杭州亞運(yùn)會(huì)棒球主場(chǎng)大跨度屋面重力流鋼柱雨水系統(tǒng)施工技術(shù)*

楊百鎖，王奇恩，喬彩霞，周建強(qiáng)，喻浙坪，彭 棟，劉佩炬

(1.浙江綠筑集成科技有限公司，浙江 紹興 312030； 2.浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司，浙江 紹興 312030； 3.浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310063)

0 引言

對(duì)于現(xiàn)代大型體育建筑，屋面面積通常很大，屋面排水作為建筑內(nèi)雨水系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，因此，國(guó)內(nèi)絕大部分屋面排水方式采用傳統(tǒng)的重力流技術(shù)排水或主導(dǎo)的虹吸雨水系統(tǒng)，而將重力流鋼柱雨水排水系統(tǒng)應(yīng)用于大跨度屋面工程讓雨水有效排出的案例并不常見。本文以杭州亞運(yùn)會(huì)棒(壘)球體育文化中心項(xiàng)目棒球主場(chǎng)罩棚屋面重力流鋼柱雨水排水系統(tǒng)施工為例，解讀該系統(tǒng)實(shí)施過(guò)程中的相關(guān)技術(shù)。

1 工程概況

杭州亞運(yùn)會(huì)棒(壘)球體育文化中心項(xiàng)目為杭州2022 年第19屆亞運(yùn)會(huì)的分會(huì)場(chǎng)，總建筑面積約160 000m2，主場(chǎng)觀眾席座位5 000座，棒球主場(chǎng)看臺(tái)上方為大型鋼結(jié)構(gòu)罩棚，上弦處張拉PTFE膜結(jié)構(gòu)，既作為球場(chǎng)看臺(tái)的屋頂，又作為平臺(tái)及其他活動(dòng)場(chǎng)所的遮蔽處。集訓(xùn)中心、體能訓(xùn)練館和棒球主場(chǎng)覆蓋在共同的十字形膜頂之下，通過(guò)2層平臺(tái)串聯(lián)在一起，實(shí)現(xiàn)多層次的交通聯(lián)系，組成一個(gè)體育文化綜合體。項(xiàng)目效果如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目鳥瞰效果

棒球主場(chǎng)屋面結(jié)構(gòu)體系：除集訓(xùn)中心為11層，其余建筑均為2～3層。其中，棒球主場(chǎng)、2層平臺(tái)主體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，大跨度屋面采用鋼桁架結(jié)構(gòu)。膜結(jié)構(gòu)罩棚水平投影面積約15 000m2，雨水斗112個(gè)，雨水口位置根據(jù)十字形屋面造型均勻分布在天溝內(nèi)。雨水斗特殊選型參考87式采用帶防護(hù)罩和隔氣裝置的拓展型，斗體為不銹鋼材料制作，外圈周邊天溝為不銹鋼排水溝，屋面鋼網(wǎng)架下重力流鋼柱雨水立管35根，結(jié)構(gòu)柱67根，裝飾柱36根。罩棚屋面匯水分區(qū)如圖2所示。

圖2 罩棚屋面匯水示意

2 重力流鋼柱雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

本項(xiàng)目計(jì)算按浙江省紹興(柯橋區(qū))市，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P=50年，4處最低位角點(diǎn)設(shè)置直接溢流管，屋面集水時(shí)間T=5min，雨水設(shè)計(jì)強(qiáng)度安全系數(shù)取值乘以1.5，項(xiàng)目設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度為10L/(s·100m2)。棒球主場(chǎng)罩棚水平投影總面積約15 000m2，雨水設(shè)計(jì)總流量約420m3/s。

暴雨強(qiáng)度公式為：

i=[A·(1+C·lgP)]/[(T+B)·D]

