《鄂爾多斯博物館異形金屬屋面》案例剖析

　　                           鄂爾多斯博物館雙曲異型金屬屋面的設計

　　                                  王德勤 張 洋 陳啟明 廉洪波

                           （北京德宏幕墻工程技術有限公司，北京100062）

[提要] 以鄂爾多斯博物館的實際工程為例，對該項目在設計過程中碰到的難點進行分析。同時介紹異型金屬屋面的

基本概念、結構與構造設計原理、節點的設計思路和相關的施工技術。用大量的現場圖片、圖紙，針對在異型金屬屋

面和幕墻的設計中碰到的難點和關鍵技術進行分析，從屋面最外面的裝飾面板到連接件、防水層、保溫層、隔熱層、

隔聲層以及排水屋面構造、除雪融冰系統等的設計作一介紹。

[關鍵詞] 鄂爾多斯博物館，直立鎖邊的金屬屋面，弧形鋼管檁條，壓型板，頂部裝飾板帶。

1 引言

現有建筑造型已經呈現多元化的發展方向，一些新派建筑師不滿足于設計中規中矩的建筑形式，

許多極富視覺沖擊力的建筑越來越多的呈現在我們面前。幕墻作為建筑的外飾層，如何實現建筑創意

甚至如何將建筑的語言表達的更加透徹，已經是許多幕墻公司必須面臨的問題。

曲面建筑，特別是雙曲面的建筑造型越來越多的應用在許多國內外建筑造型中。以往只是作為

建筑造型中的個別單體，現在已經大范圍的應用到整個建筑造型中。新型的計算機技術已經完全可以

滿足幕墻的造型設計需要。

1.1 鄂爾多斯博物館工程概況：

鄂爾多斯博物館位于鄂爾多斯市康巴什新區，規劃建設用地面積為27760㎡，總建筑面積41227

㎡，總高度39.8m，是一座集文物展陳、收藏及博物館文化局辦公室，地下一層、地上四層（辦公區

八層）的大型綜合性建筑，使用年限為100 年。鄂爾多斯博物館項目由MAD 建筑事務所完成建筑設

計，山西建筑設計研究院完成施工圖設計。

鄂爾多斯博物館的建筑設計，展覽陳設和科技項目均定位于國際水準，無論是建筑空間、展區

規劃、展覽主題選擇還是對展品、展項的具體設置，都秉承“綠色、科技、人文”的宗旨。建筑造型

寓意一塊堅固的石頭，象征永恒，古銅色的金屬外表面記錄著鄂爾多斯悠久的文化，展現著鄂爾多斯

開創未來的創新精神。整體建筑效果見下圖示意：（如圖1.1）

王德勤，男，1958.4 出生，教授級高級工程師，北京德宏幕墻工程技術科研中心主任；清華大學建筑玻璃與金屬結構研究所技術交流委員會副主任；中國建筑金屬結構協會幕墻委員會專家組成員；中國建筑裝飾協會專家組成員；

(圖1.1鄂爾多斯博物館東立面)

