某特殊造型屋顶雨水排放设计比较

1 引言

随着现代建筑领域的飞速发展，特殊造型屋面层出不穷，而屋面排水方式、排水效能一直是建筑行业的研究重点，其对屋面排水系统的发展至关重要。 目前，我国常用的雨水排水系统主要有半有压流和虹吸式屋面排水系统。 这两种排水系统的排水原理和效率各有差异， 至于在新建工程中运用哪种雨水排放方式既能够安全有效排水，又能降低工程成本、节约能耗，是越来越多研究者关注的热点问题。 本文结合北京师范大学珠海理工校区音乐厅特殊屋顶特点， 比较半有压流雨水系统和虹吸式雨水系统这两种雨水排放方式的排放流量、 雨水管径，为今后屋面雨水排水系统的选择提供参考依据。

2 项目概况

北京师范大学珠海理工校区为新建校区， 位于广东省珠海市。 其中音乐厅位于校园西端理工综合体前广场中心位置，是学校的观演建筑。 音乐厅还包含接待室、展厅、多功能厅及其配套房间，总建筑面积为8 936.17 m2，地下1 层，地上3 层，建筑总高20.65 m。

2.1 屋面特点分析

该音乐厅屋面跨度较大， 约为62.4 m， 屋面总汇水面积（水平投影面积）约为2 525 m2。 其屋顶造型独特，类似于一个三边形的“伞状”结构，屋顶中间高，周围低，坡度向三边发散；天沟在伞弧外侧， 任何情况下都能够保证雨水汇集到音乐厅以外的区域，即使发生溢流，也仅仅落到外围的地面。 音乐厅侧面效果图如图1 所示，俯视效果图如图2 所示。

图1 音乐厅侧面效果图

图2 音乐厅俯视效果图

本建筑屋面造型特殊，标高关系极其复杂，屋面最高点标高为20.50 m，最低点标高为1.05 m，倾斜度非常大，雨水立管位置受限，为雨水的收集和排放增加了很大难度。 音乐厅东南立面图如图3 所示。

图3 音乐厅东南立面图

2.2 屋面雨水排水系统设计比较

半有压流排水系统：是指我国传统的屋面雨水排放方式，管网水流中掺有空气， 是介于无压流和有压流之间的过渡流态。该系统由雨水斗、连接管、悬吊管和立管组成，主要采用87型系列雨水斗[1]。该系统在我国应用普遍，适用于各种民用、工业建筑，并在长期的应用中积攒了丰富的经验。

虹吸式雨水排水系统： 是在传统重力流系统的基础上发展起来的一种新式雨水排水系统，由雨水斗、悬吊管、雨水立管、 埋地雨水管和出户管组成。 其原理是当屋面雨水量较小时， 系统悬吊管内雨水以重力流方式流动， 当雨水量逐渐增大，水深达到额定斗前水深时，雨水进入具有气水分离功能的虹吸雨水斗， 雨水从悬吊管下跌进入立管， 顺势产生管道负压，形成虹吸作用，屋顶的雨水在巨大的抽吸作用下会以较高的流速排到室外[2-3]。如果屋面面积较大（超过10 000 m2），且屋面造型不适合设计较多的雨水斗， 并要求在短时间内将雨水快速排出时，采用虹吸式雨水系统比较适用。 目前，该系统广泛应用于大型厂房、机场和商场类建筑。

基于以上两种系统的优缺点比较， 结合北京师范大学珠海校区音乐厅屋面特点， 雨水系统最终设计采用半有压流排水系统，该系统运行简单、经济，更适用于小型屋面。

3 屋面雨水水量计算

3.1 暴雨重现期的选取

根据GB 50015—2019《建筑给水排水设计标准》表5.2.4[4]，重要公共建筑屋面雨水排水管道，设计按常用系统雨水的排水流量不小于10 年设计重现期， 常用系统和溢流系统合计雨水的排水流量不小于100 年设计重现期。 因此，本次设计分别选取重现期P 为10 a、50 a、100 a 对两种排水系统进行对比分析。

