大屋面虹吸排水优化技术(1)

大屋面虹吸排水优化技术
1、大屋面工程的排水系统的选择
广州市琶洲 PZB1401项目为酒店发展项目，分为地下2层，地上建筑22层，其中首层至四层主要是展览厅及餐厅，五层为转换层，六层以上主要是酒店客房。

该项目的屋面总汇水面积约为18830m2（含侧墙面积），总设计雨水排水量为1075L/s，建筑面积及排水量较大，其中五层北侧屋面为面积达3672m2的金属种植屋面，其在多雨季节时需排雨水量很大，屋面结构跨度亦非常大(达51m左右)。

目前常用的雨水排水系统主要有重力流雨水排水系统和虹吸式雨水排水系统两种，其中后者采用虹吸式雨水斗，与前者相比，其具有以下技术优势：1）雨水斗的排水能力有了很大的提高；2）在满足水力计算的要求下，接入的雨水斗数量不受限制，从而减少了立管和埋地管的数量；3）悬吊管不需坡度，安装要求空间小，有利于设计和施工；4）系统按照压力流计算，可以减小管道的管径，同时，管内流速增加，使得系统具有较好的自清作用；5）可充分利用屋面与地面排出管高度差形成的位能，提高管内流速，减小管径。

对比以上两种雨水排水系统，并结合该项目实际特点，该项目屋面排水系统选用虹吸式雨水排水系统。

2、虹吸排水系统设计技术要求
1）虹吸式雨水排水系统雨水斗至过渡段总水头损失与过渡段流速水头之和不大于雨水斗至过渡段的几何高差；
2）雨水斗顶面至悬吊管管中的高差不小于1m；
3）雨水斗顶面至过渡段的高差在立管管径小于等于DN75时大于3m，在立管管径大于DN90时大于5m；
4）悬吊管设计流速大于0.75m，立管设计流速大于2.2m/s，小于10m/s；
5）虹吸式雨水排水系统过渡段下游的流速大于3m/s，应采取消能措施并采用混凝土雨水井；
6）悬吊管的设置应首先选择以立管为中心，两侧对称布置方式，如不可能，可选择单侧布置的方式；
7）各雨水斗至过渡段的水头损失允许误差小于5kPa；
8）系统的最大负压计算值应根据安装地的海拔高度、管道材质、管材和管件的最大、最小工作压力等确定，不低于-90kPa；
9）过渡段下游管道按重力流雨水排水系统进行设计。

3、虹吸排水系统优化设计
广州琶洲PZB1401项目是依据广州市设计院所出施工图进行施工，根据其所出的排水施工图纸，该项目虹吸排水系统共设置有17根排水主立管，其管径大多为250mm左右的管道，占据了较多的建筑空间，在施工过程中影响到其他管线的施工，且虹吸雨水斗数量达到了100个左右。

如此不仅需要较大的经济投入，同时也占据很多宝贵的建筑空间，因此有必要对原设计的虹吸排水系统进行新的优化设计。

现主要从以下几个方面对该系统进行优化再设计：
3.1 设计参数的选取
广州琶洲PZB1401项目位于广州市，该项目虹吸排水系统的设计参数需严格按照现行国家标准GB50015-2003《建筑给排水设计规范》以及广州市相对应参数进行选取。

其中，设计降雨历时按5min计算；设计降雨强度为广州市5min 暴雨强度值，取q5=571L/s·ha；屋面汇水面积由屋面水平投影面积及高出屋面侧墙折合面积组成，通过计算该项目屋面汇水面积为18830m2；屋面设计雨水流量按Q=q5F w计算，带入数据计算得Q=1075L/s。

降雨重现期的确定，应根据建筑物的重要程度、汇水区域等因素确定，一般性建筑取5年，重要建筑取10年。

为安全起见，降雨重现期取为10年。

3.2 雨水斗的优化布置
虹吸雨水斗是虹吸排水系统的最关键部件，其布置形式直接影响到排水管道的施工，因此该雨水斗的布置形式显得非常重要，此设计的优化需综合考虑屋面建筑结构形式，同时结合虹吸雨水斗的设置要求，以最合理、最优的方式布置雨水斗。

另外，选用雨水斗时，设计排量应按最大流量的70%~80%设计，并严格控制好斗前水深，确保计算过程的精密性，这样才能达到最好的排水效果。

虹吸雨水斗的设置要求：屋面的每1个最低点至少配置1个雨水斗；建筑屋面各汇水区域范围内，不论其面积大小，雨水斗的设置均不少于2个；设置在同一个虹吸雨水系统的雨水斗，其进水口宜在同一水平面上；靠近雨水立管的顶端，不得直接设置雨水斗；弧形或抛物线屋面，当其天沟不在同一水平面上时，宜在等高线或汇水分区的最低处集中设置多个雨水斗，再按不同水平面上的雨水斗分别设置独立的虹吸雨水系统；在水平面设置雨水斗时，雨水斗的单斗流量不宜过大，屋面找坡应坡向雨水斗，以满足斗前水位的要求。

综合上述雨水斗的设置要求以及该项目的屋面建筑结构形式，选用带环氧涂层的硅铝合金空气挡板及不锈钢集水盘的平底式金属雨水斗（其长期使用斗体不会产生锈腐蚀，且能有效防止漏水情况的出现）。