（圖1.2西立面照片）             （圖1.3俯視圖）                   （圖1.4頂部裝飾帶）

整個建筑的外立面是由不規則的雙曲面構成，頂部有四個斜向玻璃天窗，在辦公區也設置有兩個

斜向的采光天窗，主次入口造型的變化十分復雜，觀眾通過逐漸收縮的喇叭口進入建筑，兩側的鎧甲

狀不銹鋼板能給人以穿越時空的感覺。（如圖1.2-4）

1.2 工程基本特點：

本工程幕墻與金屬屋面部分幾乎全部是雙曲面，而且曲面并無規律。如何控制好建筑的造型，實

現建筑師的預想，是工程的關鍵。以往常規的圖紙表述方式：平面圖、立面圖、剖面圖不能準確表達

異型幕墻的要求。

由于外部的建筑造型所致，該項目的金屬屋面部分與建筑幕墻部分沒有一個明確的分界線。如果

標準區分就是與水平面大于75°的為建筑幕墻，小于75°的為屋面。幕墻與屋面從節點設計到強度

計算以及材料的使用，都有著很大的差異。為確保項目的安全性能和使用性能，我們在設計中根據本

工程項目的實際情況進行整體設計，不論是幕墻還是屋面、采光頂將其有機地結合在一起，綜合考慮

技術指標。

2 異型金屬屋面的設計

2.1金屬屋面系統的構造

鄂爾多斯博物館建筑的整體外形是由多個不規則的雙曲面體形有機順滑的集合成一個不規則的

異型體。主體結構為鋼結構支撐系統，其表面大部分為金屬屋面和鋁裝飾板（帶）所覆蓋，整體造型

在柔順中能透出剛毅。這種類似的建筑在國內是極為少見的。

由于其體型和功能的要求，對金屬屋面來說，其設計與施工的難度很大，必須結合實際工程情況

采取特殊的、能夠適應本項工程的結構，節點設計和施工工藝方案才能順利完成本項工程。本工程屋

面系統的構造如下：（自下而上）

主體支撐鋼結構；檁托，可進行雙向調整的連接機構；檁條，Φ121×5 的弧形鋼管；硬防水板，

底層硬質防水鍍鋅鋼板（厚度為1.5mm）；防潮層，聚乙烯防潮隔層；隔聲層，玻璃纖維增強硅酸鈣

板；防水板T型支座系統；保溫層，雙層50mm 保溫棉；防水透氣膜；鋁鎂錳金屬屋面板，厚度為0.9mm，

高直立鎖邊；轉接件，鋁合金材質的連接裝置；弧形鋁支撐管，Φ40×3 的弧形鋁管；轉接件，鋁合

金材質的連接裝置；面層鋁合金裝飾板，厚度為3mm鋁板，表面按建筑要求的顏色進行氟碳噴涂。（如

圖2.1-2.1.2）

（圖2.1）

（圖2.1.1）

從節點圖中可以看出，本項目的金屬屋面部分的支承結構為分三層——主體支撐異型鋼網殼結構，

在此之外為鋼檁條，作為主結構的次龍骨，屋面板等功能材料是依附在次龍骨之上的，第三層支承結

構是直立鎖邊金屬屋面板外部的弧形鋁管檁條，是最外層鋁板裝飾帶的支撐結構。

依附在支撐結構上，能起到各項功能作用的板材、膜材共有七層---最外層為鋁合金裝飾層、鋁

鎂錳金屬面板層、防水透氣膜層、保溫棉層、硅酸鈣板隔聲層，聚乙烯防潮層、底層為鍍鋅鋼板硬防

水層。每一層都有著相應的功能，同時每一層也都有它特殊的工藝特點，這就需要整體設計中全面綜

合的考慮每一部分設計方案。

2.2檁條與主體鋼結構的連接設計

鄂爾多斯博物館的主體支撐鋼結構，是一個由異型鋼管網殼和異型鋼管桁架共同組成的空間網

殼結構。（如圖2.2.1）其外形及為復雜，這就造成在空間網殼施工中很難控制其安裝精度，出現外

形尺寸偏差較大的現象。

（圖2.2.1主體支撐空間網殼結構效果圖）