暴雨參數(shù)為：

A=22.503 3，B=16.294，C=0.698，D=0.821

當(dāng)?shù)亟涤?min的降雨量為665.615 L/(s·hm2)。

2.2 系統(tǒng)主要組成部分

雨水系統(tǒng)由排水天溝、雨水斗、連接管、雨水懸吊管、固定支架、鋼柱雨水立管頂?shù)撞窟B接固定組成。其中，懸吊管為熱浸鍍鋅鋼管，鋼柱雨水立管和排出管為熱浸鍍鋅加厚鋼管，懸吊管連接采用卡箍連接、立管采用成品法蘭連接，每組雨水斗前、后分別設(shè)置穿孔消能板和截留板。

3 應(yīng)用BIM分析優(yōu)化雨水末端

棒球主場(chǎng)罩棚屋面造型為曲形屋面，最高中心點(diǎn)約36m，最低中心點(diǎn)21m，落差高度近15m。重力流排水系統(tǒng)中的雨水斗作為屋面雨水排放系統(tǒng)的始端，其作用是使沿屋面結(jié)構(gòu)上的天溝坡度自然匯集到雨水斗處的雨水導(dǎo)入系統(tǒng)管道，而末端連接管、雨水懸吊管與鋼柱立管的無(wú)縫結(jié)合同樣是整個(gè)重力流系統(tǒng)有效工作的關(guān)鍵所在。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，從原理上來(lái)說(shuō)，該方案簡(jiǎn)單、明了且直接；但從施工角度來(lái)看，管線安裝難度相當(dāng)大，影響、疑問(wèn)和不確定因素并存。具體存在以下困難：①排水溝落差高度大，溝底標(biāo)高差異大，雨水斗位置定位不易確定；②天溝坡度>15%，不銹鋼排水天溝粗糙系數(shù)小，溝內(nèi)雨水流速大，雨水斗收集效果難以達(dá)到最佳狀態(tài)；③天溝底部與鋼結(jié)構(gòu)桁架部位凈高空間有限，連接管安裝空間無(wú)法滿足要求；④雨水懸吊管接駁鋼柱立管，懸吊管路由與網(wǎng)格桁架沖突且影響視覺(jué)效果；⑤懸吊管固定支架沒(méi)有明確的做法，未考慮如何有效固定措施。

針對(duì)上述問(wèn)題多輪討論，與設(shè)計(jì)方反復(fù)對(duì)接有效溝通，最終利用BIM技術(shù)模擬施工、精細(xì)分析：①根據(jù)建筑專業(yè)對(duì)鋼柱雨水立管布置的要求及落位要避開看臺(tái)，結(jié)合截流雨水斗的設(shè)置，雨水口定位以最近軸網(wǎng)及溝邊為參照點(diǎn)確保準(zhǔn)確度。②基于排水溝匯水面積情況，為滿足雨水系統(tǒng)運(yùn)行可靠，溝內(nèi)均勻布置截流雨水斗且每處設(shè)置2個(gè)(增加保障、安全考慮)；同時(shí)，雨水斗上游設(shè)置高20cm穿孔消能板(降低雨水流速)，下游設(shè)置高30cm過(guò)水截流板(雨水斗水深要求)。③從重力流雨水系統(tǒng)的特點(diǎn)看，雨水必將從高點(diǎn)匯向低點(diǎn)，故排水溝需沿罩棚四周布置。結(jié)合排水溝坡度、雨水斗位置、09S302《雨水斗選用及安裝》、罩棚結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)BIM軟件分析規(guī)避和減小連接管高度為15cm。④為提高建筑效果，經(jīng)濟(jì)利用罩棚上、下表面間的空間，雨水懸吊管采取順?biāo)绞桨惭b、沿桁架排列敷設(shè)路徑，既有效避開鋼結(jié)構(gòu)桿件又達(dá)到觀感效果的一致性。⑤懸吊管管材為DN150熱浸鍍鋅鋼管，為了便于安裝施工，優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)整，法蘭連接改為卡箍連接，固定支架做法以鋼結(jié)構(gòu)桁架為生根點(diǎn)抱箍固定。管道支架距離要求為：DN100管，不保溫管長(zhǎng)6.5m，DN150管，不保溫管長(zhǎng)8.0m；DN200管，不保溫管長(zhǎng)9.5m。

