摘要: 隨著近年來我國經濟和社會的快速發展，建筑屋面的造型千姿百態豐富多彩，各種大面積的場館、現代工業廠房在全國各地大量興建，這些建筑往往氣勢宏偉、美觀實用，但隨之也帶來了大或超大屋面雨水排水系統設計的問題。此前，我國的屋面排水系統按重力流設計，但是，重力流雨水排水系統受其水力特性的限制，已經不能適應這些工程的需要。文章分析了壓力流(虹吸式)屋面雨水排水系統設計中，對建筑類型、管材、系統余量、天溝、溢流等方面應注意的問題。

　　關鍵詞:屋面雨水排水系統,壓力流(虹吸式),管材,天溝,溢流

　　0 前言

　　虹吸式屋面雨水排放系統，利用屋面與地面之間的勢能，屋面雨水在管道內負壓的抽吸作用下以較高的流速排至室外。降雨來臨時，屋面逐漸形成積水，由于采用了科學設計的氣水分離虹吸式雨水斗，當屋面雨水高度達到設計的斗前水位時，雨水連續通過連接管、水平懸吊管，經立管跌落時形成虹吸作用，使得系統中排水管道呈滿管壓力流狀態，迅速排除至市政管網。

　　1 虹吸系統的適用范圍

　　虹吸系統相對于傳統的重力系統，其最大的優勢在于節省安裝空間、立管數量和管徑，較能符合建筑美觀的要求，尤其在大空間大跨度的建筑物中，虹吸系統經濟性較優的特點愈發顯著。

　　但并不是所有類型的建筑都適合采用虹吸系統，從虹吸系統的計算原理來看，當系統設置的高度較低時，可利用的水位勢能很小，滿足不了管道自凈設計流速所需的勢能要求，所以層高較低的建筑不宜采用虹吸系統。《虹吸式屋面雨水排水系統技術規程))(CECS183：2005)3.3.2條規定：雨水斗頂面至過渡段的高差，在立管管徑不大于DN75時，宜大于3米;在立管管徑不小于DN90時，宜大于5米;《建筑與小區雨水利用工程技術規范》(GB50400--2006)5.4.9條也有相應的規定。

　　當塔樓面積只有2000～3000m2，且建筑高度較高(大于50m)時，例如高層或超高層的酒店、辦公類建筑，這時采用虹吸系統，在節省立管數量上的優勢已不明顯。而且系統內負壓變化較大，在立管底部會產生較大的正壓水頭，對管道的連接質量就有較高的要求，需要對該段管路進行加固或對整個系統進行消能設計，導致整個虹吸系統的造價比重力系統高出許多，因此，從經濟性而言，對于該類建筑物選擇虹吸系統時應慎重。

　　此外屋面標高不一、形式多樣、面積分布很不均勻的建筑物，不同高度、不同結構形式的屋面如果設置獨立的收集系統則工程造價較高，如果用同一個系統來收集，則會造成局部屋面難以形成虹吸，從而降低整個虹吸系統的工作效率。還有某些對聲學環境要求較高的場所，采用非金屬管道的虹吸系統，系統運行產生的噪聲可能對周圍環境有影響時，設計人員也必須給予足夠的重視。

　　2 虹吸系統管材的選擇

　　關于虹吸系統管材的選用，現階段常用的有不銹鋼管、離心澆鑄鑄鐵管和高密度聚乙烯(HDPE)管等，管材的選擇應根據不同建筑的特點和要求，綜合考慮系統的工作壓力、防火、降噪、安裝方便、經濟性等因素，表1為三種管材的優缺點比較。

　　表1三種不同管材優缺點比較

　　比較表1可知，鑄鐵管和HDPE管可用在一般的民用建筑或建筑裝修要求不高的場所，而不銹鋼管可用在重要的民用建筑或建筑裝修要求較高的場所。

　　根據建筑內各類場所的不同裝修要求，系統可選擇不同的管材，甚至在同一個虹吸系統中，在明露或外觀要求高的部分采用金屬管道，以達到美觀的要求，而在吊頂內的部分采用塑料管道，以節省工程造價，不同管材之間可采用卡箍連接，技術上已較成熟。另外為滿足施工進度的要求，可在虹吸系統招標前先行施工埋地部分的管道，待招標時再決定上部采用何種管材。這種混合使用不同管材的工程并不少見，值得注意的是各種材質管道的粗糙系數KS是不相同的，一般金屬管道K。為0.015～0.06，塑料管KS最大可到0.3～0.6，在使用軟件計算時應特別注意。

　　3 虹吸系統余量

　　虹吸系統水力計算的基礎是伯努里方程： (式中Z1、Z2為位置水頭，P1、P2為壓力， 為容重， 、 為流速，g為重力加速度，hw為水頭損失);本文把公式中的 項稱為虹吸系統余量，即虹吸系統終點的壓力水頭。