3.2 划分汇水面积及边界

根据屋面面积、形状、坡向和标高关系，将该项目屋面划分为3 个汇水分区，如图4 所示。 不同汇水分区面积相等，坡度相同，每个汇水分区的面积均按水平投影面积计算，为841.67 m2。

图4 屋面汇水分区及天沟布置示意图

3.3 天沟及汇水箱的设置

下雨时整个音乐厅屋顶的雨水会随着屋面的坡度向三边流动，因此，分别在屋顶的三边设置天沟，如图4 所示。 两条粉色线围起来的一圈是天沟， 天沟长度按屋顶三边的延展长度计，每条天沟长约62.33 m，天沟坡度为0.5%。 由于音乐厅屋面曲度较大，雨水降落后为防止扬水，屋面天沟截面设计难度较大，经历了几番讨论最终天沟截面按梯形进行设置，并在屋面设置50 mm 挡水板， 降雨量小时可以有效收集雨水防止外溢，天沟截面如图5 所示。

根据屋面造型，天沟交汇处设置类似锥形的异型汇水箱，方便雨水的收集。

3.4 确定雨水斗的数量及立管位置

根据CJJ 142—2014 《建筑屋面雨水排水系统技术规程》第3.4.10 条[5]，结合屋面汇水结构、天沟长度、雨水斗的额定流量等参数，初步确定了每个汇水分区的雨水斗位置在屋顶3 个最低点处。 每个顶点分别设置两个雨水斗（半有压流排水系统设置87 型雨水斗，虹吸式雨水系统设置虹吸式雨水斗），如图6 所示。红色部分为天沟，黄色部分为异型汇水箱，白色部分为雨水斗。

图6 雨水斗位置示意图

雨水斗安装在异型汇水箱底部， 同时设置排水横管连接两个雨水斗和立管（沿柱子设置），如图7 所示，该图片仅为屋面标高为1.05 m 时的雨水斗和立管安装示意图， 具体做法由建筑和施工团队决定。

图7 雨水排水管示意图

3.5 屋面雨水水量计算

本项目采用珠海市暴雨强度公式：

式中，q 为设计暴雨强度，L/（s·hm2）；P 为设计重现期，a；t 为设计降雨历时，建筑屋面取5 min。

式中，Q 为设计雨水流量，L/s；k 为汇水系数，坡度大于2.5%的斜屋面或采用天沟集水时，设计雨水流量应乘以系数1.5；q 为设计暴雨强度，L/（s·hm2）；ψ 为径流系数，这里是沥青屋面，取1.0；F 为汇水面积，m2。

将不同重现期P=10 a、50 a、100 a，代入式（1）进行计算，得出不同重现期下的暴雨强度q，再代入式（2），得到不同重现期屋面雨水设计流量，不同重现期屋面雨水设计流量见表1。

表1 不同重现期屋面雨水设计流量

4 屋面排水方案分析

4.1 半有压流排水系统

结合表1 计算出的不同重现期屋面雨水设计流量，查《建筑给水排水设计标准》，87 型雨水斗的规格为200 mm 时，雨水斗的最大排水量在40~56 L/s，仅可满足10 a、50 a、100 a 重现期时每个排水点的雨水流量排放要求。 因此本设计在降雨重现期为10 a、50 a、100 a 都选择规格为200 mm 的87 型雨水斗。

根据《建筑给水排水设计手册》（上册）（第三版）[6]，连接管管径不用计算，一般选用与87 型雨水斗出水口相同的直径，多斗悬吊管管径根据其最大排水能力选取，立管的设计流量一般为连接的各悬吊管设计流量之和，综合不同重现期每个排水点的雨水量，选出了半有压流排水系统各部分管径，见表2。

表2 不同重现期半有压流排水系统各部分管径选取表

由表2 可知，重现期为10 a、50 a、100 a 时，该屋面采用半有压流排水系统排放雨水时， 设计选用的87 型雨水斗规格均为200 mm，连接管管径均为200 mm，悬吊管管径均为250 mm，立管管径均为250 mm，较常规屋面雨水排水管，本屋面雨水排放管均为大管径雨水管。

