摘要: 隨著近年來我國經(jīng)濟(jì)和社會的快速發(fā)展，建筑屋面的造型千姿百態(tài)豐富多彩，各種大面積的場館、現(xiàn)代工業(yè)廠房在全國各地大量興建，這些建筑往往氣勢宏偉、美觀實用，但隨之也帶來了大或超大屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計的問題。此前，我國的屋面排水系統(tǒng)按重力流設(shè)計，但是，重力流雨水排水系統(tǒng)受其水力特性的限制，已經(jīng)不能適應(yīng)這些工程的需要。文章分析了壓力流(虹吸式)屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計中，對建筑類型、管材、系統(tǒng)余量、天溝、溢流等方面應(yīng)注意的問題。

　　關(guān)鍵詞:屋面雨水排水系統(tǒng),壓力流(虹吸式),管材,天溝,溢流

　　0 前言

　　虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)，利用屋面與地面之間的勢能，屋面雨水在管道內(nèi)負(fù)壓的抽吸作用下以較高的流速排至室外。降雨來臨時，屋面逐漸形成積水，由于采用了科學(xué)設(shè)計的氣水分離虹吸式雨水斗，當(dāng)屋面雨水高度達(dá)到設(shè)計的斗前水位時，雨水連續(xù)通過連接管、水平懸吊管，經(jīng)立管跌落時形成虹吸作用，使得系統(tǒng)中排水管道呈滿管壓力流狀態(tài)，迅速排除至市政管網(wǎng)。

　　1 虹吸系統(tǒng)的適用范圍

　　虹吸系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的重力系統(tǒng)，其最大的優(yōu)勢在于節(jié)省安裝空間、立管數(shù)量和管徑，較能符合建筑美觀的要求，尤其在大空間大跨度的建筑物中，虹吸系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)的特點愈發(fā)顯著。

　　但并不是所有類型的建筑都適合采用虹吸系統(tǒng)，從虹吸系統(tǒng)的計算原理來看，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置的高度較低時，可利用的水位勢能很小，滿足不了管道自凈設(shè)計流速所需的勢能要求，所以層高較低的建筑不宜采用虹吸系統(tǒng)。《虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程))(CECS183：2005)3.3.2條規(guī)定：雨水斗頂面至過渡段的高差，在立管管徑不大于DN75時，宜大于3米;在立管管徑不小于DN90時，宜大于5米;《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》(GB50400--2006)5.4.9條也有相應(yīng)的規(guī)定。

　　當(dāng)塔樓面積只有2000～3000m2，且建筑高度較高(大于50m)時，例如高層或超高層的酒店、辦公類建筑，這時采用虹吸系統(tǒng)，在節(jié)省立管數(shù)量上的優(yōu)勢已不明顯。而且系統(tǒng)內(nèi)負(fù)壓變化較大，在立管底部會產(chǎn)生較大的正壓水頭，對管道的連接質(zhì)量就有較高的要求，需要對該段管路進(jìn)行加固或?qū)φ麄�系統(tǒng)進(jìn)行消能設(shè)計，導(dǎo)致整個虹吸系統(tǒng)的造價比重力系統(tǒng)高出許多，因此，從經(jīng)濟(jì)性而言，對于該類建筑物選擇虹吸系統(tǒng)時應(yīng)慎重。

　　此外屋面標(biāo)高不一、形式多樣、面積分布很不均勻的建筑物，不同高度、不同結(jié)構(gòu)形式的屋面如果設(shè)置獨立的收集系統(tǒng)則工程造價較高，如果用同一個系統(tǒng)來收集，則會造成局部屋面難以形成虹吸，從而降低整個虹吸系統(tǒng)的工作效率。還有某些對聲學(xué)環(huán)境要求較高的場所，采用非金屬管道的虹吸系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲可能對周圍環(huán)境有影響時，設(shè)計人員也必須給予足夠的重視。

　　2 虹吸系統(tǒng)管材的選擇

　　關(guān)于虹吸系統(tǒng)管材的選用，現(xiàn)階段常用的有不銹鋼管、離心澆鑄鑄鐵管和高密度聚乙烯(HDPE)管等，管材的選擇應(yīng)根據(jù)不同建筑的特點和要求，綜合考慮系統(tǒng)的工作壓力、防火、降噪、安裝方便、經(jīng)濟(jì)性等因素，表1為三種管材的優(yōu)缺點比較。

