大量不可控的因素。特别是采用接口焊接的做法，在温度荷载的作用下可能会造成焊口裂纹、变形等诸多问题。为了保证椭球体的整体防水性能，我们采用了加工难度大、技术含量高、成本造价高但安装接口最 少，整体性能好的满铺铝镁锰金属弧面扇形板作为椭球体的外围护结构。(如图3.3.1~3.3.3)

球体的长轴直径为43.1米，短轴直径为38.1米，距地面最大球体高度为20.4米;扇形板的最小端尺寸为140mm，扇形板的最宽处尺寸为490mm; (如图3.3.2)

在扇形金属板布置时，我们将椭球体的水平最大直径处做为上、下板的转接接口。在接口的上部为正防水板，接口的下部为反向防水面板，在反向防水板上的雨水在自重的作用下能直接排到地面。(如图3.3.5~3.3.6)

从椭球的外形顶部排烟通风口处，顺弧形往下，将扇形屋面板纵向分割为四段，上两段采用了搭接技术进行防水连接，中部段采用排水天沟的两个立边进行连接，下部段在最大直径处采用上压下搭接的做法。(如图 3.3.3~3.3.6)

这样最大单板的长度可以控制在九米范围以内，以防止在工作状态下由于温度应力的影响使金属面板产生过大的变形，对金属屋面的物理性能产生的影响。

4、椭球形金属屋面全溢流式环形排水天沟

金属屋面不锈钢排水天沟，是指在建筑物顶部采用金属板作为防水屋面时，设置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。

排水天沟槽设计时，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。

该项目是一个基本完整的椭球形双曲面金属屋面，其排水天沟的设置在什么位置上最能起到汇水和排水的作用呢?我们针对该项目的实际情况进行了模拟试验和实际的测量。根据其功能和原理结合其他工程的设计案例 确定了不锈钢天沟的具体的位置和断面形状尺寸。具体的布设位置是从椭球体的最大直径处，也就是在正斜面和反斜面扇形板的交接处。垂直向上5米的水平切点位置，也是最大直径环形檩条往上第五根水平檩条处设置不锈钢 排水天沟。(图3.4.1~3.4.2)

天沟的位置确定后，我们对天沟的排水功能的保障和在极限状态下排水状况进行全面的分析。从不锈钢排水天沟的断面设计，到环形天沟在受温度应力作用下其变形的状态，以及如何对这种水平天沟的纵向底部排水坡 度和排水系统的设置，进行充分的论证分析。最终确定了椭球体水平环形不锈钢排水天沟的设计方案。

该项目水平环形天沟的长度为117米(弧长)。共分为六个区域，每个区域的天勾弧长为19.5米。根据天沟上部的面积和当地的雨水情况，计算出汇水量和水流速。根据数据确定在每段天沟内设置两个重力落水系统。在相 邻两段天沟的水平方向设计成坡度为2%方向相反的排水沟槽(规范中规定为大于1%)。

在天沟的最低处，不锈钢槽的矮立边上的顶部位置，设计成外折批水构造。批水板与不锈钢槽立板为一个整体。使批水板盖住直立锁边金属板的端头部位(图3.4.2)。使其形成批水构造。确保在极限状态下，如果排水天 沟内的水无法从落水口顺利排出，可以把天沟的矮立边部位当作溢流口，使雨水顺利的排到室外。

5、三角形立体外装饰面板采用了插槽式定位安装节点

外层装饰面板为彩色三角形立体外装饰面板，其设计造型给了这个普通的椭球体增添了极大的立体感和生命力。使球面的视觉效果更为丰富。

在初期的方案设计时装饰面板是一块块不规则的矩形板。有平板，也有立体彩色板块。它们也都是通过圆形环状铝管与直立锁边屋面板系统连接的。每块装饰面板由上下两根铝管通过转接件支承，这是一套很成熟的技 术。(图3.5.1~3.5.5)

经过多次优化之后，最终确定为以三角形彩色立体装饰板为主体的装饰面层。其连接固定形式也是由初期的多点固定连接。改为上边两个固定点挂接，下边缘由一个固定点以插接的方法插入底层板块儿的上边缘。这样 ，在固定点减少了1/3的情况下，连接更为牢固。

我们在设计该节点时目的是为了解决装饰面板由方形改为三角形之后，其背后的两根支承铝管会显露在视线范围内。对外饰效果有很大的影响。我们将上部的铝支承管上移，下部的支承管取消，其连接固定是靠插入在 下快板上边缘的插入点来固定的。

这样在外视线的范围内看不到起支承作用环形铝管。这种全新的连接节点设计，在减少近一半连接铝管和连接件的情况下，即提升了连接的可靠度又提高了外装饰效果。得到了全面的肯定。

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。

本文中的内容是结合本工程项目，分析并介绍了在方案设计、施工图设计、屋面施工过程中的技术问题。是我在设计和实践中的一点经验总结和大胆的探索，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。

六枝记忆·三线建设产业园位于贵州六枝特区地宗矿洗煤厂， 在这里贵昆线及株洲至六盘水复线铁路穿境而过，贵阳至六枝的时间只有2个半左右;六枝记忆·三线建设产业园距安顺、黄果树机场均为60公里。

现在交通极为便利，多么希望大家在看了这篇文章之后能打起行装，到贵州的大山深处，到那个有着一丝神秘色彩的山谷里。亲临现场体会一下只有在那里才能感受到的神秘气息。(图4.1、4.2)我相信“三线建设博物 馆”一定会使您心灵震撼!让你的思想穿梭于过去与现在之间，让你与以往有着不一样的感受!

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， 金属屋面的排水、防水构造特点，《幕墙设计》，2019年，.第2期

[4] 王德勤，板块装配式金属屋面双层防水构造技术解析，《中国门窗幕墙行业技术与市场分析报告》 ,2018—2019年度