這一調(diào)整梳理在施工前便優(yōu)化實(shí)施完畢，避免高空作業(yè)施工誤差造成隱患問(wèn)題，成功解決重力流雨水系統(tǒng)末端安裝難和交叉沖突影響。BIM分析優(yōu)化及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝如圖3所示。

圖3 雨水模型分析示意及末端實(shí)景

4 施工工藝技術(shù)要點(diǎn)解析

4.1 施工前準(zhǔn)備

重力流鋼柱雨水系統(tǒng)是經(jīng)過(guò)精確計(jì)算設(shè)計(jì)的，為保證設(shè)計(jì)圖紙?jiān)谑┕み^(guò)程中滿足施工的便利性、合理性、經(jīng)濟(jì)性，所以在施工前需做好準(zhǔn)備工作。主要內(nèi)容包括：①相關(guān)單位組織好技術(shù)人員對(duì)鋼柱雨水系統(tǒng)圖紙進(jìn)行讀圖、看圖并充分理解圖紙技術(shù)要點(diǎn)和對(duì)施工提出的要求。②結(jié)合相關(guān)專業(yè)、相應(yīng)界面，熟悉且熟懂圖紙，提出疑問(wèn)。③重點(diǎn)確認(rèn)系統(tǒng)的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)做法、標(biāo)高關(guān)系、定位及管材選型的技術(shù)特性，從而便于管道合理安裝。④是否與其他專業(yè)發(fā)生沖突，要做出判斷，減少實(shí)施過(guò)程中的拆改、返工及破壞。⑤清晰施工界面的劃分，列出施工工序，確認(rèn)圖紙?zhí)崆邦A(yù)留洞及管線穿墻(或樓板)處預(yù)埋套管等位置是否準(zhǔn)確，有無(wú)遺漏。⑥實(shí)施前通過(guò)設(shè)計(jì)交底形式，組織項(xiàng)目分包施工方對(duì)圖紙難點(diǎn)存在的問(wèn)題進(jìn)行答疑、討論并解決。

4.2 鋼柱雨水立管形式

本工程罩棚屋面結(jié)構(gòu)上獨(dú)立于建筑單體，由自身結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)柱支撐，主要技術(shù)點(diǎn)把控為：①因建筑、結(jié)構(gòu)體系，鋼柱雨水立管需臨空安裝，這要求雨水立管有一定強(qiáng)度，故雨水立管選型結(jié)合建筑風(fēng)格，采用可自我穩(wěn)定的整體式加厚鋼制雨水管。②從罩棚屋面標(biāo)高及可能的落管位置來(lái)看，臨空安裝的雨水立管長(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)30m，臨空鋼柱立管過(guò)長(zhǎng)，安裝過(guò)程中為了保證鋼柱雨水立管的高精度，鋼柱雨水管的連接采用工廠化預(yù)制焊接，轉(zhuǎn)換處為成品法蘭焊接連接。③在滿足雨水排水所需的最小管徑條件下，兼顧建筑整體造型，結(jié)構(gòu)專業(yè)通過(guò)壓桿受力條件計(jì)算，采用DN250，DN300雨水管，既有效提高單根立管的排水能力、減少雨水立管數(shù)量同時(shí)便于發(fā)現(xiàn)雨水管道系統(tǒng)的損壞點(diǎn)，更加有利于系統(tǒng)維護(hù)、構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化制作，又為建筑整體效果、滿足新型建筑工業(yè)化要求提供有利元素。結(jié)構(gòu)柱、裝飾柱、鋼柱雨水管實(shí)景如圖4所示。

