作为2022年广东省运动会主场馆的清远奥体中心位于清远市清城区省级职业教育师范基地内，西起清晖路，东至东环快速路，南至石狮路。

清远奥体中心的建筑等级为一级，建筑的设计使用年限为50年。其中体育场定位为国家体育建筑甲级标准，满足承办全国性和单项国际比赛要求。

体育场总建筑面积为56 214m²，其中体育场面积为34 883m²，商业为6 641m²，平台为14 690m²（有覆盖无围合，面积以一半计），观众席30 163座（其中普通坐席29 413座，贵宾席305座，包厢区388座，无障碍57座，地上4层，建筑高度46.3 m（屋面最高点）。

体育场按抗震设防类别为重点设防类，抗震设防烈度为6度。体育场屋面防水等级按Ⅰ级设计，金属屋面采用一道铝镁锰直立锁边金属板加一道防水卷材。

在面积大、坡度陡、造型复杂的钢结构屋面设计虹吸雨水排水方案时，应考虑到排水顺畅、构造安全、建筑美观等多个方面，本文从设计、施工的角度针对屋面形状及结构形式、汇水区域面积划分及天沟排水量、虹吸雨水斗及集水槽的布置、天沟溢流、天沟的构造及施工、相关深化内容的复核等内容进行分析及思考。

1 屋面形状及结构形式

体育场屋盖为马鞍形屋盖，不完全闭合，在南侧看台位置留有开口。屋面与立面均为斜向布置的折板形屋盖，屋面为双层，直立锁边金属屋面系统上方铺设铝板层，局部铝板上布置太阳能薄膜光伏板。体育场屋面等高线平面见图1。

钢结构采用空间三管悬挑桁架结构、立面网格、斜拉索结构体系。其中，以三管空间桁架作为悬挑结构的主要受力体系，利用拉索平衡悬挑端的竖向力，通过封边桁架和环桁架加强结构整体性，体育场立面、剖面见图2、图3。

图1 体育场屋面等高线   

Fig.1 The contour line of the stadium roof

图2 体育场立面   

Fig.2 Elevation of the stadium

图3 体育场剖面   

Fig.3 A sectional view of the stadium

为了更好的了解屋面特点及结构形式，将金属屋面节点构造放大，见图4。由图4可见，直立锁边金属屋面上方为3.0mm厚铝单板，根据建筑专业提资：铝单板之间由打胶连接，为闭缝状态，理论上不会有雨水下落到直立锁边屋面板。设计认为：考虑到闭缝老化时存在发生漏水的可能，届时雨水可能会通过铝板间老化的缝隙掉落至下方直立锁边屋面板，此时雨水应能通过直立锁边与屋面板形成的排水沟（以下称为直立锁边板沟）径流入天沟内，故设计要求：钢框架的固定措施须充分考虑空间关系，不能因固定所需而使固定件或钢框架变形从而导致直立锁边及屋面板受压变形进而影响屋面雨水的顺利径流。

图4 体育场金属屋面节点构造   

Fig.4 The nodal structure of the metal roof of the stadium

2 汇水区域划分及天沟排水量

体育场的屋面形状不规则、面积大，需要合理地划分雨水汇水区域、合理地进行雨量分配，这些对虹吸式雨水系统的设计至关重要。根据《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》（CECS 183—2015，以下简称“规程”）3.1.6条规定：汇水面积大于2 500m²的大型屋面，宜设置不少于2套独立的虹吸式屋面雨水系统^[1]，这样当一片汇水区域的虹吸系统无法起到作用时，可以通过另一套虹吸式雨水系统排放。

此外，根据《屋面工程技术规范》（GB 50345—2012)4.9.8条规定：金属檐沟、天沟的伸缩缝间距不宜大于30m^[2]。本项目天沟材质为不锈钢板，热胀系数取17.3×10^-6/℃，考虑到清远地区冬夏最大温差为36℃，天沟的纵向伸缩量控制在30 mm左右，推算得天沟沟长宜控制在≤48m为宜，并将伸缩缝设置于天沟最高处。