（圖2.2.2主體支撐鋼結構內視）                    （圖2.2.3主體支撐鋼結構仰視）

為能保證屋面安裝后的外形尺寸，必須在安裝次檁條時將主體結構偏差調整到外形尺寸允許的

范圍之內。在設計時我們根據現場的實際情況采取了按實際尺寸調整檁托母座的張度，使檁條在安裝

后的空間位置保持在設計范圍內。為了實現這一目的，我們對現場的萬個檁托支點采用全站儀進

行了空間位置測量。共得到空間三維數據個。用這些數據重新建立了三維模型，并與原三維模型

進行對照。用此辦法來確定了每一個檁托母座的長度。

檁托是一個連接屋面檁條的連接件，由鋼材機械加工制成，在主體鋼結構上焊接母座后，檁托

旋入母座。檁托的高低尺寸可以通過旋入母座的多少進行適量調節，這可以吸收由于主體鋼結構引起

的部分偏差。檁托安裝（如圖2.2.5）

（圖2.2.4 檁條安裝在檁托上示意圖）　　　?。▓D2.2.5檁托安裝在主體鋼結構上示意圖）

檁條為Φ121×5的鋼管，安裝在檁托上，并且通過U型抱箍緊固件連接固定。在檁條接口位置，

檁托上兩個U 型抱箍分別固定兩支檁條。檁條的安裝示意（如圖2.2.4）

由于本項目的特殊性，所決定每一根檁條都是弧形的，而且弧形半徑的無規律的變化，半徑的大

小是根據空間模型的尺寸確定的，必須在工廠加工成形后運入現場進行安裝。由于在安裝過程中如

果按焊接節點將會出現很大焊接應力，使檁條的形狀改變，無法順滑的擬合外形，為避免上述的問題

我們采取了無焊接的節點設計，用機械聯接的辦法解決實際問題。

第6 頁共 17 頁

2.3 底層硬質防水板、防潮、隔聲、保溫層的設計：

2.3.1 屋面底板的做法有很多，可以用軟防水、用壓型鋼板以及聚安脂硬泡等。但由于本工程的金

屬屋面為不規則的雙曲面，這些做法都無法解決雙曲扇形面伸縮變形的問題。采用1.5mm厚的鍍鋅鋼

板不但解決了扇形排版問題，同時也為安裝過程中施工人員提供了可靠的安全踏板，避免在施工時損

壞下層底板。

（圖2.3.1 鍍鋅鋼板加蓋“Ω”型鋼槽示意圖）　　　　?。▓D2.3.2防水板T型支座系統示意圖）

　　根

據我們的多年生產異型雙曲金屬屋面的經驗，結合本項目的特點，我們在金屬屋面系統的

外層，選用高直立鎖邊鋁鎂錳金屬面層防水板，在底層采用1.5mm 厚的鍍鋅鋼板做底層的防水

層，用雙層防水的方案來確保屋面系統的防水性能。

為了保證二次防水和提高鋼板的平面外剛度，在節點設計時確定了在左右兩塊鋼板之間折直角

邊，并加蓋“Ω”型鋼槽（如圖2.3.1）。上下兩塊鋼板在安裝時上板壓下板邊180mm，來保證其防水

性能。（如圖2.3.3）

圖2.3.3硬防水底板安裝過程照片

2.3.2、防潮層：在金屬屋面的使用過程中，為防止室內潮氣進入玻璃棉，在玻璃棉的下側加貼隔氣、

隔潮、反射熱輻射的鋁箔隔氣層，和聚乙烯防潮隔氣層。厚度≮9μm。為防止室外潮氣進入玻璃棉，

在玻璃棉的外側加貼防水透氣膜，起隔潮防潮作用。

2.3.3、玻璃棉保溫層：

根據招標圖紙和招標技術文件的要求，在進行屋面保溫隔熱計算后（詳見計算書），最終確定保

溫層為100mm厚超細玻璃棉，容重為24kg/m3，玻璃棉的導熱系數為0.036K(W/m°C)。為保證工程

質量，達到節能的目標，我公司在深化設計中采用的玻璃棉制品是經高溫熔融，由高速離心設備制成

無機纖維后，再加入特制粘結劑和防塵油經擺動帶鋪氈并通過特殊設備改變纖維排列結構，最后經固

