论文部分内容阅读
【摘要】虹吸系统的设计内容主要包括雨水排放方案的设计、天沟排水量的计算及屋面溢流设施的设计。本文通过展示虹吸式屋面雨水排放系统管道系统、管道支架设计的图件对虹吸式雨水处理系统进行了形象具体的分析。
【关键词】屋面雨水排放；虹吸系统；计算；设计
中图分类号：TU823.6文献标识码： A 文章编号：
0引言
随着城市和经济的发展，大型或超大型的公共建筑和工业建筑的出现如雨后春笋，由于这些大型或超大型的建筑屋面跨度大、面积大等特点，屋面的承载能力较弱，为确保大型建筑物的安全，屋面雨水的排放技术逐渐先进建筑技术研究的热点课题。虹吸式排水系统因其节省空间，设计灵活，防排一体等优点，在大型建筑屋面雨水排放处理中广为运用，本文对虹吸式排水系统的设计进行了具体的研究与分析。
1虹吸系统的排水原理分析
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，迅速排出至市政管网。
2虹吸系统的设计内容
虹吸式屋面雨水排水系统设计依据是：建筑专业提供的屋定平面图纸、业主的设计要求、工程所在地的气象参数（暴雨强度公式，降雨厚度等），以及设计和施工规范、规程，标准、图集、技术措施、企业标准等。
2.1雨水排放方案的设计
虹吸雨水专业公司设计师依据业主的要求，在仔细研读工程图纸之后，确定屋面虹吸排水系统设计方案，通常分为如下几个步骤。
1）确定采用虹吸雨水斗的材质、型号、设计位置和数量屋面虹吸雨水斗的材质选择主要考虑了雨水斗的使用寿命，一般选择外观美观、防腐性能好、使用过程中无需进行防腐处理的不锈钢雨水斗。结合屋面结构及天沟分布情况对屋面进行汇水区域划分，计算各汇水区域的雨水量；结合天沟的长度及每个雨水斗的间距不宜超过20m、被结构梁隔断的天沟两端都需设置雨水斗的原则布置雨水斗，从而确定各汇水区域雨水斗的数量。
虹吸雨水斗排水能力计算：
Qd=3.3d2（H+P）1/2（1）
式中：Qd为虹吸雨水斗排水量，m3/s；3.3为转化系数m0.5/s；d为水斗出水短管内径，m；H为雨水斗顶部至出水口的高度，m；P为虹吸系统设计最大负压，m。
由式（1）可见，屋面虹吸雨水斗的排水量取决于三个因素：雨水斗顶部至出水口的高度，雨水斗出水短管的内径大小，虹吸系统的最大负压大小。
屋面降雨量计算见式（2）：
Q=Kq5Fw（2）
式中：Q为屋面雨水量，L/s；K为暴雨强度系数，无量纲；q5为5min暴雨强度值，q5=1.67i；Fw为屋面汇水面积，由屋面水平投影面积及高出屋面侧墙折合面积组成，m2；i为5min平均降雨量，i=H/t；t为降雨历时，一般按照5min计算，min。
2）确定虹吸系统选用的管材及管件虹吸雨水系统可选用的管材包括金属管和非金属管，这些管材在满足虹吸系统对系统正负压要求的同时，尚需综合考虑装饰要求、防火要求等因素。依据CJJ127—2009《建筑排水金属管道工程技术规程》，虹吸排水系统可采用的金属管材有排水用薄壁不锈钢管及涂塑钢管。金属管用于对装饰和防火要求较高的场合，比如某些铝厂熔铸车间，室内温度高，适于采用金属管材。虹吸排水系統选用的非金属管材为HDPE管材，该管材具有其他非金属管材不具备的理化性能，如耐腐性、抗冲击性、耐磨性，且具有生态环保特性，燃烧产物无毒害作用，不会产生二恶英等对人有毒害物质。