鉴于上述考量，结合本工程实际情况，将体育场屋面划分为14处汇水区域，根据竖向找坡方向及坡度的不同情况，分为内圈沟、外圈沟，并将天沟布置在每块汇水区域的最低处，并在相邻汇水区域的交界处设置挡水板，高度为天沟底向上300mm高。

根据广东省清远地区的暴雨强度公式见式（1):

 

屋面雨水设计重现期按10年考虑，总排水能力按50年重现期的雨水量计算，t=5min,q₁₀=6.46L/（s×100m²),q₅₀=8.21L/（s×100m²）。

根据《建筑给水排水设计标准》（GB 50015—2019)5.2.1条：当屋面为坡度大于2.5%的斜屋面时，设计雨水流量应乘以系数1.5^[3]，体育场项目的内场、外场均属于室外场所，但考虑到斜屋面的集流面上最远点排至屋面雨水斗集流时间为3min时的平均降雨强度是5min集流时间内平均降雨强度的1.3～1.5倍，综合考虑：本项目采用1.5的安全系数。

根据曼宁公式如式（2）所示：

 

公式中，不锈钢天沟粗糙系数n=0.012，纵坡坡度为3‰时，水流速度v=1.409m/s，天沟径流量Q_g=338.049L/s；纵坡坡度为1.67‰时，水流速度v=1.051m/s，天沟径流量Q_g=252.219L/s，各汇水区域划分见图5。

结合不同的天沟尺寸，根据不同纵坡坡度，统计各汇水区域水力参数，见表1，可知天沟排水量均满足重现期50年时的降雨量。

图5 体育场金属屋面雨水汇水区域划分   

Fig.5 The division of rainwater catchment area of metal roof of stadium

3 虹吸雨水斗、集水槽的布置

在获得屋面各汇水区域的屋面雨水径流量Q_h以及对应的天沟雨水径流量Q_g后，在考虑虹吸雨水斗的设置时，有两种方案，方案1：虹吸式雨水斗在斜天沟内等距均匀布置；方案2：虹吸式雨水斗集中设置于所在汇水区域内天沟的最低处。考虑到斜天沟内等距均匀布置虹吸式雨水斗在斜屋面、斜天沟的纵向坡度比较大时，斗体本身能够“截留”的雨水量有限，并且会出现在同一套虹吸式屋面雨水系统中的雨水斗底部所在高度并不相同的情况，这对于形成“虹吸现象”是不利的^[4]。如果因此将这些分散的雨水斗的底部统一局部下沉做平，不仅会增加斜天沟的施工难度系数，也很难保证不受钢构件（檩条、斜撑、桁架等）的影响。

根据虹吸形成的进程看，在降雨初期降雨量较小时，虹吸式雨水系统排水形式为重力流排水。随着降雨量的逐步增大，天沟内水位达到设计水深的要求时，虹吸式雨水斗发挥作用：阻止空气进入管道系统，形成稳定的满管流工况，此时屋面天沟达到一个水面状态稳定的小水池在进行大流量泄水的状态。因此，虹吸雨水斗所在天沟内的位置既需要满足产生虹吸的水位深度、保护高度，又需要保证雨水斗周围均匀进水，形成一个稳定的“水池”，最大程度地发挥虹吸系统的排水能力。

  

表1 汇水区域水力参数信息统计

Tab.1 Statistical table of hydraulic parameter information of catchment area

 

综合考量，设计方法是在每处汇水区域内天沟的末端设置集水槽，槽底比天沟下沉300mm，见图6。

图6 屋面、天沟、天沟内集水坑的剖面关系   

Fig.6 Roofing,gutter,gutter water catchment in the section relationship

如此设置集水槽既可以解决同一个汇水区域内不同雨水斗安装高度不同的问题，又可以解决储存初期雨水量的问题，每个集水槽设置一套虹吸式雨水系统、一套虹吸式溢流管道系统，采取虹吸式雨水斗与虹吸式溢流斗交错布置的方式，体育场屋面整体集水槽布置见图5。