化定型而成的新型輕質保溫材料。

輕質保溫材料具有如下特點：

1）、耐腐蝕性能：此種玻璃纖維棉性能穩定持久，且對鋼材腐蝕有抑制作用，不會與鋼板間發生任何

電化學反應，據有關標準的規定測定，保溫棉等PH值為7.1。

2）、防火性能：根據中國國家標準 GB50016 及中國國家防火建筑材料監督檢驗測試中心的檢測判定，

保溫棉不燃性(A 級)合格。

3）、環保性能：玻璃纖維較細，不含渣球(0%--GB/T5480.5)，使玻璃棉的導熱系數較低，對人體皮膚

刺激較小。

4）、抗潮濕性能：保溫棉在溫度49°C，相對溫度90%，常壓下通過ASTME84 測試，吸濕量低于2%,如

本產品被漬濕，干燥后保溫性能完全恢復。

2.3.4、隔聲吸音層

為保證博物館隔聲吸音效果我們在鍍鋅鋼板與保溫棉之間加了一層8mm 厚的玻璃纖維增強硅酸

鈣板。這樣，金屬屋面板的隔聲吸音性能的實現，主要是通過底層鍍鋅鋼板、玻璃纖維增強硅酸鈣板、

保溫棉、頂層金屬板等實現的。隔聲和吸音性能不僅體現在防止建筑外的噪音進入建筑內，也體現在

避免建筑聲音外傳，而且，當雨水敲擊屋面時不能對建筑內產生不利影響。

2.4 鋁鎂錳金屬屋面板的設計：

防水是屋面系統最基本也是最重要的功能，它的好壞直接影響著工程的形象和聲譽。正因如此，

屋面系統的防水性能是金屬屋面最為值得關注的方面。

普通壓型金屬板采用的是螺釘穿透式固定，釘孔處僅靠螺釘下的橡膠墊片密封。隨著墊片的老

化及屋面板受風壓反復作用，墊片的密封性能將大打折扣，并導致漏水。而且由于屋面存在成千上萬

個釘孔，其施工質量也受工人素質及技術水平的制約而難以保障。一旦出現問題，漏水點的查找也十

分困難，不易補救。

根據本工程的特點，我們在金屬屋面系統的外層，選用高直立鎖邊鋁鎂錳金屬面層防水板，

（如圖2.4.1）在底層采用1.5mm 厚的鍍鋅鋼板做底層的防水層，用雙層防水的方案來確保屋

面系統的防水性能。

（圖2.4.1高直立鎖邊鋁鎂錳金屬面層防水板示意）　　　?。▓D2.4.5-5直立鎖邊扇形彎弧板）

2.4.1 防水性能分析

本工程采用的是直立鎖邊屋面板型，板肋直立，使得其排水斷面幾乎不受板肋影響，所以有效排

水截面較普通板型更大，加之板肋較高65mm，更能保證屋面板在坡度平緩情況下的防水性能，同時

鋁合金的彈性模量小，對雙向彎曲的屋面適應性更強。

本方案鋁合金屋面系統采用先進的直立鎖邊固定方式，從根本上杜絕了傳統螺釘穿透固定方式帶

來的漏水隱患。直立鎖邊屋面板的固定，首先是將鋁合金固定座用高強不銹鋼螺釘固定于鍍鋅檁條上

翼緣，再將屋面板扣在鋁合金固定座的梅花頭上，最后用電動鎖邊機將屋面板的搭接邊咬合在一起。

由于采用了直立鎖邊固定方式，屋面沒有螺釘外露，整個屋面不但美觀、整潔，而且杜絕了成千上萬

個螺釘孔造成的漏水隱患。另外該屋面系統可配合獨有的鋁合金或不銹鋼配件，使得客戶可以方便地

在屋面板上設置裝飾板而無需用穿透屋面板，因而不會留下任何漏水隱患。

此板型的另一個優點是防毛細作用，體現在直立鎖邊系統的板肋上。板肋小邊上的特制凹槽在咬

邊后形成的空腔擴大了板肋的隙縫，防止毛細現象的發生，阻絕水分通過毛細作用進入室內，以更好

的達到屋面的防水功能。

2.4.2 吸收熱脹冷縮性能的分析

能有效吸收屋面由于熱脹冷縮而產生的橫向變形和由于底部結構的不均勻沉降而產生的垂直變