负压位于悬吊管接立管位置处。负压产生原因，是由于虹吸雨水斗与水平悬吊管的高度差较小所致。选择管材时，可依据最大设计负压的大小，对系统进行计算，从而确定系统各管段的管径。有针对性地选择管材，使得我们的设计文件能更好地满足业主的使用要求，同时也节省了工程造价。设计负压越大，整个系统的管径越小。虹吸雨水系统所使用的管件必须与选择的管材同材质，且连接方式可靠，才能保证系统的密封性。排水管件需要有利于排水，比如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，采用的三通是顺水的45°斜三通，选用的HDPE管件最好是一次注塑成型的产品，焊接管件在实际使用中，由于连接雨水斗与水平管处应力较大，容易开裂。
3）确定水平悬吊管道的走向、立管位置、地下室悬吊管走向及排出管方向屋面雨水斗的位置确定后，需按图纸布置管道走向、选定立管位置及确定地下管的走向等。
水平悬吊管离天沟底面的标高差，一般取决于屋面结构梁的高度，水平管贴屋面结构梁底走。系统设计的管径大小，有时候需考虑建筑功能的要求，比如室内净空的要求。一旦天花要求的高度受到限制，虹吸管道就不应设计过大，这就涉及到前期与建筑设计院的设计配合协调工作。立管一般尽量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，不能放置在安装电设备的房间、电梯间或对安静有较高要求的房间内，所以立管位置应尽量与建筑设计单位进行沟通协调。立管的位置放置在多层建筑的楼梯间、过道中时，需慎重考虑，因为很多建筑到一层有承台，存在无法出户的问题，同时存在当需要立管转置时，管道一拐弯就到了其它房间的中部（吊顶下），错层的问题无法处理，故应尽量靠近其它合适位置来布置。从系统设计的角度考虑，虹吸立管应尽可能布置在各雨水斗对称的位置，这与水力平衡要求有关。由于虹吸雨水系统各雨水斗离立管的距离不同，水力总损失大小不同，依据GB50015—2003《建筑给水排水设计规范》要求，各雨水斗至系统过渡段的总水头损失之差不得大于10kPa。立管位置越是对称布置，整个系统的管径越小，水力越平衡，排水量越大。一般调节系统平衡有如下几种措施：其一，调小靠近系统立管处的连接管管径；其二，调整靠近系统立管处的连接管的长度；其三，在靠近系统立管处的雨水斗与水平悬吊管上采取增大阻力损失的措施，如增加变径。
埋地管的走向需要考虑室外排水管井的位置，尽量选择对排水有利的方向敷设埋地管。地下室的悬吊管贴结构梁底走，其标高在结构梁底标高下200mm左右。管道走向的确定，还需要结合其他相关专业管线的布置图，必要时与建筑设计单位沟通确定初步方案，经设计单位确定后，再出施工图。
2.2天沟排水量的计算
天沟排水量计算式为水力学连续性方程，见式（3）；天沟内水流速的计算公式为曼宁公式，见式（4）。
qr=1000vw（3）
v=（1/n）R2/3I1/2（4）
式中：qr为屋面雨水流量，L/s；v为天沟内水流速度，m/s；w为天沟过水断面面积（a×b），m2；n为天沟的粗糙系数，0.012；R为水力半径，为（a×b）（/a+2b），m；I为汇水坡度，取值0.005，无量纲；a为天沟宽度，m；b为天沟有效水深，m。
某虹吸雨水工程中，以雨水子系统YL-1对应的单斗流量为最大，单斗设计流量为27.54L/s，虹吸雨水运行时，其天沟汇水坡度I为0.005，将数值代入式（3）：
qr =5892.55（[a·b）/（a+2b）]2/3·（a·b）（5）
当天沟有效过水断面尺寸为600mm（宽）×150mm（深）时，由（5）式可计算得到天沟排除雨水量为114.26L/s，可满足屋面雨水排放的要求。另外，由于天沟深度尚需考虑50年暴雨重现期的溢流过水流量及溢流堰口的高度，故建议天沟尺寸为600mm（宽）×300mm（深）。
2.3屋面溢流设施的设计
