作者: 赖玟橃博士 | 2024 年 12 月 28 日

简介

在工程与建筑行业中，恒载与活载是两个至关重要的基本概念，它们在决定建筑物强度与稳定性方面起着关键作用。两者虽有区别，但相互关联，工程师在进行结构设计时必须加以认真考量。它们是结构分析过程中的核心组成部分，会影响材料选择、安全系数及整体结构性能。

理解恒载与活载之间的差异，对工程师、建筑师及施工专业人员而言至关重要。这将影响他们在材料选择、支撑结构设计和建筑物整体安全性等方面的决策。合理平衡这两种载荷，对于确保建筑结构的稳固与安全具有决定性作用。

恒载 (Dead Loads)

恒载指的是结构物本身的静态、不变的自重，或任何构成建筑永久组成部分的载荷。它包括所有建筑结构中固定不动的材料和构件的重量[1]。

恒载的常见构成包括但不限于：

1. 1. 建筑框架：如梁、柱、墙体与楼板
   2. 屋顶材料：如瓦片、金属屋面板等
   3. 地板材料：如混凝土板、木地板或瓷砖
   4. 外墙装饰材料：如砖、石材或外墙板
   5. 室内装饰材料：如石膏板、油漆、吊顶
   6. 永久固定设备：如橱柜、水槽、内置家具等

恒载对建筑结构的稳定性起着核心作用，它提供垂直支撑并抵消结构所承受的外力及力矩。工程师会估算构件与材料的重量，并将各部分的重量总和计算为总恒载。恒载通常被视为已知且静态，均匀分布于整个结构之上[1]。因此，每一个结构构件都必须被设计为能承受其应负的载重。例如，建筑中的梁与柱应能均匀支撑屋顶及楼板的重量。

在设计阶段，工程师必须详细考虑恒载，确保所有结构元件在承受恒载时不会产生过大的挠度或应力。设计过程包括结构构件的尺寸与强度计算、材料选择，并确保地基能承受整个结构的总载荷。通常在恒载计算中应用的安全系数为1.4，以应对载荷估算不准确、材料性能波动及潜在施工误差等不确定性[1]。这些安全系数有助于确保结构的安全性和耐久性。

恒载在建筑完成后基本保持不变，除非建筑物进行改造或扩建。在此类情况下，工程师必须重新计算恒载分布，确保原结构能承受新增载荷。

活载 (Live Loads)

活载，也称为“使用荷载”或“可变荷载”，指的是因人员、设备、家具、车辆或其他非永久性载荷而施加在结构上的变化力。活载根据建筑物的功能与使用情况可有很大差异。因此，工程师需依据建筑使用寿命内可能出现的最大活载进行设计。

根据来源与使用情况，活载可细分为以下几类：

• • 人员荷载：包括人在建筑中的活动、家具及办公设备等。具体荷载值取决于建筑的使用功能与预期使用人群数量。
  • 雪载：指积雪对屋顶、露台及水平表面产生的额外重量，因地区与气候差异而变化。
  • 车辆荷载：适用于桥梁、停车场或道路上车辆的重量，包括静载与动载。
  • 储存荷载：仓库或工业建筑中物料堆放所产生的荷载，其密度与分布具有不确定性。

在马来西亚，活载标准依据BS 6399-1 进行规定，主要根据建筑物的用途与使用性质来定义。这些荷载包括人员、家具、设备以及任何其他可移动荷载的重量[2]。标准为不同使用类型、区域与功能用途提供了活载设计的指导值。

活载具有明显的可变性，设计时必须考虑最不利情况。这些工作包括估算特定空间或结构类型的最大预期活荷载。例如，在商用建筑中，设计人员应考虑其最大容纳人数以及可能存在的重型设备重量。