为保证集水槽功能，进而复核虹吸启动相关信息，需要将天沟横截面进行必要的整理及优化。因直立锁边板上有铝板，原先考虑天沟的正上方无遮挡以保证铝板上方的雨水能顺利径流跌落入天沟内，但建筑师考虑造型美观，坚持保留该处铝板，通过设置镂空条状孔洞的方式来实现铝板上的雨水径流跌入下方天沟，虽然是活动盖板，不影响天沟内雨水斗的检修，但因镂空的条状孔洞很难量化其通水能力，如何避免大暴雨时雨水因流速较大直接冲过镂空处而不跌入下方天沟或仅跌入部分雨水的情况发生成为难点。建筑师按镂空的条状图案宽度不小于100mm考虑，如图7所示，在现场使用水罐车进行大流量“淋水试验”，由总包、监理、业主、建筑师共同判断径流效果，必要时应取消盖板以确保满足排水要求。

图7 体育场天沟盖板穿孔铝板样式   

Fig.7 Perforated aluminum plate pattern for stadium gutter cover

另外，局部天沟倾斜角度大，造成湿周小，无法保证足够的截面积，当雨水径流速大时，很有可能雨水从天沟侧面翻出，考虑在天沟外侧加设挡板200mm高，并且将天沟的底面修改为水平侧，以优化截面尺寸，改善水力条件，见图8。

图8 体育场金属屋面天沟截面   

Fig.8 A cross section of the gutter in the metal roof of the stadium

将整理好的天沟横截面赋入汇水区域，复核虹吸式雨水系统设计参数满足“规程”要求，统计相关信息并汇总如表2所示。

4 天沟溢流

当集水槽内水位不断上升，高过该汇水区域的挡水板甚至天沟时，天沟雨水将发生溢流，天沟发生溢流的原因主要包括：天沟尺寸不足、钢结构挠度异常、虹吸雨水斗损坏或堵塞等。

以S3#汇水区域为例，当天沟内排水不畅时，设计认为必须要避免的是雨水满溢翻入场内，可以接受的是雨水溢流进入相邻较低的S2#汇水区域，基于此设想，挡水板保护高度的设计除满足S3#汇水区域自身虹吸的形成外，还应同时满足当水位继续上升后，天沟溢流能力Q_tgy应大于S3#汇水区域的50年重现期下的雨水径流量q₅₀，保证雨水顺利溢流入较低的S2#区域，并通过其虹吸式雨水系统排放，这样做也契合了“规程”划分雨水汇水区域面积相邻掩护的原则。

还是以S3#汇水区域为例计算：天沟纵坡方向在汇水区域交界处设置300mm高的挡水板，上方留有200mm高度供大暴雨时雨水溢流至S2#汇水区域，见图8。

计算验证：2 mm厚不锈钢天沟、挡水板300mm高，溢流时形成薄壁堰流态，根据薄壁堰公式如式（3）、式（4）所示：

 

 

式中b———沟宽：0.8m;

H———堰上水头，取0.2m;

P———溢流口底部与沟底的高差，取0.3m。

经计算天沟溢流能力Q_{tg y}=140.066L/s。

同样以S3#汇水区域为例：Q_{tg y}>q₅₀(139.57L/s)>q₁₀(109.82L/s），天沟溢流满足汇水区域雨水径流入相邻较低汇水区域的要求。

  

表2 体育场屋面虹吸式雨水系统主要信息统计

Tab.2 Statistical table of main information of stadium roof siphon rainwater system

 

图9 体育场金属屋面排水示意   

Fig.9 Drainage diagram of the metal roof of the stadium

5 天沟构造及施工

除以上在设计过程中需要思考的一些问题外，施工的过程中也有需要注意的地方。根据屋面等高线平面图及排水方向示意，屋面天沟分为内圈沟、外圈沟，见图9。

金属屋面天沟采用2.0 mm厚316不锈钢天沟，伸缩缝盖板、端头板与天沟板材质相同，天沟伸缩缝一侧天沟采用端头板封堵，搭接处及另一侧天沟与伸缩缝盖板搭接均采用高频氩弧焊接。焊接方式采用氩弧焊机焊接与手工氩弧焊相结合的方式，采用316不锈钢焊条，见图10、图11。