按照GB50015—2003《建筑给水排水设计规范》的要求，屋面需要设置溢流设施。屋面溢流设施有溢流口和溢流管道系统两种形式。考虑到工程造价，一般优先设计溢流口，在满足屋面排水安全的同时，排出超设计重现期的雨水量。
1）矩形堰流计算：
Q=mB（2g）1/2H03/2（6）
式中：Q为矩形堰流量，L/s；m为矩形堰流量系数（薄壁堰取m=450，宽顶堰取m=385），无量纲；B为矩形堰顶宽度，m；g为重力加速度，m/s2；H0为矩形堰前水位，m。金属天沟溢流口属于薄壁堰，钢筋混凝土结构屋面溢流口属于宽顶堰。
2）溢流口的开口原则
溢流口应设在雨水能通畅到达的场所，最高溢流水位应低于建筑屋面允许的积水深度，不得危及行人安全，不得影响本建筑和邻近建筑的使用功能，位置应与建筑本身造型协调一致、美观。
3）溢流管道系统
包括重力管道系统和虹吸管道系统两类。计算完每个系统的溢流雨水量后，按照重力管的水力参数选择重力管的管径，溢流管顶部离屋面天沟底100mm；采用虹吸溢流系统的，需按超正常设计年限部分的流量进行计算，计算方法与一般虹吸系统的相同。
3虹吸式屋面雨水排放系统设计的图件
3.1屋面雨水排放管道系统图
屋面雨水斗布置完毕，水平管走向、立管位置、地下室管道走向、排出管方向确定后，通过虹吸排水系统设计软件出系统图，并按设计参数进行计算，确定系统各管段的管径。
3.2屋面雨水排放管道支架及主要节点大样图
3.2.1屋面雨水排放管道支架
管道支架依据系统选择的管材不同，有直接悬吊和二次悬吊两类。对于金属管道，热膨胀系数小，采用直接悬吊的方式固定。而对于HDPE管道，热膨胀系数大，采用二次悬吊系统的方式固定，此系统又称为消能悬吊系统（图1）。
图1虹吸雨水系统悬吊管及立管的安装
HDPE管道固定系统（消能悬吊系统）优点如下：将雨水悬吊管因温度变化产生的膨胀变形分解到各固定管卡之间，使变形无法目测察觉，起到美观作用；将雨水悬吊管轴向伸缩产生的膨胀应力，由固定管卡传递到消能悬吊系统上消解，对建筑的结构本体不会造成影响；将雨水悬吊管工作状态下的振动荷载，通过悬吊管卡传递到消能悬吊系统上，利用悬吊钢结构的刚性进行消解；使管道在固定中有效减少与屋面的固定点数量，减少对屋面的破坏；更适于工厂化大批量生产，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。
3.2.2虹吸雨水斗在各类屋面上的安装大样图
虹吸雨水斗在各类屋面上安装大样见图2～4，安装尺寸见表1～3。
图2 PPⅢ型虹吸雨水斗在钢混屋面天沟内的安装
图3 PPⅢ型虹吸雨水斗在单层钢板天沟（檐沟）内的安装
图4 PPⅢ型虹吸雨水斗在种植屋面的安装
表1 PPⅢ型虹吸雨水斗在钢混屋面天沟内的安装尺寸（mm）
表2 PPⅢ型虹吸雨水斗在单层钢板天（檐）沟内的安装尺寸（mm）
表3 PPⅢ型虹吸雨水斗在种植屋面的安装尺寸（mm）
4結语
虹吸式雨水处理系统不仅解决了屋面于水的排放，而且通过与雨水回收技术的融合渗透，发挥了很好的资源回收作用，将雨水变成有用的资源，供人们在生活、生产中循环利用，体现了绿色节能的环保理念，支持了城市的可持续发展。因此，本论文研究的虹吸式雨水排放系统在大型建筑屋面雨水处理中值得推广运用。
参考文献：
[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.CJJ127—2009建筑排水金属管道工程技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.
