大跨度空间钢结构工程虹吸雨水系统施工研究

摘 要：虹吸雨水系统立管数量少、管道直径小、水平悬吊不需要坡度，能提供更大的装修自由空间，在异形钢柱大跨度钢结构屋面布置雨水斗的位置比较灵活等特点。基于此，研究了大跨度空间钢结构工程虹吸雨水系统的施工原理，总结其施工特点，结合其施工现状，提出相应的施工策略，以期为大跨度空间钢结构工程虹吸雨水系统的应用提供支持。

关键词：大跨度空间；钢结构工程；虹吸雨水系统

0 引言

大跨度空间钢结构工程作为一种现代化的建筑形式，因具有灵活性强、施工周期短、空间利用效率高等优势，逐渐得到了广泛应用。但由于其特殊的结构形式和施工方式，使得大跨度空间钢结构工程在雨水收集和利用方面存在一定的困难。而虹吸雨水系统作为一种有效的雨水收集和利用方式，具有较高的效率和经济性，因此在大跨度空间钢结构工程中，应用虹吸雨水系统具有重要意义。

1 大跨度空间钢结构工程虹吸雨水系统施工的原理

大跨度空间钢结构工程中，虹吸雨水系统的施工原理是基于虹吸原理和重力作用。在大跨度空间钢结构中，应用虹吸雨水系统旨在收集和利用雨水，实现雨水的排放和利用。

1.1 虹吸原理

虹吸原理是指利用液体在管道内的压力差，通过重力作用实现液体的流动。虹吸效应的产生需要满足两个条件：一是管道内的液体压力高于出口，以形成压力差；二是管道内的液体密度大于外界环境，以保持稳定的液体流动。在虹吸雨水系统中，通过设置合理的管道高度和倾斜角度，可使雨水在管道内形成一定的差度，利用虹吸效应实现雨水的自流。

1.2 重力作用

在大跨度空间钢结构中，雨水的收集和排放需要依靠重力作用。虹吸雨水系统的管道安装通常沿着斜坡或下坡方向布置，利用重力将雨水从高处引导到低处。通过合理设计管道的坡度和连通方式，可使得雨水能够顺利地流动，并达到预定的排放目的。

2 大跨度空间钢结构工程虹吸雨水系统施工注意事项

2.1 考虑管道的密封性

虹吸雨水系统需要负责收集和输送雨水，虹吸雨水系统的施工需要考虑管道的密封性，因此管道的密封性尤为重要。在施工过程中，需要使用高质量的密封材料，如橡胶密封圈或密封胶等，将管道的连接处进行密封，以防止漏水。还需要对管道进行严格地检查和测试，确保管道的密封性符合设计要求。

2.2 考虑管道的排放能力

虹吸雨水系统的施工中还需考虑管道的排放能力。大跨度空间钢结构工程通常是大型建筑物，雨水的收集和排放量较大，因此在虹吸雨水系统的施工中，需要合理设计和布置管道，以确保其排放能力能够满足实际需求。还需要进行流量计算和管道排放试验，以验证管道的排放能力和有效性。

2.3 考虑施工工艺的安全性

虹吸雨水系统的施工还需要考虑施工工艺的安全性和可操作性。在施工过程中，需要确保施工人员的安全，并采取相应的防护措施。施工工艺的可操作性也需要充分考虑，以确保施工的顺利进行[1]。

2.4 考虑建筑结构的特殊性

由于空间钢结构的大跨度和复杂性，施工时需要充分考虑结构的承载能力和稳定性。虹吸雨水系统的管道安装需要与结构紧密结合，避免对结构造成不利影响。在施工过程中需要进行详细的结构分析和施工方案设计，确保虹吸雨水系统的安装和结构的稳定性相协调。

2.5 重视材料的选择

在选择材料时，需要考虑材料的耐腐蚀性、耐压强度以及长期使用的可靠性。虹吸雨水系统需要负责收集和输送雨水，因此管道材料需要具备良好的密封性和耐久性，以防止漏水和管道老化。大跨度空间钢结构工程的施工周期较短，材料的选取还需要考虑施工的便捷性和效率。

2.6 注重质量的控制

在施工过程中，需要对施工质量进行严格把控，确保虹吸雨水系统的可靠性和穩定性。对于材料的选取、施工工艺的执行以及管道的安装等环节，需要进行严格检查和测试，及时发现和解决问题，以确保施工质量符合设计要求[2]。

3 大跨度空间钢结构工程虹吸雨水系统施工的难点

大跨度空间钢结构工程虹吸雨水系统施工是建筑工程中普遍采用的一种先进的雨水收集系统。该系统利用虹吸原理，将雨水从大跨度空间的屋面收集起来，通过管道输送至储水设施，以供后续利用或排放。目前，该系统在施工过程中面临着一些挑战和问题，但在不断地研究和实践中，已取得了一定的进展。