圖4 項(xiàng)目結(jié)構(gòu)柱、裝飾柱、鋼柱雨水管實(shí)景

4.3 鋼柱雨水管頂、底部連接固定措施

1)為確保安全，鋼柱雨水立管頂部自由端設(shè)置防搖擺、防晃動(dòng)連接點(diǎn)，通過(guò)鉸鏈與罩棚內(nèi)弦桿靈活連接(見圖5)。

圖5 鋼柱雨水立管頂部連接實(shí)景

2)為統(tǒng)一雨水管構(gòu)造形式，便于工廠生產(chǎn)，雨水立管頂端采用側(cè)向預(yù)留DN150法蘭接口，用于對(duì)接罩棚桁架內(nèi)雨水懸吊管。

3)考慮罩棚變形、結(jié)構(gòu)沉降和鋼柱雨水立管底部固定壓桿受力形式等因素，罩棚桁架內(nèi)雨水懸吊管段間采用不銹鋼軟連接，以消除罩棚變形應(yīng)力對(duì)鋼柱雨水立管穩(wěn)定性的影響，同時(shí)不銹鋼軟連接方式還可消化管道連接點(diǎn)處的施工誤差，如圖6所示。

圖6 鋼柱雨水立管頂部連接節(jié)點(diǎn)

4)基于罩棚結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)，鋼柱雨水管按壓桿受力進(jìn)行設(shè)計(jì)，柱腳借助環(huán)形預(yù)埋底板和加勁板固定于主體結(jié)構(gòu)混凝土環(huán)梁中，且保證150mm以上的邊距。

5)罩棚的鋼柱雨水管落于各層土建結(jié)構(gòu)，施工安裝前，土建預(yù)留洞口，避免二次開洞帶來(lái)安全隱患。

6)雨水立管底部采用焊接變徑接頭，變徑接頭工廠事先加工且預(yù)留法蘭接口，提高了現(xiàn)場(chǎng)施工的可操作性，同時(shí)將結(jié)構(gòu)固定工作面與管道連接工作面分開，減少不利因素，如圖7所示。

圖7 鋼柱雨水立管底部固定節(jié)點(diǎn)

4.4 密封性能、竣工驗(yàn)收、維護(hù)要求

雨水斗安裝完成后應(yīng)進(jìn)行密封性驗(yàn)收，對(duì)所有雨水斗進(jìn)行封堵，并對(duì)屋面及天溝進(jìn)行灌水，水位應(yīng)淹沒(méi)雨水斗，持續(xù)時(shí)間≥1h，當(dāng)雨水斗周邊屋面無(wú)滲漏現(xiàn)象方可認(rèn)為其合格。雨水管道安裝完畢后，根據(jù)建筑高度要做灌水、通水試驗(yàn)，灌水高度應(yīng)達(dá)到各根立管上部雨水斗位置。其余管道應(yīng)進(jìn)行通水試驗(yàn)，排水應(yīng)通暢無(wú)堵塞，連接處不得出現(xiàn)滲漏。屋面及天溝應(yīng)清理干凈，不得留有異物。每年須做巡檢，重點(diǎn)檢查雨水管道的固定處、排水天溝和雨水斗情況。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于大跨度屋面重力流鋼柱雨水排水系統(tǒng)安裝實(shí)例，開展對(duì)重力流雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的研究，介紹了施工前技術(shù)把控、科學(xué)運(yùn)用BIM分析并探討重要節(jié)點(diǎn)施工做法，為項(xiàng)目的順利實(shí)施奠定了理論基礎(chǔ)。從后期使用效果來(lái)看，整體排水能力在暴雨時(shí)安全良好，但在實(shí)施中仍有深刻教訓(xùn)。首先，設(shè)計(jì)采用新的理念，對(duì)施工技術(shù)需嚴(yán)格要求。既要準(zhǔn)備好方案策劃，又要做好安裝規(guī)劃及多個(gè)施工段落同步并進(jìn)的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)與配合。其次，過(guò)程中要注重屋面曲面造型內(nèi)天溝的整體標(biāo)高差異，需校核雨水口的最低點(diǎn)位，以避免影響雨水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。