虹吸雨水系統(tǒng)設(shè)計在臨港某科技創(chuàng)新城項目中的應(yīng)用

上海作為中國沿海的大城市中最為璀璨的明珠，在地理位置上，屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，每年至少有 1～2 個臺風(fēng)影響時間段，雨量較為充沛，年均降雨量達(dá)到 1 124 mm，降雨總量約為 70×108m3/a。據(jù)統(tǒng)計，除了因為蒸發(fā)、滲透等因素影響而損失的水量，上海雨水總量為 24×108m3/a。從數(shù)據(jù)上來看，如此多的雨水量必定對建筑物的雨水排放和引流是一個極大的考驗。

上海臨港某科技創(chuàng)新城項目坐落在臨港新片區(qū)板塊內(nèi)，毗鄰東海，受海洋性氣候的影響，一年四季雨水較充足，特別是夏初的梅雨季節(jié)和夏秋的臺風(fēng)季節(jié)，陣雨頻繁。該項目的 S 型裙房屋面面積寬廣，總面積達(dá)到了 13 090 m2，而且裙房采用多處大跨度、大懸挑鋼結(jié)構(gòu)，最大懸挑長度達(dá) 53 m，為了減輕裙房屋面雨水量對建筑結(jié)構(gòu)的承載壓力，降雨時必須使屋面積蓄的雨水在短時間內(nèi)迅速排出，故本項目采用較為先進(jìn)的虹吸雨水系統(tǒng)來實現(xiàn)建筑物雨水的排出功能。

1 虹吸雨水系統(tǒng)特點

1.1 系統(tǒng)特性及原理

虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)是充分利用了“伯諾里”方程，符合虹吸滿管壓力流設(shè)計原理，進(jìn)行參數(shù)化科學(xué)性的計算。該系統(tǒng)采用與傳統(tǒng) 87 型雨水斗完全不同的特殊構(gòu)造的雨水斗，安裝在屋面天溝內(nèi)，僅需要較淺的水深，即可在管道中形成滿管流狀態(tài)，以此來隔絕空氣對雨水下沉流動的阻礙，同時該原理利用了建筑屋面與地面的高差所產(chǎn)生的勢能，在內(nèi)部管道中形成真空狀態(tài)，在外部大氣壓的趨勢下，使雨水斗及水平管內(nèi)獲得附加的水流壓力，這種工況在流體力學(xué)上稱之為虹吸現(xiàn)象。圖1 所示直觀的展示了雨水在重力系統(tǒng)和虹吸系統(tǒng)管內(nèi)狀態(tài)的區(qū)別。利用該作用力，極大地加快水在排水管道內(nèi)的流速，可以讓雨水迅速地排出屋面。該系統(tǒng)由特殊構(gòu)造的雨水斗、雨水管材、金屬管配件、固定支架系統(tǒng)等組成。

圖1 重力式雨水和虹吸雨水管管內(nèi)狀態(tài)

1.2 虹吸式排水和重力式排水系統(tǒng)設(shè)計上區(qū)別

（1）重力式雨水系統(tǒng)設(shè)計原理如圖2 所示。重力流雨水排水方式在設(shè)計原理上，圍繞重力勢能這一特點，依靠屋面結(jié)構(gòu)上的傾斜坡度（土建需要進(jìn)行放坡），重力自然匯集，流入屋面上的雨水斗內(nèi)，而常用的 87 型雨水斗屬于開放式雨水斗，通常情況下流入雨水斗的雨水會滲入空氣，在管內(nèi)形成氣水混合物。在設(shè)計上需要進(jìn)行人為手算，手算過程難免出紕漏，往往管徑被放大 50%～80%，同時屋面設(shè)計師需要考慮足夠的坡度，極大地限制了屋面結(jié)構(gòu)及設(shè)備布局。在這種情況下要有效排水，需增加雨水斗及相應(yīng)的排水立管，占用大量屋面有效面積；豎向立管經(jīng)過統(tǒng)一匯集后進(jìn)入室外的雨水管網(wǎng)。