形。金屬面板的固定座和下部的保溫材料及鋼檁條跟隨主體結構上下運動，而板面的折邊可以吸收大

量的形變。在沿板肋的縱向，板更有足夠的撓度吸收可能產生的豎向形變。（如圖2.4.2-1）

（圖2.4.2-1屋面板吸收下部結構的垂直變形圖）　　　　?。▓D2.4.2-2 屋面板吸收熱脹冷縮的橫向變形圖）

金屬屋面系統利用板的折邊變形和板肋空隙來制調整熱脹冷縮。對每塊400mm寬的金屬屋面板，

可調節的量可達5mm，在總的可調整量內完全可以吸收該方向的結構位移。（如圖2.4.2-1）

2.4.3 透氣性能的分析

空氣中總是含有一定量的水份的，水份的含量即濕度在一年四季甚至每天都在變化，有時高有時

低，這些水份都是以氣態方式存在，但高濕度的熱空氣在遇到冷的界面時，空氣中的水份就會由氣態

變為液態，形成冷凝水。屋面板上下的空氣交換有助于使屋面板上下的空氣濕度保持一致，避免一側

的濕度過高在遇溫度突變時產生冷凝現象，尤其是要防止屋面板底的濕度太高。有時在翻開一些壓型

鋼板屋面時，會發現板的表面沒有被銹蝕，但板底已銹跡斑斑，這就是由于在板底的濕汽太多又排不

出去，加速了壓型鋼板的氧化腐蝕。

本方案采用的板型，其板肋的搭接既可防止雨水和毛細水的浸入，但又不妨礙空氣的自然流通，

使屋面板底的空氣能夠流動，屋面系統就如同可以呼吸換氣一樣，不會將濕氣悶在板下部。

2.4.4 板的長度方向吸收熱脹冷縮性能的分析

屋面板和鋁合金固定座采用機械咬合的方式來連接，屋面板通過機械咬合力扣合在鋁合金固定座

的梅花頭上，但屋面板仍可以在鋁合金固定上面自由滑動，此種連接方式可充分吸收屋面板由于熱脹

冷縮在縱向產生的變形。在本工程中，屋面板最長可達到74 米，將每片板的固定點設在板中間，板

的累計伸縮量也可達到70～80mm，故只有采用這種鎖扣式咬合的連接方式，才可以使屋面板能夠自

由伸縮，避免產生溫度應力。

2.4.5 金屬屋面板的排版設計

本工程屋面外形是一個類似奇石的不規則形狀，這就給金屬屋面板的排版設計工作增添了很大的

難度。金屬屋面板的排版設計是否可行，屋面板對曲面的順滑覆蓋是保證屋面板能自由伸縮及防水的

關鍵，因而分析屋面板鋪設在曲面上的效果，并根據分析結果制定相應的排板方案決定著整個屋面工

程的成敗。為了確保其使用功能必須對不規則的外形進行詳細的分析，這樣才能完成合理的排版設計。

根據建筑圖紙，建立精確的三維模型，并將三維模型分為兩大區域。即，項部區域和墻面區域。

在兩個區域之間由天溝來分界。在頂部區域內根據三維模型中所顯示出的坡度走勢，將高的部分設置

成屋脊，底部的位置設為天溝，使之自然形成了不規則的12 個分區（如圖2.4.5-1）。在每個分區中

的板型都是根據所在位置的不同而產生變化的。有的分區全部都由扇形彎弧板組成（如圖2.4.5-5）。

有的分區是由扇形彎弧板與弧形板組合而成。有的分區是由扇板、弧板、直板相互組合成形的。但在

每個分區中只能有一個坡度不同的排水走向。（如圖2.4.5-3、4）

在墻面區域中也根據其位置和形狀分成了11 個分區（如圖2.4.5-2）。

（圖2.4.5-1屋面板項部區域分布圖）　　　　　　　　?。▓D2.4.5-2屋面板墻面區域分布圖）

（圖2.4.5-3項部區域屋面板分區圖）　　　　　　　　?。▓D2.4.5-4墻面區域屋面板分區圖）

對雙曲形狀金屬屋面在排版設計時需要考慮以下幾個問題:

a)由于屋面雙向彎曲，如使用直板,會出現扭曲甚至無法安裝的情況,在此情況下,使用扇形板或局部

使用扇形板將是最好的解決辦法。

b)由于屋面板鋪設方向不能沿著曲面的徑向，因此在沿著屋面板側向會有較大的偏移,尤其是板的中

部,如果出現這種偏移,且偏離距離過大,將需要板有很好的柔韌型,并可能需要采用異性板。

c)由于屋面雙向彎曲，在屋面板的中部會出現橘皮效應(中部增寬)。直立鎖邊的壓型板由于帶肋,每

片板可以在中間拉大5-10mm，可以有效解決此問題。若結合扇形板寬度變化的特點，能更好地解決

此問題。

2.5金屬屋面板與面層裝飾板連接系統的設計：

轉接件在屋面板上安裝，起到轉接橫向鋁管的作用。轉接件采用鋁合金型材加工而成，轉接件為

兩件，滿足其轉角要求。

2.5.1 弧形鋁支撐管

弧形鋁支撐管是采用擠壓的鋁合金型材，起到連接外裝飾板的作用。（如圖2.5.1、2）

2.5.2 轉接件

鋁合金材質的連接裝置，用鋁合金型材加工制成。通過兩個件轉接，可以滿足不同角度要求。其

目的是可以安裝面層鋁合金裝飾板。

（圖2.5.1金屬屋面板與面層裝飾板連接示意圖） （圖2.5.2弧形支撐管與屋面板、裝飾板連接圖）

2.6面層裝飾帶的設計：

博物館的建筑外形是建筑設計院（MAD 建筑事務所）提供的三維模型。因此，我們的面層裝飾

帶的定位完全是按照三維模型進行設計和控制的。

建筑外表面的裝飾鋁板整體建筑效果見下圖示意：（如圖2.6.1）

（圖2.6.1建筑外表面的裝飾鋁板分布圖）

由于所有鋁板裝飾帶都是雙曲面的，曲率變化無規律，并且每個板都是唯一的。所以如何確定

每塊板的加工圖，并且讓板的加工工藝易于實現呢？我們先分析板的樣式為條狀板，長度方向曲率變

化明顯，但短方向曲率對邊的影響不大，如果用直線進行代替，則可以用平面板或者單曲板來實現建

筑效果。由于鋁板的短方向尺寸小，其拱高完全可以忽略不計。于是，我們按照這種思路對原裝飾板

進行放樣，只對鋁板在長方向進行彎曲。這樣得到的鋁板和原鋁板的外形幾乎沒有區別，但大大的降

低了鋁板加工的難度和成本。

由于鋁板的長方向的曲線是一條復雜的曲線，也就是說，鋁板如果事先彎曲，那在一塊板上，

將有許多不同的曲率半徑，這在加工中很難實現。而且，即使這樣做了，也不見得和現場的鋁管能夠

很好的結合。所以，這種做法是不合適的，也是不易實現的。因此，我司考慮利用鋁板的本身撓度來

適應建筑外形。對絕大部分鋁板按照其展開圖進行加工，這里加工廠加工的鋁板就是平面板了，只對

少數撓度比較大的板預先彎弧加工。當然，即使這樣，鋁板的邊線依然是一條復雜的無規律曲線。而

且，鋁板的加工在長方向上不能折邊，在短方向上通過鋁板加強肋將鋁板固定在水平圓管上。

由于從軟件中提取的鋁板都是雙曲面的，需先將這些雙曲面重新放樣，并將這些曲面展開。如

果鋁板的高斯曲率大，則板邊會出現裂口，這會影響板展開模擬的精度。用板邊線重新放樣鋁板就是

為了使曲面展平的精度更高。如果是單曲版，則展開是毫無問題的。

3 功能性節點的設計方案

3.1屋脊與排水天溝

3.1.1 屋脊設計方案

由于鄂爾多斯博物館金屬屋面的外形復雜，高低起伏曲面轉角多，建筑外形要求過度順滑，在視

覺上無明確的屋脊線。但是由于功能的要求，在相鄰的兩個區域中的排水走向不一致，每一塊金屬面

板的伸縮變形方向不一致。所以，必須在適當的位置設置屋脊。用它來作為屋面排水方向的分界和金

屬面板的可變形伸縮端。（如圖3.1.1a、b）

屋脊的位置是根據排版分區設計時高點的位置線所確定的。所以在頂部形成了多條長短不一的曲

線形屋脊。（如圖3.1.1a、）

3.1.2 排水天溝設計方案

天溝槽的設計應考慮:

1） 排水天溝宜采用防腐性能好的金屬材料，厚度不應小于2.0mm; （如圖3.1.2a）

2) 防水系統宜采用兩道以上的防水構造。防水系統應具備吸收溫度變化等所產生的位移的能力。

3） 排水天溝的截面尺寸應根據排水計算確定，并在長度方向上應考慮設置伸縮縫，天溝連續長度

不宜大于20m。

4) 天溝槽的設計時，在充分考慮到其自身的排水、引水的功能外，還要考慮到排水天溝是

整個采光頂系統的一個組成部分。其功能要完整。特別是在保溫、隔熱、隔聲及裝飾性能上要根

據不同的項目進行專門的設計。一般要求在天溝金屬槽的室內則設置填充保溫棉，在可視部分包

飾裝飾面層。在天溝金屬槽的室外則涂防水油膏加防水卷材，這樣有利于減少噪聲，提高溝槽的

防腐能力，提高使用壽命。（如圖3.1.2b、c）

圖3.1.2b屋面板天溝槽設計節點圖圖3.1.2c斜面板天溝槽設計節點圖

3.2虹吸系統的設計

當雨水、雪水按照我們的要求匯入天溝內就進入了有組織的排水的過程，一般情況下從天溝

內向外排水的方案有兩種：一是通過水的重力和天溝的排水坡度使雨水匯聚到落水斗處，通過排

水管道有組織的排出。這種方法簡單易維護，大量使用在建筑上。二是近年來引進的虹吸排水系

統技術。

虹吸式排水系統的基本原理是當天溝積水深度逐漸加大并超過雨水斗上表面高度，摻氣比值

迅速下降為零，雨斗內水流形成負壓或壓力流，瀉流量迅速增大，從而形成飽和排水狀態。其技

術特點在于虹吸式雨水斗設計，水進入立管的流態被雨水斗調整，消除了由于過水斷面縮小而形

成的旋渦，從而避免了空氣進入排水系統，使系統內管道呈滿流狀態。利用了建筑物高度賦予的

勢能，在雨水的連續流轉過程中形成虹吸作用，導致水流速度迅速增大，實現大流量排水過程。

由于鄂爾多斯博物館屋面形狀復雜，天溝的形狀、斜度相差很大，在排水過程中容易出現問

題，所以我們在設計時充分考慮到使用的環境，在落水處增設防封堵構造，和溢流裝置。防止雨

水在不能及時排出的情況下向外溢出。

在設計坡度較大的排水天溝時，在天溝內設置了阻水板裝置來保證排水的順暢。

3.3 除雪融冰系統的設計

1、天溝融雪系統設計要求為除冰和融雪，選用恒功率電伴熱帶，鋪設范圍為不銹鋼天溝.

2、根據本工程所在地的冬季氣候條件，為保證除冰和融雪的速度和效果，伴熱帶標稱功率為35瓦/

米，天溝內鋪設方式采用1:6呈“S”型鋪設，天溝槽除冰融雪功率為210瓦/米。落水斗附近加密鋪設。

3、除冰融雪控制系統和電源點的設置。

4、天溝除冰融雪系統設計依據為《中華人民共和國行業標準JGJ142--2004（地面輻射供暖技術規程）》，

散熱量計算如下：

單位地面面積所需散熱量(Qx)按以下公式計算：

Tpj=Tn+9.82*( Qx/100)0.969

式中Tpj-----------地表面溫度（℃），地表面溫度按照融雪要求在1℃左右，即Tpj=1℃

式中Tn-----------環境計算溫度。在融冰項目中為最低室外環境溫度， 即Tn=-31℃ (鄂爾多斯

室外最低氣溫-31℃)

式中Qx----------單位地面面積所需散熱量w/m2 即 1=-31+9.82*( Qx/100)0.969

( Qx/100)0.969=32÷9.82

( Qx/100)0.969=3.26

通過以上公式得知：

Qx ≈348W/m2

注：每延米平均功率348*0.6=209W,使用35W/m發熱電纜，實際按每延米6.5米發熱電纜（含折彎曲

線）鋪設。

考慮實際使用和控制系統操作方便以及電源等情況，該建筑屋面天溝設多個控制點，每個控制點

設1 個控制箱分區控制。

3.4 防雷系統的設計

根據國家《建筑物防雷設計規范》

（GB50057－94）第4.1.4條的規定，除第

第15 頁共 17 頁

一類防雷建筑物外，金屬屋面的建筑物宜利用其屋面作為閃接器，但應符合下列要求：

1.金屬板之間采用搭接時，其搭接長度不應小于100mm； 圖3.4.