4.2 虹吸式雨水排水系统

系统设计：（1）构建屋面雨水管网，绘制水力计算图，如图8 所示， 对各管段及节点进行编号， 并标注每个管段管长L；（2） 计算管径， 利用单位管长压力损失值筛选各个管段管径值，其中立管与排出管依据对应控制流量选择管径；（3）计算各个管段沿程水头损失、 局部阻力损失以及管道流速和各个管道节点压力值，将所得结果与排水系统水力需求对比，若不满足水力需求则调整系统管段管径，直到满足要求。

图8 虹吸雨水系统水力系统设计示意图

虹吸式雨水排水系统设计过程中参量应该依据满管压力流情况逐一计算。

1）屋面设计雨水量Q采用表1 中的数值。

2）虹吸式雨水排水系统能够利用的最大压力值E

式中，H 为排水系统能够利用的最大水头高度；ρ 为雨水密度；g 为重力加速度；α 为盈利系数。

3）管路等效长度L0

式中，L 为设计长度；k＇为管件阻力系数。

4）局部阻力损失值Zj

式中，T 为管道阻力系数；v 为断面雨水流速；a 为压力转换系数。

5）沿程阻力损失值ZL

式中，R 为单位长度阻力损失值。

6）系统管道总阻力水头的损失值Z＇

7）单位长度阻力损失值R

式中，c 为管材系数；Dj为管道内径。

8）系统管道某断面位置压力值p

式中，h 为雨水斗的顶面到断面之间高度差值；Zx-2为雨水斗的顶面到断面之间阻力损失邻域值。

9）系统节点压差Δp

式中，v1为系统排水管流速；Z 为系统排水阻力损失邻域值。

根据式（3）~式（10），结合水力计算图计算，得到不同重现期虹吸式雨水排水系统计算结果，见表3。

表3 不同重现期虹吸式雨水排水系统计算表

根据计算结果，一般会在节点5 处出现最大负压，不同重现期的最大负压值为-40.70 kPa、-34.13 kPa、-43.34 kPa，在节点6 处会产生最大正压，不同重现期的最大正压值为16.83 kPa、29.51 kPa、18 kPa，与实际情况相符。

在虹吸雨水系统的计算方法下，可知各个管段的管径，其中悬吊管管径和立管管径在10 年一遇时分别选取160 mm、160 mm，在50 年一遇时分别选取200 mm、200 mm，在100 年一遇时分别选取200 mm、200 mm，排出管管径均为315 mm。

4.3 半有压流和虹吸流排水系统比较

通过计算可知，在不同降雨重现期下，相同屋面、相同汇水分区且雨水斗的位置数量相同时，虹吸式雨水排水系统各个部位的管径均小于半有压排水系统。 重现期为10 年一遇时虹吸式雨水排水系统悬吊管管径为160 mm， 小于半有压流排水系统的悬吊管管径200 mm，重现期为50 年一遇时虹吸式雨水排水系统悬吊管管径为200 mm， 小于半有压流排水系统的悬吊管管径250 mm， 重现期为100 年一遇时虹吸式雨水排水系统悬吊管管径为200 mm， 小于半有压流排水系统的悬吊管管径250 mm，总体来讲两种排水方式各部位管径相差不大。

尽管虹吸式雨水排水系统比半有压式排水系统优势显著，但该系统在应用上仍存在一些不可避免的问题。 首先，在雨水量较少时，系统排水管道达不到满管有压流态，很难形成虹吸效应，因此会影响排水效果，管道容易积水；其次，水力计算不精确会造成一定的误差，从而浪费一定程度上的人力、物力；最后，虹吸式雨水排水系统在应用时要求建筑屋面有一定的高度，它在大型建筑和异型建筑中应用效果良好，但在低层建筑中应用时不能充分发挥其优势。

考虑北师珠音乐厅屋面面积不大（5 000 m2以内），屋面排水点较低（小于或等于5 m）且雨水立管有合适的空间可以设置，因此，选用半有压流排水系统，该系统运行简单，操作灵活，更适用于本屋面。

5 结论和启示