圖2 重力式雨水系統(tǒng)設(shè)計原理圖

（2）虹吸式雨水排水系統(tǒng)設(shè)計原理如圖3 所示。雨水匯集在屋面時，開始階段，虹吸式雨水系統(tǒng)與傳統(tǒng)的重力式排水系統(tǒng)的雨水匯集方式區(qū)別不大，都是依靠自身重力進(jìn)行排出，惟一的區(qū)別在于屋面坡度要求不高。隨著雨水在雨水斗處聚集到移動的液位高度時，虹吸雨水斗的特殊構(gòu)造起到的作用，雨水進(jìn)入時會自動隔絕空氣進(jìn)入雨水斗內(nèi)，從而產(chǎn)生虹吸效果，因此排水量會大大增加。但同時屋面的雨水斗處會形成較大的壓力，不僅對雨水斗本身，也對下部管道及上部屋面產(chǎn)生較大的承載要求，相對于重力式排水系統(tǒng)來說，在水力計算、產(chǎn)品選用和整個屋面系統(tǒng)性布局上，要有更為詳細(xì)的設(shè)計考慮。

圖3 虹吸式雨水系統(tǒng)設(shè)計原理圖

1.3 虹吸排水與重力排水系統(tǒng)在施工上的區(qū)別

（1）傳統(tǒng)重力式雨水系統(tǒng)在設(shè)計及施工上，要求管徑較大，需要設(shè)置 1%～3% 的管道放坡，屋面設(shè)置大量的雨水斗及在建筑物里面上設(shè)置立管，在地面進(jìn)行大范圍的開挖工作，設(shè)置底部匯流主管。埋地管道數(shù)量較多，施工難度和周期均較大。

（2）虹吸式雨水系統(tǒng)在設(shè)計及施工上，要求管徑較小，懸吊的管道無需考慮放坡要求，雨水斗和立管數(shù)量相對少很多，地面開挖工作覆蓋面積少，埋地管道數(shù)量少。

1.4 先進(jìn)的虹吸排水系統(tǒng)優(yōu)勢

（1）通過兩種系統(tǒng)的構(gòu)造及施工要求可知。在設(shè)計上虹吸雨水系統(tǒng)靈活多變，計算過程需要通過精確的程序進(jìn)行準(zhǔn)確布點，前期工作較為細(xì)致，但立管減少，相應(yīng)的需要建筑設(shè)計配合的管道井布置設(shè)計工作量大大降低。

（2）在施工上管道無需考慮放坡要求，地面開挖工作量大大減小，現(xiàn)場施工量大大降低，施工安全快捷，立管的減少增加了建筑施工面積，管材用量的減少契合綠色建筑理念，管道同時具備自潔功能，適用于各種類型的建筑物。

2 虹吸雨水系統(tǒng)設(shè)計計算

（1）方案概述。上海臨港某科技創(chuàng)新城項目的虹吸雨水方案，參照上海暴雨強(qiáng)度重現(xiàn)期P＝10 a 進(jìn)行虹吸雨水系統(tǒng)設(shè)計，立管按設(shè)計院確定位置布置，出戶管暫設(shè)至室外 5 m。

（2）匯水流量計算。匯水面積按照屋面的水平投影面積計算，高出屋面部分的側(cè)墻面積按 GB 50015-2019《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定折算為匯水面積。① 設(shè)計參數(shù):上海市暴雨強(qiáng)度重現(xiàn)期P＝10 a，5 min 暴雨強(qiáng)度q5＝5.79 L/s×100 m2，徑流系數(shù)Ψ＝1.0；② 計算結(jié)果：屋面匯水面積為 13 090 m2，分為如圖4 所示的裙房屋面 1、2、3 區(qū)域，共劃分 10 個子系系統(tǒng)，采用 64 個虹吸雨水斗將屋面雨水排出。

圖4 裙房屋面雨水覆蓋區(qū)域劃分圖

（3）設(shè)計要點。① 雨水斗布置在天溝內(nèi)，天溝要求連通、水平無坡度，寬≥600 mm，深 300 mm；② 連接在同一懸吊管上的雨水斗斗體，要求安裝在同一高度的水平面上，以此確保在排水過程中，雨水斗均能保持在同一水位進(jìn)水，隔絕空氣，排水過程呈現(xiàn)有壓流狀態(tài)；③ 各個子系統(tǒng)需經(jīng)水力計算，校核各個參數(shù)，各節(jié)點壓力差值不得超過 0.005 MPa，以此來滿足壓力平衡要求；④ 懸吊管管內(nèi)液體的流速不得小于 1.0 m/s，立管管內(nèi)液體的流速不小于 2.2 m/s。

（4）虹吸式雨水分支管計算。通過匯流量計算可知，64 個虹吸雨水斗分配在 10 個分支管中，以其中管段 1 為例，進(jìn)行管徑選取，通過表1 的虹吸雨水管（HDPE 材質(zhì)）的載荷數(shù)值，可以得到圖5 的管段 1 的軸側(cè)系統(tǒng)圖，及其對應(yīng)管道的設(shè)計參數(shù)。