　　規范對系統余量的規定如下：《虹吸式屋面雨水排水系統技術規程》3.3.2條：虹吸式屋面雨水排水管系中，雨水斗至過渡段的總水頭損失(包括沿程水頭損失和局部水頭損失)與過渡段流速水頭之和不得大于雨水斗至過渡段的幾何高差;《建筑與小區雨水利用工程技術規范》5.4.8條：系統從始端雨水斗至排出口過渡段的總水頭損失與流出水頭之和，不得大于始端雨水斗至排出管終點處的室外地面的幾何高差。上述兩條規定的本質就是系統余量( )要≥O，兩者的區別是 的對應標高，前者是過渡段標高，后者是排出管終點處的室外地面標高。虹吸系統一般是把雨水排入室外雨水井，室外雨水管道的設計重現期多為2～5a，遠遠小于建筑物屋面虹吸系統的設計重現期，當虹吸系統達到設計流量時，室外雨水井經常是積滿水的，此時過渡段被淹沒，排水幾何高度就要扣除積水水位。因此筆者認為，對系統余量的規定還是GB50400—2006第5.4.8條比較確切，當然前提是系統的過渡段位置低于室外地面的高度，如果系統出口位置高于室外地面(這類情況工程中比較少見)，此時 ，的對應標高可取過渡段標高。

　　在施工圖深化設計過程中，考慮到施工現場配合有許多不確定因素，常出現由于管線綜合的原因需變更管道走向，在系統中增加彎頭、三通、變徑等配件，需要重新進行水力計算，因此在施工圖設計時宜控制系統余量( )≥10 kPa，而不是把系統余量用盡，這樣既可保證系統的工作狀況安全可靠，并給日后施工時的管線修改提供了較大的靈活性。

　　4 屋面天溝的計算和校核

　　屋面天溝雖然不是由虹吸系統專業承包商負責施工，但為使整個虹吸系統正常工作，給排水設計人員有必要積極配合建筑專業和專業承包商完成天溝的設計。虹吸系統的一大優勢就在于能對天溝內的水深進行精確計算并加以控制，這是傳統重力系統所無法估算的。天溝的準確計算可以防止天溝尺寸偏大造成浪費或者尺寸偏小造成天溝翻水。

　　首先不同規格的虹吸雨水斗有相應的最小天溝尺寸要求，天溝小于這個尺寸會造成雨水斗無法安裝或不能滿足虹吸水力進水條件。應在此規格基礎上，復核天溝的流量是否滿足雨水斗的排水流量。

　　平坡天溝的計算公式為：

　　(1)

　　式中 ——水平短溝的設計排水量，L/s;

　　——長溝的設計排水量，L/s;

　　——安全系數，取0.9;

　　——斷面系數;

　　Az——溝的有效斷面面積，mm2;

　　——深度系數;

　　——形狀系數;

　　LX——長溝容量系數。

　　具體計算可參見《建筑與小區雨水利用工程技術規范》5.2.5條、5.2.6條。若天溝流量《雨水斗流量，則應放大天溝尺寸重新計算，直至天溝流量》雨水斗流量。最終天溝尺寸需提交專業承包商進行復核。

　　此外虹吸系統完全依靠建筑物自身的高差所產生的壓力水頭實現快速排水，它通過整個管道系統的精確計算，控制各管段管徑得以在立管上產生負壓，形成抽吸作用。虹吸作用的形成依據系統的復雜程度而異，不是即刻產生，它需要一個管道的填充時間，以使整個懸吊管充滿水從而在立管上瞬間產生抽吸，形成虹吸。所以虹吸系統的初期需要依靠尾管的小虹吸排水，填充懸吊管，但該排水量有限，遠達不到設計雨量，這種情況下就要求天溝有一定尺寸用作調蓄容積，直到整個系統產生全虹吸，達到設計排量，天溝內水位就不再上升。所以懸吊管越長，填充管道所需的時間就越長，對系統就越不利，需要的天溝調蓄容積就越大。某工程一虹吸系統原天溝尺寸為800mm×380mm，經計算天溝流量已大于單個DNl25雨水斗設計流量，但由于該系統的懸吊管長度達到170多米，這對虹吸系統的設計極為不利。所以該工程經專業承包商復核后，把天溝尺寸改為1200mm×380mm，使該系統能更有效地排除屋面雨水。

　　5 溢流系統的設計

　　鑒于目前特殊性災害天氣日趨嚴重，為保證當超設計重現期的暴雨來臨時，建筑物仍然能安全并運作正常，必須考慮一定的溢流措施，以使超重現期的雨水能有途徑順利從屋面排走。常用的溢流措施有：設置溢流口(溢流管、溢流槽)、自然溢流、設置專用的溢流系統。

　　溢流流量即為超過重現期的雨水流量，例如上海某工程虹吸系統重現期取50a，設計暴雨強度q5=7.09 L/(S·100 m2)，溢流流量按100年一遇暴雨強度[q5=7.79 L/(S·100 m2)]校核，則溢流暴雨強度為0.7 L/(s·100 m2)。在計算溢流流量時應注意：①徑流系數取1;②側墻應按面積的1/2折算為匯水面積;③如有高屋面雨水溢流至低屋面情況，在計算低屋面匯水面積時應加入高屋面匯水面積。

　　根據屋面形式的不同確定相應的溢流措施，應優先采用溢流口形式。當天溝較淺且設置在金屬屋面外側時，可考慮超重現期雨水漫過天溝自然溢流至室外。當條件限制無法采用以上方式時。則考慮設置專用的溢流系統，可在天溝端部設一定高度的擋水板和雨水斗，當天溝內水位超過設計水位后，溢流雨水越過擋水板，溢流雨水斗開始排水。溢流系統可以是重力系統，也可以是虹吸系統。

　　以上是筆者對壓力流(虹吸式)屋面雨水排水系統設計過程中的一些體會，供同行討論和交流。