1 引言

隨著現(xiàn)代建筑領(lǐng)域的飛速發(fā)展，特殊造型屋面層出不窮，而屋面排水方式、排水效能一直是建筑行業(yè)的研究重點(diǎn)，其對(duì)屋面排水系統(tǒng)的發(fā)展至關(guān)重要。 目前，我國常用的雨水排水系統(tǒng)主要有半有壓流和虹吸式屋面排水系統(tǒng)。 這兩種排水系統(tǒng)的排水原理和效率各有差異， 至于在新建工程中運(yùn)用哪種雨水排放方式既能夠安全有效排水，又能降低工程成本、節(jié)約能耗，是越來越多研究者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。 本文結(jié)合北京師范大學(xué)珠海理工校區(qū)音樂廳特殊屋頂特點(diǎn)， 比較半有壓流雨水系統(tǒng)和虹吸式雨水系統(tǒng)這兩種雨水排放方式的排放流量、 雨水管徑，為今后屋面雨水排水系統(tǒng)的選擇提供參考依據(jù)。

2 項(xiàng)目概況

北京師范大學(xué)珠海理工校區(qū)為新建校區(qū)， 位于廣東省珠海市。 其中音樂廳位于校園西端理工綜合體前廣場中心位置，是學(xué)校的觀演建筑。 音樂廳還包含接待室、展廳、多功能廳及其配套房間，總建筑面積為8 936.17 m2，地下1 層，地上3 層，建筑總高20.65 m。

2.1 屋面特點(diǎn)分析

該音樂廳屋面跨度較大， 約為62.4 m， 屋面總匯水面積（水平投影面積）約為2 525 m2。 其屋頂造型獨(dú)特，類似于一個(gè)三邊形的“傘狀”結(jié)構(gòu)，屋頂中間高，周圍低，坡度向三邊發(fā)散；天溝在傘弧外側(cè)， 任何情況下都能夠保證雨水匯集到音樂廳以外的區(qū)域，即使發(fā)生溢流，也僅僅落到外圍的地面。 音樂廳側(cè)面效果圖如圖1 所示，俯視效果圖如圖2 所示。

圖1 音樂廳側(cè)面效果圖

圖2 音樂廳俯視效果圖

本建筑屋面造型特殊，標(biāo)高關(guān)系極其復(fù)雜，屋面最高點(diǎn)標(biāo)高為20.50 m，最低點(diǎn)標(biāo)高為1.05 m，傾斜度非常大，雨水立管位置受限，為雨水的收集和排放增加了很大難度。 音樂廳東南立面圖如圖3 所示。

圖3 音樂廳東南立面圖

2.2 屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較

半有壓流排水系統(tǒng)：是指我國傳統(tǒng)的屋面雨水排放方式，管網(wǎng)水流中摻有空氣， 是介于無壓流和有壓流之間的過渡流態(tài)。該系統(tǒng)由雨水斗、連接管、懸吊管和立管組成，主要采用87型系列雨水斗[1]。該系統(tǒng)在我國應(yīng)用普遍，適用于各種民用、工業(yè)建筑，并在長期的應(yīng)用中積攢了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

虹吸式雨水排水系統(tǒng)： 是在傳統(tǒng)重力流系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新式雨水排水系統(tǒng)，由雨水斗、懸吊管、雨水立管、 埋地雨水管和出戶管組成。 其原理是當(dāng)屋面雨水量較小時(shí)， 系統(tǒng)懸吊管內(nèi)雨水以重力流方式流動(dòng)， 當(dāng)雨水量逐漸增大，水深達(dá)到額定斗前水深時(shí)，雨水進(jìn)入具有氣水分離功能的虹吸雨水斗， 雨水從懸吊管下跌進(jìn)入立管， 順勢產(chǎn)生管道負(fù)壓，形成虹吸作用，屋頂?shù)挠晁诰薮蟮某槲饔孟聲?huì)以較高的流速排到室外[2-3]。如果屋面面積較大（超過10 000 m2），且屋面造型不適合設(shè)計(jì)較多的雨水斗， 并要求在短時(shí)間內(nèi)將雨水快速排出時(shí)，采用虹吸式雨水系統(tǒng)比較適用。 目前，該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于大型廠房、機(jī)場和商場類建筑。