在设计活载时，下一个需要考虑的方面是结构工程因素。它是一种安全裕量，称为“安全系数”，对于活载来说，该系数为1.6 [2] 。该系数考虑了荷载估算的不确定性，确保建筑在使用期间能安全承受所有可能的活载变化。由于活载可能因使用用途变化而发生波动，因此必须定期进行检查与维护，以便及时发现并解决与活载相关的结构问题。

恒载与活载的比较总结

恒载与活载之间的基本区别列于表1中。需要注意的是，恒载与活载的实际数值会根据建筑的使用功能、所在地理位置以及具体的设计标准而有所不同。这些概念被工程师用于确保建筑结构的安全性与可持续性。

总结

综上所述，结构工程师与建筑专业人员必须清晰理解恒载与活载的区别。结构必须能够有效承受这两种载荷的叠加影响，同时避免出现过大的应力、挠度或形变。遵守本地建筑法规与设计标准，对于保障结构安全与耐久性至关重要。准确估算恒载与活载，是结构工程中的关键环节，确保建筑在整个生命周期中都能稳定、安全、高效地运行。

赖玟橃博士
首席执行人/ 创始人
IPM 环球集团

作者: 赖玟橃博士 | 2024年 11 月 28 日

屋顶是建筑物的上部覆盖结构，其主要功能是防止风雨侵袭，同时也在安全、隔热与隐私方面起着重要作用。常见的屋顶类型包括：平屋顶、人字屋顶、四坡屋顶以及单坡屋顶等。

雨水槽，也称为屋顶排水槽，是建筑物雨水排放系统中的关键组成部分。它的功能是收集从屋顶流下的雨水，并引导至雨水立管，将雨水远离建筑物基础，最终排入附近的排水系统中。

合理确定排水槽尺寸的重要性

选择合适的排水槽尺寸对于有效排水及长期保护建筑物至关重要。其主要优点包括：

• • • 排水性能提升：合适尺寸的排水槽可应对更大的雨水流量。
    • 减少损害风险：降低建筑物遭受水害（如渗漏、腐蚀等）的可能性
    • 维护建筑结构：防止排水溢出与潮湿问题，保持建筑结构的完整性
    • 降低维护频率：减少堵塞情况，减少频繁维修的需求

影响排水槽尺寸的因素

在确定排水槽及雨水立管尺寸时，需要考虑多个因素，包括：

1. 1. 1. 降雨强度：所在地区的平均降雨率
      2. 屋顶汇水面积：排入排水槽的屋顶总面积
      3. 流量承载能力：排水槽处理预期雨水流量的能力
      4. 排水槽坡度：排水槽的倾斜度有助于排水效率
      5. 弯头与出水口：排水槽的弯曲处与出水口位置会影响排水效率
      6. 排水槽横截面积：排水槽本身的尺寸与断面形状
      7. 屋顶坡度：屋顶越陡，雨水径流速度越快

排水槽的类型

在马来西亚，常见的排水槽类型有两种：

• • • 檐槽 ：安装于建筑物外部的排水槽
    • 箱槽 ：设置于建筑物平面内部区域或屋顶交接处的排水槽。

屋面排水设计的平均重现期 (Average Recurrence Interval)

除非有特殊情况需要采用更长的持续时间，否则所有屋面应采用5分钟的关键暴雨持续时间作为设计依据[3]。

请注意：若雨水回流进入建筑物内部，则必须设置溢流措施。对于位于山坡地区的建筑，应采用更高设计标准的平均重现期

屋顶汇水面积的确定

风力会使降雨呈斜向落下，从而在垂直墙面或倾斜屋顶上产生明显的水平雨量分量。若假设最大降雨斜率的比例为垂直2对水平1。对于完全暴露在风力下的单坡屋顶，其汇水面积可通过以下公式计算[3] ：

其中， Ah 为平面面积，Av 为垂直面积。

图3：完全暴露在风力下的单坡屋顶 [3]