通过将相关参数输入到系统计算软件进行精密计算，该虹吸排水系统共分为10个子系统，有雨水斗61个。

3.3 管道系统的优化设置
经过精确计算后，屋面雨水斗的位置已确定，之后需按招标图纸确定该系统的水平悬吊管的走向、立管的位置、出户管的走向以及各管段的管径和长度。

3.3.1 确定水平悬吊管走向
水平悬吊管不需要设置坡度，因此在考虑建筑结构形式及不影响其它管道布置的情况下，尽量紧贴屋面结构梁底进行布置，其设计管径的大小，需结合相对应的雨水斗的总排水量、建筑使用功能的要求进行计算及综合考虑。

3.3.2 确定立管的位置选择
立管一般选择放置在管道井内，当无专门的水井时，一般尽量靠近结构柱设置，不能设置在安装电设备的空间、电梯间或对安静有较高要求的房间内。

从系统设计的角度考虑，立管应尽可能布置在各雨水斗对称的位置，以便满足水力平衡的要求。

3.3.3 确定出户管的走向
出户管的走向需要考虑外排水管井的位置，尽量选择对排水有利的方向敷设。

管道走向的确定，还需结合其他相关专业管线的布置图进行综合考虑，尽量保证建筑空间的有效利用率。

3.4 系统管材的选择
广州琶洲PZB1401项目为五星级酒店发展项目，其对管材的要求比较严格，因此需考虑到项目特点和使用要求，同时结合虹吸排水系统呈负压的特点，选用HDPE管，并采用热熔连接。

HDPE管的外部必须有预制的熔接对准线（牙齿或条纹标记），以便于热熔施工；管材与管件采用同一厂家的相同压力规格的产品，其压力等级原则按不小于PN4选取，耐负压能力按0.8公斤选取，管道的轴向回缩率不大于1.0%。

管材与管件之间的连接应采用热熔对焊连接或电熔连接，金属雨水斗和HDPE尾管的连接应采用螺纹丝扣连接，HDPE管与不锈钢管的连接应采用法兰连接。

4、虹吸排水系统优化的具体措施分析
广州琶洲PZB1401项目的裙楼为展馆及餐厅，其楼层相对较高，至五层楼层地面建筑标高已达40m左右，因此在虹吸排水系统的施工过程中，需考虑因较大的排水高差造成立管底部很大的负压值，由此对所选择的HDPE管道的承压能力及施工质量就有了较高的要求，尤其是系统压力的平衡、管道连接处的处理情况以及管道的加固情况等。

在对该系统的优化设计中，除满足上述精密计算的要求外，仍有必要对该系统在现场施工方面提出一些具体的措施，来进一步保证该系统的排水效果。

4.1 系统压力平衡方面
可采取以下措施以保证该系统的压力平衡：调小靠近系统立管的连接管管径；调整靠近系统立管处的连接管长度；在靠近系统立管处雨水斗与水平悬吊管上，可采取增大阻力损失的措施，如增加变径等；将负压值较大一段的水落斗用次悬吊管连接，然后依次接入主悬吊管中；悬吊管尽量以立管为中心，侧向对称布置，如不可能，可单侧布置。

4.2 施工工艺方面
对于虹吸排水系统的施工工艺，可考虑从以下几个方面加以优化：
1）悬吊管道的加固
该系统所选用HDPE管道的热膨胀系数大，悬吊管易因温度变化而产生膨胀变形、轴向伸缩亦会产生膨胀应力、工作状态下又存在振动荷载等因素，需采用二次悬吊系统的方式固定，即消能悬吊系统，可有效减少管道与屋面的固定点数量，减少对屋面的破坏，同时更适于工厂化工大批量生产，便于施工现场快速组装，加快施工进度，有效提高施工精度，保证工程质量。

2）系统出户管的处理
该系统的出户管道需埋地出户，且需在出户管口与室外检查井之间设置泄水
井，同时应适当加大管道末端的管径。

3）管道构件的合理选择
该系统所选用的HDPE管件最好是一次注塑成型的产品，其中管道变径最好采用偏心变径，且其安装方向需要有利于排水，而三通最好是顺水的45°斜三通。

4）管道连接口的处理
在HDPE管道的施工过程中，尽量采用热熔接口，确保系统处于密闭的状态，且务必严格注意接口的质量，管材的切割断面应垂直于管轴线，切割后管材端口应除去毛边并保持端面清洁、干燥、无油。

HDPE管道与安装好的虹吸雨水斗采用丝扣连接，并用白厚漆和聚四氟乙烯生料带等材料密封。

5、虹吸排水系统优化设计体会
广州琶洲PZB1401项目结构形式独特，其中裙楼的跨度及屋面建筑面积均很大，尤其以五层北面金属种植屋面最为显著，通过此优化设计，使得该系统排水主立管减少为10根，虹吸雨水斗为61个，节省了较大的经济投入和建筑空间。

同时在此虹吸排水系统优化设计过程中，通过理论分析与现场实际的结合，有效且最优地解决了大屋面排水困难的问题，并为以后的大屋面排水系统的设计提供了一定的借鉴经验，具有深刻的意义。