基于以上兩種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較， 結(jié)合北京師范大學(xué)珠海校區(qū)音樂廳屋面特點(diǎn)， 雨水系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)采用半有壓流排水系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)行簡單、經(jīng)濟(jì)，更適用于小型屋面。

3 屋面雨水水量計(jì)算

3.1 暴雨重現(xiàn)期的選取

根據(jù)GB 50015—2019《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》表5.2.4[4]，重要公共建筑屋面雨水排水管道，設(shè)計(jì)按常用系統(tǒng)雨水的排水流量不小于10 年設(shè)計(jì)重現(xiàn)期， 常用系統(tǒng)和溢流系統(tǒng)合計(jì)雨水的排水流量不小于100 年設(shè)計(jì)重現(xiàn)期。 因此，本次設(shè)計(jì)分別選取重現(xiàn)期P 為10 a、50 a、100 a 對(duì)兩種排水系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2 劃分匯水面積及邊界

根據(jù)屋面面積、形狀、坡向和標(biāo)高關(guān)系，將該項(xiàng)目屋面劃分為3 個(gè)匯水分區(qū)，如圖4 所示。 不同匯水分區(qū)面積相等，坡度相同，每個(gè)匯水分區(qū)的面積均按水平投影面積計(jì)算，為841.67 m2。

圖4 屋面匯水分區(qū)及天溝布置示意圖

3.3 天溝及匯水箱的設(shè)置

下雨時(shí)整個(gè)音樂廳屋頂?shù)挠晁畷?huì)隨著屋面的坡度向三邊流動(dòng)，因此，分別在屋頂?shù)娜呍O(shè)置天溝，如圖4 所示。 兩條粉色線圍起來的一圈是天溝， 天溝長度按屋頂三邊的延展長度計(jì)，每條天溝長約62.33 m，天溝坡度為0.5%。 由于音樂廳屋面曲度較大，雨水降落后為防止揚(yáng)水，屋面天溝截面設(shè)計(jì)難度較大，經(jīng)歷了幾番討論最終天溝截面按梯形進(jìn)行設(shè)置，并在屋面設(shè)置50 mm 擋水板， 降雨量小時(shí)可以有效收集雨水防止外溢，天溝截面如圖5 所示。

根據(jù)屋面造型，天溝交匯處設(shè)置類似錐形的異型匯水箱，方便雨水的收集。

3.4 確定雨水斗的數(shù)量及立管位置

根據(jù)CJJ 142—2014 《建筑屋面雨水排水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》第3.4.10 條[5]，結(jié)合屋面匯水結(jié)構(gòu)、天溝長度、雨水斗的額定流量等參數(shù)，初步確定了每個(gè)匯水分區(qū)的雨水斗位置在屋頂3 個(gè)最低點(diǎn)處。 每個(gè)頂點(diǎn)分別設(shè)置兩個(gè)雨水斗（半有壓流排水系統(tǒng)設(shè)置87 型雨水斗，虹吸式雨水系統(tǒng)設(shè)置虹吸式雨水斗），如圖6 所示。紅色部分為天溝，黃色部分為異型匯水箱，白色部分為雨水斗。

圖6 雨水斗位置示意圖

雨水斗安裝在異型匯水箱底部， 同時(shí)設(shè)置排水橫管連接兩個(gè)雨水斗和立管（沿柱子設(shè)置），如圖7 所示，該圖片僅為屋面標(biāo)高為1.05 m 時(shí)的雨水斗和立管安裝示意圖， 具體做法由建筑和施工團(tuán)隊(duì)決定。

圖7 雨水排水管示意圖

3.5 屋面雨水水量計(jì)算

本項(xiàng)目采用珠海市暴雨強(qiáng)度公式：

式中，q 為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/（s·hm2）；P 為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a；t 為設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)，建筑屋面取5 min。

