高层建筑屋面雨水排水系统设计分析
关键词:屋面雨水排水系统,压力流(虹吸式),管材,天沟,溢流
0 前言
虹吸式屋面雨水排放系统，利用屋面与地面之间的势能，屋面雨水在管道内负压的抽吸作用下以较高的流速排至室外。降雨来临时，屋面逐渐形成积水，由于采用了科学设计的气水分离虹吸式雨水斗，当屋面雨水高度达到设计的斗前水位时，雨水连续通过连接管、水平悬吊管，经立管跌落时形成虹吸作用，使得系统中排水管道呈满管压力流状态，迅速排除至市政管网。
1 虹吸系统的适用范围
虹吸系统相对于传统的重力系统，其最大的优势在于节省安装空间、立管数量和管径，较能符合建筑美观的要求，尤其在大空间大跨度的建筑物中，虹吸系统经济性较优的特点愈发显著。
但并不是所有类型的建筑都适合采用虹吸系统，从虹吸系统的计算原理来看，当系统设置的高度较低时，可利用的水位势能很小，满足不了管道自净设计流速所需的势能要求，所以层高较低的建筑不宜采用虹吸系统。《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程))(CECS183：2005)3.3.2条规定：雨水斗顶面至过渡段的高差，在立管管径不大于DN75时，宜大于3米;在立管管径不小于DN90时，宜大于5米;《建筑与小区雨水利用工程技术规范》(GB50400--2006)5.4.9条也有相应的规定。
当塔楼面积只有2000～3000m2，且建筑高度较高(大于50m)时，例如高层或超高层的酒店、办公类建筑，这时采用虹吸系统，在节省立管数量上的优势已不明显。而且系统内负压变化较大，在立管底部会产生较大的正压水头，对管道的连接质量就有较高的要求，需要对该段管路进行加固或对整个系统进行消能设计，导致整个虹吸系统的造价比重力系统高出许多，因此，从经济性而言，对于该类建筑物选择虹吸系统时应慎重。
此外屋面标高不一、形式多样、面积分布很不均匀的建筑物，不同高度、不同结构形式的屋面如果设置独立的收集系统则工程造价较高，如果用同一个系统来收集，则会造成局部屋面难以形成虹吸，从而降低整个虹吸系统的工作效率。还有某些对声学环境要求较高的场所，采用非金属管道的虹吸系统，系统运行产生的噪声可能对周围环境有影响时，设计人员也必须给予足够的重视。
2 虹吸系统管材的选择
关于虹吸系统管材的选用，现阶段常用的有不锈钢管、离心浇铸铸铁管和高密度聚乙烯(HDPE)管等，管材的选择应根据不同建筑的特点和要求，综合考虑系统的工作压力、防火、降噪、安装方便、经济性等因素，表1为三种管材的优缺点比较。
表1三种不同管材优缺点比较
比较表1可知，铸铁管和HDPE管可用在一般的民用建筑或建筑装修要求不高的场所，而不锈钢管可用在重要的民用建筑或建筑装修要求较高的场所。
根据建筑内各类场所的不同装修要求，系统可选择不同的管材，甚至在同一个虹吸系统中，在明露或外观要求高的部分采用金属管道，以达到美观的要求，而在吊顶内的部分采用塑料管道，以节省工程造价，不同管材之间可采用卡箍连接，技术上已较成熟。另外为满足施工进度的要求，可在虹吸系统招标前先行施工埋地部分的管道，待招标时再决定上部采用何种管材。这种混合使用不同管材的工程并不少见，值得注意的是各种材质管道的粗糙系数KS是不相同的，一般金属管道K。为0.015～0.06，塑料管KS最大可到0.3～0.6，在使用软件计算时应特别注意。
3 虹吸系统余量
虹吸系统水力计算的基础是伯努里方程： (式中Z1、Z2为位置水头，P1、P2为压力， 为容重， 、 为流速，g为重力加速度，hw为水头损失);本文把公式中的 项称为虹吸系统余量，即虹吸系统终点的压力水头。
规范对系统余量的规定如下：《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》3.3.2条：虹吸式屋面雨水排水管系中，雨水斗至过渡段的总水头损失(包括沿程水头损失和局部水头损失)与过渡段流速水头之和不得大于雨水斗至过渡段的几何高差;《建筑与小区雨水利用工程技术规范》5.4.8条：系统从始端雨水斗至排出口过渡段的总水头损失与流出水头之和，不得大于始端雨水斗至排出管终点处的室外地面的几何高差。上述两条规定的本质就是系统余量( )要≥O，两者的区别是 的对应标高，前者是过渡段标高，后者是排出管终点处的室外地面标高。虹吸系统一般是把雨水排入室外雨水井，室外雨水管道的设计重现期多为2～5a，远远小于建筑物屋面虹吸系统的设计重现期，当虹吸系统达到设计流量时，室外雨水井经常是积满水的，此时过渡段被淹没，排水几何高度就要扣除积水水位。因此笔者认为，对系统余量的规定还是GB50400—2006第5.4.8条比较确切，当然前提是系统的过渡段位置低于室外地面的高度，如果系统出口位置高于室外地面(这类情况工程中比较少见)，此时 ，的对应标高可取过渡段标高。