[2]中华人民共和国建设部.GB50015—2003建筑给水排水设计规范[S].北京：计划出版社，2009.
【关键词】屋面雨水排放；虹吸系统；计算；设计
中图分类号：TU823.6文献标识码： A 文章编号：
0引言
随着城市和经济的发展，大型或超大型的公共建筑和工业建筑的出现如雨后春笋，由于这些大型或超大型的建筑屋面跨度大、面积大等特点，屋面的承载能力较弱，为确保大型建筑物的安全，屋面雨水的排放技术逐渐先进建筑技术研究的热点课题。虹吸式排水系统因其节省空间，设计灵活，防排一体等优点，在大型建筑屋面雨水排放处理中广为运用，本文对虹吸式排水系统的设计进行了具体的研究与分析。
1虹吸系统的排水原理分析
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，迅速排出至市政管网。
2虹吸系统的设计内容
虹吸式屋面雨水排水系统设计依据是：建筑专业提供的屋定平面图纸、业主的设计要求、工程所在地的气象参数（暴雨强度公式，降雨厚度等），以及设计和施工规范、规程，标准、图集、技术措施、企业标准等。
2.1雨水排放方案的设计
虹吸雨水专业公司设计师依据业主的要求，在仔细研读工程图纸之后，确定屋面虹吸排水系统设计方案，通常分为如下几个步骤。
1）确定采用虹吸雨水斗的材质、型号、设计位置和数量屋面虹吸雨水斗的材质选择主要考虑了雨水斗的使用寿命，一般选择外观美观、防腐性能好、使用过程中无需进行防腐处理的不锈钢雨水斗。结合屋面结构及天沟分布情况对屋面进行汇水区域划分，计算各汇水区域的雨水量；结合天沟的长度及每个雨水斗的间距不宜超过20m、被结构梁隔断的天沟两端都需设置雨水斗的原则布置雨水斗，从而确定各汇水区域雨水斗的数量。
虹吸雨水斗排水能力计算：
Qd=3.3d2（H+P）1/2（1）
式中：Qd为虹吸雨水斗排水量，m3/s；3.3为转化系数m0.5/s；d为水斗出水短管内径，m；H为雨水斗顶部至出水口的高度，m；P为虹吸系统设计最大负压，m。
由式（1）可见，屋面虹吸雨水斗的排水量取决于三个因素：雨水斗顶部至出水口的高度，雨水斗出水短管的内径大小，虹吸系统的最大负压大小。
屋面降雨量计算见式（2）：
Q=Kq5Fw（2）
式中：Q为屋面雨水量，L/s；K为暴雨强度系数，无量纲；q5为5min暴雨强度值，q5=1.67i；Fw为屋面汇水面积，由屋面水平投影面积及高出屋面侧墙折合面积组成，m2；i为5min平均降雨量，i=H/t；t为降雨历时，一般按照5min计算，min。
2）确定虹吸系统选用的管材及管件虹吸雨水系统可选用的管材包括金属管和非金属管，这些管材在满足虹吸系统对系统正负压要求的同时，尚需综合考虑装饰要求、防火要求等因素。依据CJJ127—2009《建筑排水金属管道工程技术规程》，虹吸排水系统可采用的金属管材有排水用薄壁不锈钢管及涂塑钢管。金属管用于对装饰和防火要求较高的场合，比如某些铝厂熔铸车间，室内温度高，适于采用金属管材。虹吸排水系統选用的非金属管材为HDPE管材，该管材具有其他非金属管材不具备的理化性能，如耐腐性、抗冲击性、耐磨性，且具有生态环保特性，燃烧产物无毒害作用，不会产生二恶英等对人有毒害物质。
负压位于悬吊管接立管位置处。负压产生原因，是由于虹吸雨水斗与水平悬吊管的高度差较小所致。选择管材时，可依据最大设计负压的大小，对系统进行计算，从而确定系统各管段的管径。有针对性地选择管材，使得我们的设计文件能更好地满足业主的使用要求，同时也节省了工程造价。设计负压越大，整个系统的管径越小。虹吸雨水系统所使用的管件必须与选择的管材同材质，且连接方式可靠，才能保证系统的密封性。排水管件需要有利于排水，比如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，采用的三通是顺水的45°斜三通，选用的HDPE管件最好是一次注塑成型的产品，焊接管件在实际使用中，由于连接雨水斗与水平管处应力较大，容易开裂。