屋面板防雷設計節點圖

2.金屬板下面無易燃物品時，其厚度不應小于0.5mm；

3.金屬板下面有易燃物品時，其厚度，鋼板不應小于4mm，銅板不應小于5mm，鋁板不應小于7mm；

4.金屬板無絕緣被覆層。(注:薄的油漆保護層或0.5mm 厚瀝青層或1mm 厚聚氯乙烯層均不屬于絕緣

被覆層)。

考慮鄂爾多斯博物館的重要性，屬特別重要的建筑物，所以本工程幕墻按照第二類防雷建筑物

設計。本建筑的金屬屋面可直接作為接閃器，在必要位置和主體鋼結構導通，使金屬板與建筑的防雷

體系可靠連接，并保持導電暢通。

確保導通的做法是將鋁板和連接件之間的橡膠墊片取消，接觸表面的鋁板或鋁型材應去除氧化

膜保護層，鋁鎂錳屋面板支持件T碼和支持龍骨的連接處取消安裝絕緣墊片。每個導通點的間距不大

于10m。

第二類防雷建筑物的滾球半徑為45m，滾球沿需要防止雷擊的部位滾動，當球體只接觸接閃器或

只觸及接閃器和地面，而不觸及需要保護的部位時，該部位就得到了接閃器的保護。本建筑的水平裝

飾鋁板作為接閃器，其間距只有100mm，所以，整個建筑可以得到有效保護。

3.5 屋面的隔聲設計

雨滴撞擊屋面引起屋面振動，將有兩種聲音傳向室內，一是屋面振動輻射出的空氣聲，一是通過

結構傳遞的固體聲。如果屋面的構造具有良好的空氣聲隔絕能力及良好的撞擊聲隔絕能力，可降低雨

噪聲。

增加屋面質量是解決雨噪聲最為有效的途徑，但是對于金屬屋面等輕質屋面，通過增加屋面質量

來可行性不大，因此只能通過改變屋面的結構做法降低雨噪聲對室內的影響。一般來說分層越多，層

與層之間的界面越多。雨噪聲屬于在結構中傳遞的彈性波，波通過界面時會因反射等而降低繼續行進

的聲能，因此界面有利于降低聲能。

采用一層12mm厚紙面石膏板、8mm厚GRC板、1-2mm鋼板等形成隔聲層，通過降低層與層間

傳遞的空氣聲可降低雨噪聲。但需要注意的是，必須進行縫隙處理，尤其是弧形屋蓋，隔聲層一定不

能出現漏聲，否則隔聲性能將大打折扣。

采用巖棉、離心玻璃棉等吸聲材料作層間填充，可提高隔聲層的空氣聲隔聲性能。同時，這些吸

聲材料還具有提高保溫性能的效果。有些材料，如聚苯、聚氨酯等，雖具有保溫特性，但不具有不吸

第16 頁共 17 頁

聲性能，對于雨噪聲的隔絕效果甚微。

根據以往實驗室測試數據及工程經驗，在鄂爾多斯博物館項目中所采用的金屬幕墻綜合隔聲量約

為30dB左右。為了增加屋面隔聲量，在輕質屋面板內，采用紙面石膏板、GRC板做隔聲層，可起到

較好的隔聲效果。隔聲層一方面起到分層的作用，一方面也增加了部分重量，從兩方面提高了隔聲量。

通過增加GRC板材后維護幕墻綜合隔聲量能夠增加10dB左右，達到40dB。

屋蓋上下層板材由龍骨（或其他剛性支撐件）固定時時，受聲一側板的振動會通過龍骨傳到另一

側板，這種象橋一樣傳遞聲能的現象被稱為聲橋。聲橋越多、接觸面積越大、剛性連接越強，聲橋現

象越嚴重，隔聲效果越差。在板材和龍骨之間加彈性墊，如彈性金屬條或彈性材料墊對輕質屋蓋隔聲

有一定的改善量，最多可以提高5dB以上。

因此綜合以上各項因素，鄂爾多斯博物館金屬幕墻通過在屋面增加GRC 板材和聚乙烯交聯減振

墊層，綜合隔聲量能夠提高12~15dB。能夠有效的解決幕墻雨噪聲隔聲問題。

3.6 清洗機構的設計

建筑外表面的清洗，是通過從金屬屋面上安裝的

清洗吊環機構實現的，吊環分布在金屬屋面上，其間距

和位置是根據。屋面的具體形狀設置的，間距一般在4

米左右，吊環的分布主要考慮清洗時清洗機構的設置，

確保清洗人員能夠順利清洗整個屋面。吊環采用不銹鋼

材質，通過不銹鋼螺栓固定在金屬屋面板上，螺栓并不

穿過屋面板，杜絕由于鉆孔引起的滲水可能。吊環的孔圖3.6.屋面板清洗吊環設計節點圖

用于安裝清洗用的軟梯或繩索。清洗時用軟梯或繩索懸掛在清洗吊環上，清洗人員在軟梯或繩索上對

建筑進行清潔。

4 結束語：

鄂爾多斯博物館項目的金屬屋面施工至現在為止已經基本竣工成形，施工現場正在進行工程的收

邊、收尾工作。在這個項目的金屬屋面、采光頂、幕墻的施工圖設計和現場施工過程中，我們遇到很

多新的難點和新問題，通過分析研究，問題都得到了順利的解決。在實踐中，我們針對具體的難點，

用我們已掌握的技能加以突破，同時也獲得了很多解決問題的辦法。由于篇幅的原因，我的此篇文章

中也只介紹了與施工圖設計所相關的一些問題。就施工過程中的施工組織、測量放線、空間幾何尺寸

的定位、安裝過程中局部區域結構變形的監控等施工經驗，待總結后再作介紹。