檐槽的设计

对于简单的坡屋顶，檐槽的最小坡度应为 1:500，以确保有足够的倾斜度并减少积水风险。檐槽通常分为半圆形、欧式或方形等类型。

在坡度为 1:500 或更陡的情况下，可根据图4来确定所需的檐槽尺寸。图4中的图表假设排水立管和弯头在檐槽长度中处于最不利的位置。雨水出口连接至垂直的排水立管，设置于檐槽底部中央位置。该图适用于半圆形、方形、欧式等各种类型的檐槽[4]。

该图将每根雨水管的汇水面积限制为 100 平方米，并将屋檐槽的有效横截面积 Ag限制为 18,000 平方毫米。对于屋面汇水面积超过 100 平方米，或出水口位置或弯管至出水口位置不同的情况，可使用以下公式计算所需的屋檐槽横截面积[5]：

其中
ag  = 排水所需的檐槽横截面积 (平方毫米);
𝑥    = 檐槽设计系数 (图5);
Ac = 屋顶汇水面积 (平方米)
𝑖     = 降雨强度 (毫米/小时)

请注意：如果排水槽为矩形横截面（不同于圆形横截面），则其所需横截面积应增加10% [5] 。

图 4：当坡度为 1:500 或更陡时所需的檐沟尺寸 [4]

图 5: 檐沟设计系数的取值 [5]

檐沟尺寸计算示例

以下是使用 胡鲁惹峇 (Hulu Jabor)，甘马挽 (Kemaman) 和登嘉楼地区的平均重现期数据进行的檐沟尺寸计算示例。

图6: 一个 8o倾斜屋顶的平面图

表2：用于马来西亚登嘉楼甘马挽胡鲁惹峇地区的IDF经验公式拟合常数（适用于平均重现期 2 至 100 年、暴雨持续时间 5 分钟至 72 小时）[3]

解决方案：

1. 1. 1. 计算降雨强度
         
         

         使用胡鲁惹峇、甘马挽和登嘉楼地区的历史数据，选取5分钟暴雨持续时间，并依据20年平均重现期的降雨强度进行计算。
         T = 20 年
         λ = 103.519
         K = 0.228
         𝜃 = 0.756
         𝜂 = 0.707
         d = 0.0883 小时

         𝑖 = [(103.519)(20)0.228] / [(0.0883+0.756)0.707] = 232 毫米/小时

      2. 汇水面积（Ac）与所需排水槽面积（Ag）的计算
         
         

         通过以下条件确定排水槽设计系数 x：
         排水槽是倾斜还是水平？    = 倾斜（坡度为1:500或更陡）
         弯头到排水立管的距离     = 少于6英尺
         排水立管在槽内的位置     = 末端
         根据图5，x                                     = 0.15
         排水槽的截面类型       = 矩形，因此有效横截面积增加10%

         对于屋顶倾角为8°的坡屋顶，其在排水立管间距10米、屋面宽度每5米为单位下的汇水面积及排水槽横截面积计算如下表所示。

         

      3. 确定檐沟的最小尺寸
         

         
         檐槽的有效横截面积（Ae）应参考制造商提供的技术数据。为验证制造商提供的有效横截面积，对于带有外部支架的檐槽，Ae 应从距溢流边缘至少 10 毫米以下的截面线进行计算。对于为内部支架，其边缘所占据的投影面积可从原始檐槽横截面积中扣除，但扣除量不得超过原始横截面积的 15% [4] 。

         图 7：檐沟的有效横截面积

         用于匹配檐槽尺寸的标准雨水立管公称尺寸，可参考澳大利亚标准 (Australian Standards) [4]作为指导。本计算中假设采用安装于外部支架的矩形排水槽，其宽深比为2:1，对应的最小檐槽尺寸列于表4中。

         

总结

准确确定屋顶排水槽的尺寸对于实现有效排水与长期维护至关重要。通过综合考虑降雨强度和屋顶特性等多种因素，业主可以确保建筑物免受雨水侵害，保障结构安全。

赖玟橃博士
首席执行人/ 创办人
IPM 环球集团