3）确定水平悬吊管道的走向、立管位置、地下室悬吊管走向及排出管方向屋面雨水斗的位置确定后，需按图纸布置管道走向、选定立管位置及确定地下管的走向等。
水平悬吊管离天沟底面的标高差，一般取决于屋面结构梁的高度，水平管贴屋面结构梁底走。系统设计的管径大小，有时候需考虑建筑功能的要求，比如室内净空的要求。一旦天花要求的高度受到限制，虹吸管道就不应设计过大，这就涉及到前期与建筑设计院的设计配合协调工作。立管一般尽量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，不能放置在安装电设备的房间、电梯间或对安静有较高要求的房间内，所以立管位置应尽量与建筑设计单位进行沟通协调。立管的位置放置在多层建筑的楼梯间、过道中时，需慎重考虑，因为很多建筑到一层有承台，存在无法出户的问题，同时存在当需要立管转置时，管道一拐弯就到了其它房间的中部（吊顶下），错层的问题无法处理，故应尽量靠近其它合适位置来布置。从系统设计的角度考虑，虹吸立管应尽可能布置在各雨水斗对称的位置，这与水力平衡要求有关。由于虹吸雨水系统各雨水斗离立管的距离不同，水力总损失大小不同，依据GB50015—2003《建筑给水排水设计规范》要求，各雨水斗至系统过渡段的总水头损失之差不得大于10kPa。立管位置越是对称布置，整个系统的管径越小，水力越平衡，排水量越大。一般调节系统平衡有如下几种措施：其一，调小靠近系统立管处的连接管管径；其二，调整靠近系统立管处的连接管的长度；其三，在靠近系统立管处的雨水斗与水平悬吊管上采取增大阻力损失的措施，如增加变径。
埋地管的走向需要考虑室外排水管井的位置，尽量选择对排水有利的方向敷设埋地管。地下室的悬吊管贴结构梁底走，其标高在结构梁底标高下200mm左右。管道走向的确定，还需要结合其他相关专业管线的布置图，必要时与建筑设计单位沟通确定初步方案，经设计单位确定后，再出施工图。
2.2天沟排水量的计算
天沟排水量计算式为水力学连续性方程，见式（3）；天沟内水流速的计算公式为曼宁公式，见式（4）。
qr=1000vw（3）
v=（1/n）R2/3I1/2（4）
式中：qr为屋面雨水流量，L/s；v为天沟内水流速度，m/s；w为天沟过水断面面积（a×b），m2；n为天沟的粗糙系数，0.012；R为水力半径，为（a×b）（/a+2b），m；I为汇水坡度，取值0.005，无量纲；a为天沟宽度，m；b为天沟有效水深，m。
某虹吸雨水工程中，以雨水子系统YL-1对应的单斗流量为最大，单斗设计流量为27.54L/s，虹吸雨水运行时，其天沟汇水坡度I为0.005，将数值代入式（3）：
qr =5892.55（[a·b）/（a+2b）]2/3·（a·b）（5）
当天沟有效过水断面尺寸为600mm（宽）×150mm（深）时，由（5）式可计算得到天沟排除雨水量为114.26L/s，可满足屋面雨水排放的要求。另外，由于天沟深度尚需考虑50年暴雨重现期的溢流过水流量及溢流堰口的高度，故建议天沟尺寸为600mm（宽）×300mm（深）。
2.3屋面溢流设施的设计