图1 0 体育场天沟节点1   

Fig.10 Node 1of stadium gutter

广东地区酸雨频率高，以硫酸型酸雨为主，在潮湿的环境下，存在于空气中的硫化物或氮氧化物与水结合形成腐蚀性较强的酸雨，金属屋面长期处于该环境下就会发生腐蚀，当金属天沟内的底板在表面上会逐步出现斑点式的锈迹，代表天沟开始受到了腐蚀。

不锈钢天沟在现场制作、安装时是需要进行氩弧焊的，未经抛光、酸洗钝化的焊缝会出现焊缝腐蚀。

一般情况下，表面如不贴防水卷材的天沟应将整个天沟酸洗一遍，本工程屋面金属不锈钢316天沟与铝单板之间采用泡沫棒/密封胶连接，天沟有防水卷材，故仅针对焊接处的焊缝进行抛光与酸洗钝化。

同时防水卷材的质地是否偏硬也会导致防水的接缝与虹吸式雨水斗的法兰盘接口位置漏水，应在法兰盘和防水卷材接触位置的螺丝处打胶，在雨水斗所处位置采用整片防水卷材避免接缝漏水情况的发生。

6 相关深化内容的复核

深化设计的把控也是保证质量的重要环节，深化设计包括金属屋面深化设计、钢结构深化设计、虹吸雨水深化设计。在顺序上，土建阶段已明确天沟的基本参数，包括长、宽、深，但在金属屋面及钢结构的深化时，因各种情况综合发生的结果，可能发生钢结构横穿天沟、钢结构穿入天沟或其他影响原有天沟布置甚至雨水斗无法安装的情况，如图12所示。

图1 1 体育场天沟节点2   

Fig.11 Node 2of stadium gutter

图1 2 被钢梁穿越的天沟节点   

Fig.12 A gutter node crossed by a steel beam

屋面深化单位会简单的将天沟进行倾斜或改变坡度以规避钢结构或其他构筑物，此时应复核天沟过水断面、水力半径、湿周的情况进而判断天沟排水能力是否仍满足对应汇水区域的径流量，若不能满足时应及时提出复核意见，建议调整天沟路径或天沟尺寸，如图13所示。

图1 3 被钢梁穿越天沟后的节点做法   

Fig.13 Method for joint treatment of gutter crossed by steel girder

在钢结构穿行的复杂区域，如果客观条件留出的天沟、集水槽组合仍无法满足天沟过水能力及虹吸系统所需时，应考虑重新划分汇水区域或增加虹吸雨水系统以满足实际需求；在金属屋面、钢结构深化完成后，施工单位应将现场根据BIM调整的最终版雨水斗、悬吊管路由供中标虹吸供应商复核，并由其根据最新的雨水斗点位、管道路由、管径、坡度复核计算并提供计算书，判断是否满足虹吸需求，计算书中应对“规程”中的重要控制数据进行明确验证，比如过渡段的位置、出口压力控制、各节点水头损失误差等等。

一个大型复杂金属屋面的虹吸式雨水系统，设计时应从建筑构造及结构形式出发，判断雨水径流特点，合理划分汇水区域并进行雨量分配，选择合适的雨水斗布置方式并结合规范要求合理设置集水槽，当遇到天沟有倾斜角度时，还需复核过水断面面积、湿周、水力半径等数据，判断天沟过水能力是否满足对应区域屋面雨水径流量的需求，不足时应加设挡板。

同时，在设计、施工、乃至维护保养的全生命周期阶段都有需要注意的重要事项，设计师需要与参建方进行全过程紧密地协调配合并制定系统设计方案，使系统在达到排水能力的前提下与建筑本体和谐共处并协调统一，既保障金属屋面排水安全，又减少工程造价，从而最大化展现建筑本身之美。

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苏昶明