3.1 合理安排屋面的排水方案

大跨度空间特殊性，屋面的形状和结构复杂多样，为此需要针对不同的情况制定相应的排水方案。在设计阶段，需要考虑到屋面的坡度、排水口的数量和位置等因素，以确保雨水能够顺利地进入虹吸管道。在施工过程中，需要严格按照设计方案进行安装和调试，确保每一个排水口和管道的连接牢固可靠。

3.2 解决管道的布局和连接问题

大跨度空间的结构复杂，管道的布局需要充分考虑结构的稳定性和管道的通畅性。在设计阶段，需要通过模拟和计算，确定管道的最佳布局方案。在施工过程中，需要采用合适的施工工艺和方法，保证管道的安装质量。还需要注意管道的连接问题，确保连接处的密封性和稳固性，以防止雨水泄漏或管道断裂。

3.3 解决储水容量和结构的问题

由于大跨度空间的屋面面积较大，储水设施的容量需要满足一定的需求。在设计阶段，需要根据实际情况确定储水设施的容量和形状。在施工过程中，需要选择适合的材料和施工工艺，确保储水设施的结构稳定和密封性良好。还需要考虑储水设施的排水和清洁问题，以保证水质的安全和卫生。

3.4 解决其他的技术难题及安全问题

在大跨度空间钢结构工程虹吸雨水系统施工中，还需要解决一些技术难题和安全问题。例如，如何选择合适的材料和设备，如何进行管道的维护和清洁，如何保证系统的安全运行等。这些问题需要设计和施工团队共同努力，通过不断地实践和改进，找到最佳的解决方案[3]。

4 大跨度空间钢结构工程虹吸雨水系统施工的重点

4.1 设计阶段的重点

4.1.1 综合考虑屋面形状和结构特点

在设计阶段，需要充分考虑大跨度空间钢结构工程的屋面形状和结构特点，以确保虹吸雨水系统设计方案的有效性和操作便利性。对屋面形状进行分析，包括屋面的平面形状和高低起伏等，以确定最适合的虹吸雨水系统设计方案。根据屋面结构特点，如梁柱布局、支撑方式和材料等，考虑系统的结构安全性，并相应调整设计方案。

4.1.2 确定合理的排水方案

根据屋面的坡度、面积和雨水的流量，确定合理的排水方案。计算雨水的流量可以通过历史降雨数据和屋面面积来估算。根据屋面坡度和流量计算结果，确定排水口的数量和位置，确保雨水能够顺利进入虹吸管道。为保证系统的排水效果，应避免积水和堵塞现象的发生，确保排水畅通。

4.1.3 优化管道布局

针对大跨度空间的结构特点，通过模拟和计算，确定管道的最佳布局方案。考虑管道的走向，以确保雨水能够顺利流入储水设施。并合理安排管道的连接方式，以确保管道的通畅性和结构的稳定性。利用模拟软件进行流动分析，通过试验和实测数据，确定最佳的管道布局方案。

根据大跨度空间的屋面面积和雨水的收集需求，确定储水设施的容量。通过对降雨数据的分析，计算出雨水的总收集量，然后根据收集需求和系统的安全性要求，确定储水设施的容量。在确定容量时，还要考虑储水设施的结构稳定性和密封性，确保系统的可靠性[4]。

4.2 施工阶段的重点

4.2.1 选择合适的材料和设备

在选择材料和设备时，需要考虑系统的具体要求和施工环境。对于大跨度空间钢结构，选择适用的管道材料和连接件非常重要。例如，可以选择具有高强度和耐腐蚀性的不锈钢或者HDPE管，以确保管道的稳定性和耐久性。还需要选择适用于虹吸系统的泵站和控制设备，确保其性能和功能能够满足系统的要求。

4.2.2 严格按照设计方案施工

在施工过程中，严格按照设计方案进行施工是确保系统质量的重要步骤。要确保每一个排水口和管道的连接牢固可靠，避免漏水和渗漏问题的发生。施工人员需要遵循正确的安装步骤和技术要求，确保每一个储水设施的安装质量符合要求。确保使用正确的工具和施工方法，避免对材料和设备造成损坏。

4.2.3 进行系统的调试和测试

在施工完成后，进行系统地调试和测试是必要的。包括检查排水口和管道的通畅性，确保水流顺畅无阻。还需要测试储水设施的密封性和稳定性，确保其能够有效地储存和排放雨水。根据测试结果，可以对系统进行必要的调整和优化，以确保其性能和功能的完善。