按照GB50015—2003《建筑给水排水设计规范》的要求，屋面需要设置溢流设施。屋面溢流设施有溢流口和溢流管道系统两种形式。考虑到工程造价，一般优先设计溢流口，在满足屋面排水安全的同时，排出超设计重现期的雨水量。
1）矩形堰流计算：
Q=mB（2g）1/2H03/2（6）
式中：Q为矩形堰流量，L/s；m为矩形堰流量系数（薄壁堰取m=450，宽顶堰取m=385），无量纲；B为矩形堰顶宽度，m；g为重力加速度，m/s2；H0为矩形堰前水位，m。金属天沟溢流口属于薄壁堰，钢筋混凝土结构屋面溢流口属于宽顶堰。
2）溢流口的开口原则
溢流口应设在雨水能通畅到达的场所，最高溢流水位应低于建筑屋面允许的积水深度，不得危及行人安全，不得影响本建筑和邻近建筑的使用功能，位置应与建筑本身造型协调一致、美观。
3）溢流管道系统
包括重力管道系统和虹吸管道系统两类。计算完每个系统的溢流雨水量后，按照重力管的水力参数选择重力管的管径，溢流管顶部离屋面天沟底100mm；采用虹吸溢流系统的，需按超正常设计年限部分的流量进行计算，计算方法与一般虹吸系统的相同。
3虹吸式屋面雨水排放系统设计的图件
3.1屋面雨水排放管道系统图
屋面雨水斗布置完毕，水平管走向、立管位置、地下室管道走向、排出管方向确定后，通过虹吸排水系统设计软件出系统图，并按设计参数进行计算，确定系统各管段的管径。
3.2屋面雨水排放管道支架及主要节点大样图
3.2.1屋面雨水排放管道支架
管道支架依据系统选择的管材不同，有直接悬吊和二次悬吊两类。对于金属管道，热膨胀系数小，采用直接悬吊的方式固定。而对于HDPE管道，热膨胀系数大，采用二次悬吊系统的方式固定，此系统又称为消能悬吊系统（图1）。
图1虹吸雨水系统悬吊管及立管的安装
HDPE管道固定系统（消能悬吊系统）优点如下：将雨水悬吊管因温度变化产生的膨胀变形分解到各固定管卡之间，使变形无法目测察觉，起到美观作用；将雨水悬吊管轴向伸缩产生的膨胀应力，由固定管卡传递到消能悬吊系统上消解，对建筑的结构本体不会造成影响；将雨水悬吊管工作状态下的振动荷载，通过悬吊管卡传递到消能悬吊系统上，利用悬吊钢结构的刚性进行消解；使管道在固定中有效减少与屋面的固定点数量，减少对屋面的破坏；更适于工厂化大批量生产，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。
3.2.2虹吸雨水斗在各类屋面上的安装大样图
虹吸雨水斗在各类屋面上安装大样见图2～4，安装尺寸见表1～3。
图2 PPⅢ型虹吸雨水斗在钢混屋面天沟内的安装
图3 PPⅢ型虹吸雨水斗在单层钢板天沟（檐沟）内的安装
图4 PPⅢ型虹吸雨水斗在种植屋面的安装
表1 PPⅢ型虹吸雨水斗在钢混屋面天沟内的安装尺寸（mm）
表2 PPⅢ型虹吸雨水斗在单层钢板天（檐）沟内的安装尺寸（mm）
表3 PPⅢ型虹吸雨水斗在种植屋面的安装尺寸（mm）
4結语
虹吸式雨水处理系统不仅解决了屋面于水的排放，而且通过与雨水回收技术的融合渗透，发挥了很好的资源回收作用，将雨水变成有用的资源，供人们在生活、生产中循环利用，体现了绿色节能的环保理念，支持了城市的可持续发展。因此，本论文研究的虹吸式雨水排放系统在大型建筑屋面雨水处理中值得推广运用。
参考文献：
[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.CJJ127—2009建筑排水金属管道工程技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.
[2]中华人民共和国建设部.GB50015—2003建筑给水排水设计规范[S].北京：计划出版社，2009.