　　表1三種不同管材優(yōu)缺點比較

　　比較表1可知，鑄鐵管和HDPE管可用在一般的民用建筑或建筑裝修要求不高的場所，而不銹鋼管可用在重要的民用建筑或建筑裝修要求較高的場所。

　　根據(jù)建筑內(nèi)各類場所的不同裝修要求，系統(tǒng)可選擇不同的管材，甚至在同一個虹吸系統(tǒng)中，在明露或外觀要求高的部分采用金屬管道，以達(dá)到美觀的要求，而在吊頂內(nèi)的部分采用塑料管道，以節(jié)省工程造價，不同管材之間可采用卡箍連接，技術(shù)上已較成熟。另外為滿足施工進(jìn)度的要求，可在虹吸系統(tǒng)招標(biāo)前先行施工埋地部分的管道，待招標(biāo)時再決定上部采用何種管材。這種混合使用不同管材的工程并不少見，值得注意的是各種材質(zhì)管道的粗糙系數(shù)KS是不相同的，一般金屬管道K。為0.015～0.06，塑料管KS最大可到0.3～0.6，在使用軟件計算時應(yīng)特別注意。

　　3 虹吸系統(tǒng)余量

　　虹吸系統(tǒng)水力計算的基礎(chǔ)是伯努里方程： (式中Z1、Z2為位置水頭，P1、P2為壓力， 為容重， 、 為流速，g為重力加速度，hw為水頭損失);本文把公式中的 項稱為虹吸系統(tǒng)余量，即虹吸系統(tǒng)終點的壓力水頭。

　　規(guī)范對系統(tǒng)余量的規(guī)定如下：《虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》3.3.2條：虹吸式屋面雨水排水管系中，雨水斗至過渡段的總水頭損失(包括沿程水頭損失和局部水頭損失)與過渡段流速水頭之和不得大于雨水斗至過渡段的幾何高差;《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》5.4.8條：系統(tǒng)從始端雨水斗至排出口過渡段的總水頭損失與流出水頭之和，不得大于始端雨水斗至排出管終點處的室外地面的幾何高差。上述兩條規(guī)定的本質(zhì)就是系統(tǒng)余量( )要≥O，兩者的區(qū)別是 的對應(yīng)標(biāo)高，前者是過渡段標(biāo)高，后者是排出管終點處的室外地面標(biāo)高。虹吸系統(tǒng)一般是把雨水排入室外雨水井，室外雨水管道的設(shè)計重現(xiàn)期多為2～5a，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于建筑物屋面虹吸系統(tǒng)的設(shè)計重現(xiàn)期，當(dāng)虹吸系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計流量時，室外雨水井經(jīng)常是積滿水的，此時過渡段被淹沒，排水幾何高度就要扣除積水水位。因此筆者認(rèn)為，對系統(tǒng)余量的規(guī)定還是GB50400—2006第5.4.8條比較確切，當(dāng)然前提是系統(tǒng)的過渡段位置低于室外地面的高度，如果系統(tǒng)出口位置高于室外地面(這類情況工程中比較少見)，此時 ，的對應(yīng)標(biāo)高可取過渡段標(biāo)高。

　　在施工圖深化設(shè)計過程中，考慮到施工現(xiàn)場配合有許多不確定因素，常出現(xiàn)由于管線綜合的原因需變更管道走向，在系統(tǒng)中增加彎頭、三通、變徑等配件，需要重新進(jìn)行水力計算，因此在施工圖設(shè)計時宜控制系統(tǒng)余量( )≥10 kPa，而不是把系統(tǒng)余量用盡，這樣既可保證系統(tǒng)的工作狀況安全可靠，并給日后施工時的管線修改提供了較大的靈活性。

　　4 屋面天溝的計算和校核

　　屋面天溝雖然不是由虹吸系統(tǒng)專業(yè)承包商負(fù)責(zé)施工，但為使整個虹吸系統(tǒng)正常工作，給排水設(shè)計人員有必要積極配合建筑專業(yè)和專業(yè)承包商完成天溝的設(shè)計。虹吸系統(tǒng)的一大優(yōu)勢就在于能對天溝內(nèi)的水深進(jìn)行精確計算并加以控制，這是傳統(tǒng)重力系統(tǒng)所無法估算的。天溝的準(zhǔn)確計算可以防止天溝尺寸偏大造成浪費(fèi)或者尺寸偏小造成天溝翻水。

　　首先不同規(guī)格的虹吸雨水斗有相應(yīng)的最小天溝尺寸要求，天溝小于這個尺寸會造成雨水斗無法安裝或不能滿足虹吸水力進(jìn)水條件。應(yīng)在此規(guī)格基礎(chǔ)上，復(fù)核天溝的流量是否滿足雨水斗的排水流量。