4.2.4 培训施工人员

为了提高施工人员的专业素质和工作效率，必须对其进行培训，使其掌握虹吸雨水系统的施工特点和操作方法。培训内容可以包括系统的原理和工作流程、施工的安全和质量要求以及常见问题的解决方法等。通过培训，施工人员能够更好地理解和应用施工技术，提高工作的准确性和效率，确保施工工作的质量和进度[5]。

4.3 运维阶段的重点

4.3.1 定期检查和保养

定期检查虹吸雨水系统的排水口和管道的状态，包括检查是否有堵塞、破损或异物阻塞等问题，这可以通过视觉检查和清洁措施来解决。如果发现问题，需要及时采取措施进行修复或更换受损部件，以确保系统的通畅性。

定期检查储水设施的密封性和结构稳定性也是必要的，检查是否有漏水或渗漏现象，是否有结构松动或破损等问题。如果发现任何问题，需要及时进行修补或更换，以确保储水设施的正常运行和安全性。

4.3.2 建立运维记录和档案

建立系统的运维记录和档案非常重要，这样可以全面记录和归档施工和维护过程中的相关信息，包括施工时间、工作人员、使用的材料和工具等。还应记录系统的维护情况，包括每次检查和保养的结果，采取的措施和所花费的时间。这些记录和档案可以为后续的维护工作提供依据和参考，有助于更好地管理和运维虹吸雨水系统。

定期更新系统的信息和资料也是必要的。随着时间的推移，系统可能会进行扩建或改造，或者有新的技术和设备可用。因此，及时更新系统的信息和资料，使其保持最新和准确，有助于更好地维护和管理虹吸雨水系统。

4.3.3 做好应急处理准备

针对虹吸雨水系统可能出现的故障和问题，制定相应的应急处理措施非常重要。建立应急处理预案，明确各种故障和问题的处理步骤和责任人，并建立应急联系机制，确保在紧急情况下能够及时响应和处理。通过与维修公司或相关部门合作，以确保故障能够及時得到解决。

定期进行应急演练可以检验应急处理措施的有效性和可行性。通过模拟各种故障和问题的场景，测试应急处理预案和联系机制的可靠性和及时性。这将有助于提高团队的应急响应能力和处理能力。

虹吸雨水系统的施工和运维技术是一个不断发展和创新的领域。因此，持续进行研究和实践是非常重要的。关注国内外的最新技术和经验，与相关领域的专家和机构进行交流和合作，有助于提高虹吸雨水系统的性能和效益。

5 大跨度空间钢结构工程虹吸雨水系统应用案例

京滨铁路北辰火车站初步设计及施工图设计屋面雨水收集均为重力雨水，雨水立管高达30根，沿外墙敷设，北辰火车站正立面与背立面均为玻璃幕墙，这给重力雨水施工和精装修施工带来了很大的难度。

在精装修深化设计阶段，结合装修方案及大跨度空间钢结构工程屋面汇水面积，设计单位果断提议将重力雨水系统变更为虹吸雨水系统，也得到了国铁集团工管中心的同意，经专业设计院优化后虹吸雨水共分了8个系统。

2022年7月虹吸雨水施工完成，12月30日北辰火车站正式启用，经过近一年的使用，也经历了2023年夏季京津冀特大暴雨的检验，屋面雨水收集、排放畅通。

6 结束语

本文通过对大跨度空间钢结构工程虹吸雨水系统的施工进行研究，系统地总结了虹吸雨水系统的原理和特点，并分析了其在大跨度空间钢结构工程中的应用现状，进而提出了一些建议。未来，将进一步完善大跨度空间钢结构工程虹吸雨水系统施工方案，进而提高虹吸雨水系统在大跨度空间钢结构工程中的应用效果，为城市建设和雨水资源的合理利用做出更大的贡献。

参考文献

[1] 薛跃华.虹吸式屋面雨水排水系统的设计案例分析[J].石材，2023（6）：31-34.

[2] 刘焕光，姜浩杰.大型钢结构屋面虹吸雨水系统设计探讨[J].工程建设，2021，53（8）：31-35.

[3] 杨彦虎.大跨度空间钢结构工程虹吸雨水系统施工技术[J].工程建设与设计，2018（16）：162-163.

[4] 王文瑾.大型屋面虹吸雨水排水系统设计计算研究[D].北京：北京交通大学，2018.

[5] 李伟.大跨度空间钢结构工程虹吸雨水系统施工技术[J].工程建设与设计，2018（8）：192-193.

收稿日期：2023-09-18

作者简介：赵瑞丽（1982—），女，河南南阳人，本科，高级工程师，研究方向：给水排水工程。