表1 虹吸雨水管（HDPE材質(zhì)）荷載表 單位：kg/m

圖5 虹吸雨水管管段 1 的軸側(cè)系統(tǒng)圖

同理可得其余 9 個分支管的管段設(shè)計參數(shù)，管段大小、支架類型、管道布置圖均需匹配建筑及結(jié)構(gòu)圖紙。

3 虹吸雨水系統(tǒng)施工要點

（1）雨水斗選型要點。雨水斗的選型和安裝，是能否及時阻擋空氣進(jìn)入到雨水管內(nèi)，加快雨水排出的關(guān)鍵。本項目選取了防漩渦整流和空氣擋板一體化的雨水斗，極大限度地排除了雨水進(jìn)入系統(tǒng)時所夾帶的空氣量，只需要很低的斗前水位就能快速形成虹吸現(xiàn)象。

（2） 雨水斗安裝施工要點。①屋面的做法一般按土建相關(guān)圖集設(shè)計施工，其中的篦子為成品件，或用鋼制篦子代替；②雨水斗必須注重防滲漏措施，安裝時，需將自粘密封圈、防水卷材鋪貼在底座上，必須用固定螺栓把防水壓環(huán)壓緊避免滲漏，并用防水密封膏做封邊處理；③如采用非預(yù)埋安裝時，雨水斗安裝完成后，斗體四周需用水泥砂漿或其他密實材料填充，不得存有縫隙，消除滲漏隱患。

（3） 管道固定懸吊系統(tǒng)施工要點。固定懸掛系統(tǒng)包括與管道平行的方形鋼導(dǎo)軌、管道與方形鋼導(dǎo)軌間的連接管卡，固定鋼導(dǎo)軌的吊架、方形鋼導(dǎo)軌接合器、利用錨固管卡安裝的管道的固定點等部分。作為虹吸雨水排放系統(tǒng)的輔助部分，固定懸吊系統(tǒng)同時也是對系統(tǒng)的穩(wěn)定起到至關(guān)重要作用的部件。在剛性安裝的排水系統(tǒng)中，管道及部件不可避免的熱脹冷縮，聚集的應(yīng)力會造成建筑結(jié)構(gòu)造成破壞。無論是下水過程動載荷帶來的外力，還是自身的靜載荷，以及自身熱脹冷縮引起的應(yīng)力，都由連接件傳至方形導(dǎo)軌，大部分進(jìn)行了應(yīng)力緩沖消除，因此降低了對建筑結(jié)構(gòu)的影響。虹吸雨水管道室內(nèi)部分施工必須在二結(jié)構(gòu)完成后，吊頂封閉前，進(jìn)行安裝就位，并按要求進(jìn)行灌水試驗，確保管道連接處無滲漏，管內(nèi)垃圾已清除。同時現(xiàn)場需要匹配相應(yīng)的抗震支架設(shè)置，避免與之干涉。圖6 為吊頂施工前已經(jīng)安裝完成的虹吸雨水管道。

圖6 管道固定懸吊系統(tǒng)現(xiàn)場實物圖

4 結(jié) 語

上海臨港某科技創(chuàng)新城項目 13 090 m2的裙房屋面采用虹吸雨水系統(tǒng)，作為沿海地區(qū)，每逢臺風(fēng)攜帶大雨來襲，是最考驗建筑物排水（雨水）能力的時候。

2020 年 8 月 4-5 日，臺風(fēng)黑格比的大風(fēng)大雨對上海造成影響，極端過程雨量達(dá)到了 176 mm（浦江第三小學(xué)氣象觀測站測得）。2021 年 7 月 24-27 日第 6 號臺風(fēng)攜帶大雨來襲，累計雨量達(dá)到163.9（崇明）～416.5（金山）。這兩個超強(qiáng)臺風(fēng)造成上海各個區(qū)域路面大面積積水，而本項目擁有超大面積裙房屋面，積水問題最為嚴(yán)峻。本工程依靠強(qiáng)大的虹吸雨水系統(tǒng)的排水能力，在沿海直面臺風(fēng)的第一線，經(jīng)受住了雨水的侵襲，積水情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于預(yù)期，依據(jù)當(dāng)時記錄的數(shù)據(jù)，屋面積水在最大雨量情況下，也未超過 5 cm，避免了雨水倒灌進(jìn)辦公區(qū)域，很好地保證了整個建筑物的排水能力。