　　平坡天溝的計算公式為：

　　(1)

　　式中 ——水平短溝的設(shè)計排水量，L/s;

　　——長溝的設(shè)計排水量，L/s;

　　——安全系數(shù)，取0.9;

　　——斷面系數(shù);

　　Az——溝的有效斷面面積，mm2;

　　——深度系數(shù);

　　——形狀系數(shù);

　　LX——長溝容量系數(shù)。

　　具體計算可參見《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》5.2.5條、5.2.6條。若天溝流量《雨水斗流量，則應(yīng)放大天溝尺寸重新計算，直至天溝流量》雨水斗流量。最終天溝尺寸需提交專業(yè)承包商進(jìn)行復(fù)核。

　　此外虹吸系統(tǒng)完全依靠建筑物自身的高差所產(chǎn)生的壓力水頭實現(xiàn)快速排水，它通過整個管道系統(tǒng)的精確計算，控制各管段管徑得以在立管上產(chǎn)生負(fù)壓，形成抽吸作用。虹吸作用的形成依據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度而異，不是即刻產(chǎn)生，它需要一個管道的填充時間，以使整個懸吊管充滿水從而在立管上瞬間產(chǎn)生抽吸，形成虹吸。所以虹吸系統(tǒng)的初期需要依靠尾管的小虹吸排水，填充懸吊管，但該排水量有限，遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計雨量，這種情況下就要求天溝有一定尺寸用作調(diào)蓄容積，直到整個系統(tǒng)產(chǎn)生全虹吸，達(dá)到設(shè)計排量，天溝內(nèi)水位就不再上升。所以懸吊管越長，填充管道所需的時間就越長，對系統(tǒng)就越不利，需要的天溝調(diào)蓄容積就越大。某工程一虹吸系統(tǒng)原天溝尺寸為800mm×380mm，經(jīng)計算天溝流量已大于單個DNl25雨水斗設(shè)計流量，但由于該系統(tǒng)的懸吊管長度達(dá)到170多米，這對虹吸系統(tǒng)的設(shè)計極為不利。所以該工程經(jīng)專業(yè)承包商復(fù)核后，把天溝尺寸改為1200mm×380mm，使該系統(tǒng)能更有效地排除屋面雨水。

　　5 溢流系統(tǒng)的設(shè)計

　　鑒于目前特殊性災(zāi)害天氣日趨嚴(yán)重，為保證當(dāng)超設(shè)計重現(xiàn)期的暴雨來臨時，建筑物仍然能安全并運(yùn)作正常，必須考慮一定的溢流措施，以使超重現(xiàn)期的雨水能有途徑順利從屋面排走。常用的溢流措施有：設(shè)置溢流口(溢流管、溢流槽)、自然溢流、設(shè)置專用的溢流系統(tǒng)。

　　溢流流量即為超過重現(xiàn)期的雨水流量，例如上海某工程虹吸系統(tǒng)重現(xiàn)期取50a，設(shè)計暴雨強(qiáng)度q5=7.09 L/(S·100 m2)，溢流流量按100年一遇暴雨強(qiáng)度[q5=7.79 L/(S·100 m2)]校核，則溢流暴雨強(qiáng)度為0.7 L/(s·100 m2)。在計算溢流流量時應(yīng)注意：①徑流系數(shù)取1;②側(cè)墻應(yīng)按面積的1/2折算為匯水面積;③如有高屋面雨水溢流至低屋面情況，在計算低屋面匯水面積時應(yīng)加入高屋面匯水面積。

　　根據(jù)屋面形式的不同確定相應(yīng)的溢流措施，應(yīng)優(yōu)先采用溢流口形式。當(dāng)天溝較淺且設(shè)置在金屬屋面外側(cè)時，可考慮超重現(xiàn)期雨水漫過天溝自然溢流至室外。當(dāng)條件限制無法采用以上方式時。則考慮設(shè)置專用的溢流系統(tǒng)，可在天溝端部設(shè)一定高度的擋水板和雨水斗，當(dāng)天溝內(nèi)水位超過設(shè)計水位后，溢流雨水越過擋水板，溢流雨水斗開始排水。溢流系統(tǒng)可以是重力系統(tǒng)，也可以是虹吸系統(tǒng)。

　　以上是筆者對壓力流(虹吸式)屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計過程中的一些體會，供同行討論和交流。