式中，Q 為設(shè)計(jì)雨水流量，L/s；k 為匯水系數(shù)，坡度大于2.5%的斜屋面或采用天溝集水時(shí)，設(shè)計(jì)雨水流量應(yīng)乘以系數(shù)1.5；q 為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/（s·hm2）；ψ 為徑流系數(shù)，這里是瀝青屋面，取1.0；F 為匯水面積，m2。

將不同重現(xiàn)期P=10 a、50 a、100 a，代入式（1）進(jìn)行計(jì)算，得出不同重現(xiàn)期下的暴雨強(qiáng)度q，再代入式（2），得到不同重現(xiàn)期屋面雨水設(shè)計(jì)流量，不同重現(xiàn)期屋面雨水設(shè)計(jì)流量見表1。

表1 不同重現(xiàn)期屋面雨水設(shè)計(jì)流量

4 屋面排水方案分析

4.1 半有壓流排水系統(tǒng)

結(jié)合表1 計(jì)算出的不同重現(xiàn)期屋面雨水設(shè)計(jì)流量，查《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，87 型雨水斗的規(guī)格為200 mm 時(shí)，雨水斗的最大排水量在40~56 L/s，僅可滿足10 a、50 a、100 a 重現(xiàn)期時(shí)每個(gè)排水點(diǎn)的雨水流量排放要求。 因此本設(shè)計(jì)在降雨重現(xiàn)期為10 a、50 a、100 a 都選擇規(guī)格為200 mm 的87 型雨水斗。

根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》（上冊(cè)）（第三版）[6]，連接管管徑不用計(jì)算，一般選用與87 型雨水斗出水口相同的直徑，多斗懸吊管管徑根據(jù)其最大排水能力選取，立管的設(shè)計(jì)流量一般為連接的各懸吊管設(shè)計(jì)流量之和，綜合不同重現(xiàn)期每個(gè)排水點(diǎn)的雨水量，選出了半有壓流排水系統(tǒng)各部分管徑，見表2。

表2 不同重現(xiàn)期半有壓流排水系統(tǒng)各部分管徑選取表

由表2 可知，重現(xiàn)期為10 a、50 a、100 a 時(shí)，該屋面采用半有壓流排水系統(tǒng)排放雨水時(shí)， 設(shè)計(jì)選用的87 型雨水斗規(guī)格均為200 mm，連接管管徑均為200 mm，懸吊管管徑均為250 mm，立管管徑均為250 mm，較常規(guī)屋面雨水排水管，本屋面雨水排放管均為大管徑雨水管。

4.2 虹吸式雨水排水系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)：（1）構(gòu)建屋面雨水管網(wǎng)，繪制水力計(jì)算圖，如圖8 所示， 對(duì)各管段及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)， 并標(biāo)注每個(gè)管段管長L；（2） 計(jì)算管徑， 利用單位管長壓力損失值篩選各個(gè)管段管徑值，其中立管與排出管依據(jù)對(duì)應(yīng)控制流量選擇管徑；（3）計(jì)算各個(gè)管段沿程水頭損失、 局部阻力損失以及管道流速和各個(gè)管道節(jié)點(diǎn)壓力值，將所得結(jié)果與排水系統(tǒng)水力需求對(duì)比，若不滿足水力需求則調(diào)整系統(tǒng)管段管徑，直到滿足要求。

圖8 虹吸雨水系統(tǒng)水力系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

虹吸式雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中參量應(yīng)該依據(jù)滿管壓力流情況逐一計(jì)算。