在施工图深化设计过程中，考虑到施工现场配合有许多不确定因素，常出现由于管线综合的原因需变更管道走向，在系统中增加弯头、三通、变径等配件，需要重新进行水力计算，因此在施工图设计时宜控制系统余量( )≥10 kPa，而不是把系统余量用尽，这样既可保证系统的工作状况安全可靠，并给日后施工时的管线修改提供了较大的灵活性。
4 屋面天沟的计算和校核
屋面天沟虽然不是由虹吸系统专业承包商负责施工，但为使整个虹吸系统正常工作，给排水设计人员有必要积极配合建筑专业和专业承包商完成天沟的设计。虹吸系统的一大优势就在于能对天沟内的水深进行精确计算并加以控制，这是传统重力系统所无法估算的。天沟的准确计算可以防止天沟尺寸偏大造成浪费或者尺寸偏小造成天沟翻水。
首先不同规格的虹吸雨水斗有相应的最小天沟尺寸要求，天沟小于这个尺寸会造成雨水斗无法安装或不能满足虹吸水力进水条件。应在此规格基础上，复核天沟的流量是否满足雨水斗的排水流量。
平坡天沟的计算公式为：
(1)
式中 ——水平短沟的设计排水量，L/s;
——长沟的设计排水量，L/s;
——安全系数，取0.9;
——断面系数;
Az——沟的有效断面面积，mm2;
——深度系数;
——形状系数;
LX——长沟容量系数。
具体计算可参见《建筑与小区雨水利用工程技术规范》5.2.5条、5.2.6条。若天沟流量《雨水斗流量，则应放大天沟尺寸重新计算，直至天沟流量》雨水斗流量。最终天沟尺寸需提交专业承包商进行复核。
此外虹吸系统完全依靠建筑物自身的高差所产生的压力水头实现快速排水，它通过整个管道系统的精确计算，控制各管段管径得以在立管上产生负压，形成抽吸作用。虹吸作用的形成依据系统的复杂程度而异，不是即刻产生，它需要一个管道的填充时间，以使整个悬吊管充满水从而在立管上瞬间产生抽吸，形成虹吸。所以虹吸系统的初期需要依靠尾管的小虹吸排水，填充悬吊管，但该排水量有限，远达不到设计雨量，这种情况下就要求天沟有一定尺寸用作调蓄容积，直到整个系统产生全虹吸，达到设计排量，天沟内水位就不再上升。所以悬吊管越长，填充管道所需的时间就越长，对系统就越不利，需要的天沟调蓄容积就越大。某工程一虹吸系统原天沟尺寸为800mm×380mm，经计算天沟流量已大于单个DNl25雨水斗设计流量，但由于该系统的悬吊管长度达到170多米，这对虹吸系统的设计极为不利。所以该工程经专业承包商复核后，把天沟尺寸改为1200mm×380mm，使该系统能更有效地排除屋面雨水。
5 溢流系统的设计
鉴于目前特殊性灾害天气日趋严重，为保证当超设计重现期的暴雨来临时，建筑物仍然能安全并运作正常，必须考虑一定的溢流措施，以使超重现期的雨水能有途径顺利从屋面排走。常用的溢流措施有：设置溢流口(溢流管、溢流槽)、自然溢流、设置专用的溢流系统。
溢流流量即为超过重现期的雨水流量，例如上海某工程虹吸系统重现期取50a，设计暴雨强度q5=7.09 L/(S·100 m2)，溢流流量按100年一遇暴雨强度[q5=7.79 L/(S·100 m2)]校核，则溢流暴雨强度为0.7 L/(s·100 m2)。在计算溢流流量时应注意：①径流系数取1;②侧墙应按面积的1/2折算为汇水面积;③如有高屋面雨水溢流至低屋面情况，在计算低屋面汇水面积时应加入高屋面汇水面积。
根据屋面形式的不同确定相应的溢流措施，应优先采用溢流口形式。当天沟较浅且设置在金属屋面外侧时，可考虑超重现期雨水漫过天沟自然溢流至室外。当条件限制无法采用以上方式时。则考虑设置专用的溢流系统，可在天沟端部设一定高度的挡水板和雨水斗，当天沟内水位超过设计水位后，溢流雨水越过挡水板，溢流雨水斗开始排水。溢流系统可以是重力系统，也可以是虹吸系统。
以上是笔者对压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统设计过程中的一些体会，供同行讨论和交流。