1）屋面設(shè)計(jì)雨水量Q采用表1 中的數(shù)值。

2）虹吸式雨水排水系統(tǒng)能夠利用的最大壓力值E

式中，H 為排水系統(tǒng)能夠利用的最大水頭高度；ρ 為雨水密度；g 為重力加速度；α 為盈利系數(shù)。

3）管路等效長度L0

式中，L 為設(shè)計(jì)長度；k＇為管件阻力系數(shù)。

4）局部阻力損失值Zj

式中，T 為管道阻力系數(shù)；v 為斷面雨水流速；a 為壓力轉(zhuǎn)換系數(shù)。

5）沿程阻力損失值ZL

式中，R 為單位長度阻力損失值。

6）系統(tǒng)管道總阻力水頭的損失值Z＇

7）單位長度阻力損失值R

式中，c 為管材系數(shù)；Dj為管道內(nèi)徑。

8）系統(tǒng)管道某斷面位置壓力值p

式中，h 為雨水斗的頂面到斷面之間高度差值；Zx-2為雨水斗的頂面到斷面之間阻力損失鄰域值。

9）系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)壓差Δp

式中，v1為系統(tǒng)排水管流速；Z 為系統(tǒng)排水阻力損失鄰域值。

根據(jù)式（3）~式（10），結(jié)合水力計(jì)算圖計(jì)算，得到不同重現(xiàn)期虹吸式雨水排水系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果，見表3。

表3 不同重現(xiàn)期虹吸式雨水排水系統(tǒng)計(jì)算表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，一般會(huì)在節(jié)點(diǎn)5 處出現(xiàn)最大負(fù)壓，不同重現(xiàn)期的最大負(fù)壓值為-40.70 kPa、-34.13 kPa、-43.34 kPa，在節(jié)點(diǎn)6 處會(huì)產(chǎn)生最大正壓，不同重現(xiàn)期的最大正壓值為16.83 kPa、29.51 kPa、18 kPa，與實(shí)際情況相符。

在虹吸雨水系統(tǒng)的計(jì)算方法下，可知各個(gè)管段的管徑，其中懸吊管管徑和立管管徑在10 年一遇時(shí)分別選取160 mm、160 mm，在50 年一遇時(shí)分別選取200 mm、200 mm，在100 年一遇時(shí)分別選取200 mm、200 mm，排出管管徑均為315 mm。

4.3 半有壓流和虹吸流排水系統(tǒng)比較

通過計(jì)算可知，在不同降雨重現(xiàn)期下，相同屋面、相同匯水分區(qū)且雨水斗的位置數(shù)量相同時(shí)，虹吸式雨水排水系統(tǒng)各個(gè)部位的管徑均小于半有壓排水系統(tǒng)。 重現(xiàn)期為10 年一遇時(shí)虹吸式雨水排水系統(tǒng)懸吊管管徑為160 mm， 小于半有壓流排水系統(tǒng)的懸吊管管徑200 mm，重現(xiàn)期為50 年一遇時(shí)虹吸式雨水排水系統(tǒng)懸吊管管徑為200 mm， 小于半有壓流排水系統(tǒng)的懸吊管管徑250 mm， 重現(xiàn)期為100 年一遇時(shí)虹吸式雨水排水系統(tǒng)懸吊管管徑為200 mm， 小于半有壓流排水系統(tǒng)的懸吊管管徑250 mm，總體來講兩種排水方式各部位管徑相差不大。

盡管虹吸式雨水排水系統(tǒng)比半有壓式排水系統(tǒng)優(yōu)勢顯著，但該系統(tǒng)在應(yīng)用上仍存在一些不可避免的問題。 首先，在雨水量較少時(shí)，系統(tǒng)排水管道達(dá)不到滿管有壓流態(tài)，很難形成虹吸效應(yīng)，因此會(huì)影響排水效果，管道容易積水；其次，水力計(jì)算不精確會(huì)造成一定的誤差，從而浪費(fèi)一定程度上的人力、物力；最后，虹吸式雨水排水系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)要求建筑屋面有一定的高度，它在大型建筑和異型建筑中應(yīng)用效果良好，但在低層建筑中應(yīng)用時(shí)不能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

考慮北師珠音樂廳屋面面積不大（5 000 m2以內(nèi)），屋面排水點(diǎn)較低（小于或等于5 m）且雨水立管有合適的空間可以設(shè)置，因此，選用半有壓流排水系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)行簡單，操作靈活，更適用于本屋面。

5 結(jié)論和啟示