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論文“虹吸系統(tǒng)在型公建中的應(yīng)用”

時間：2010-11-4

虹吸系統(tǒng)在大型公建中的應(yīng)用

廖國健1 吳俊汐2（1．捷流技術(shù)工程（廣州）有限公司，廣州；2．捷流技術(shù)工程有限公司，新加坡）

摘要：近年屋面雨水虹吸排水技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用和推廣，供應(yīng)商如雨后春筍般產(chǎn)生，但隨之而來的問題亦逐漸增多。現(xiàn)通過對部份大型公建中虹吸系統(tǒng)應(yīng)用的分析，闡述一下虹吸技術(shù)在工程應(yīng)用中須注意的難點(diǎn)，以期使該技術(shù)得到更健康及迅速的成長。 關(guān)鍵詞：虹吸 溢流 匯水面積 天溝 負(fù)壓力 水頭

1，前言

虹吸排雨水系統(tǒng)供應(yīng)商在設(shè)計(jì)及實(shí)施的能力是保障建筑排水功能安全性及可靠性的根本。虹吸系統(tǒng)已廣泛被各類建筑所應(yīng)用，建筑使用者及設(shè)計(jì)者如何認(rèn)識該排水系統(tǒng)的技術(shù)重要性是十分關(guān)鍵的專題。

2，重大公共建筑中虹吸排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵難點(diǎn)

我司從2005年起參與了多項(xiàng)奧運(yùn)及配套大型項(xiàng)目的虹吸雨水排水系統(tǒng)的實(shí)施，現(xiàn)結(jié)合這些大型項(xiàng)目的實(shí)例，詳述一下虹吸系統(tǒng)在大型建筑項(xiàng)目實(shí)施的一些心得。

2.1大型復(fù)雜建筑屋面中虹吸排水系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

被評為“世界十大建筑”的奧運(yùn)建筑，其外型、使用功能及影響力肯定是不用質(zhì)疑的。從建筑的外觀造型看，已非同于一般建筑的風(fēng)格，其建筑外觀造型主要體現(xiàn)在獨(dú)特的屋面及外立面，如下圖分別為“世界十大建筑”的2008年北京奧運(yùn)主場“國家體育場”（圖1）和“北京首都國際機(jī)場T3航站樓”（圖2）。

2.1超高層建筑虹吸雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）超高層屋面、較低層屋面與裙樓排水的相關(guān)關(guān)系

當(dāng)今建筑屋面高低起伏，在高層建筑上則特別顯著，CCTV也毫不例外。建筑師考慮建筑外立面與整體的美觀，在190至234米度的范圍內(nèi)的各層屋面利用鋼架玻璃幕墻所遮擋，襯托出完美的造型。

（2）過大動力和過高流速控制以及系統(tǒng)抗高沖擊力的能力

在奧運(yùn)建筑中CCTV是最高的一幢（如圖5），虹吸雨水排水系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)最大難度在于建筑屋面高度成為虹吸雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的一大難度。建筑屋面高度超過234米，則屬超高層建筑。超高層建筑的虹吸雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常具有挑戰(zhàn)性：由于有較高的水頭，滿管流系統(tǒng)也擁有非常大的能量，能夠以非常高的流速、小管徑達(dá)到大排量的效果。但要控制超高屋面虹吸雨水系統(tǒng)兩大問題的出現(xiàn)：一是水頭大，排水時產(chǎn)生的動能十分大，造成水流流速過大，系統(tǒng)管道內(nèi)將產(chǎn)生沖擊力，增加了管道支架的荷載，依靠支架支吊補(bǔ)償不是根本的辦法，需有效地將流速控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)；二是系統(tǒng)的剩余水頭（排水裕量）的控制，剩余水頭過大，虹吸雨水排水系統(tǒng)若設(shè)計(jì)不合理，則使管道系統(tǒng)還有裕量，增加了排水能力的空間，則很可能出現(xiàn)較低的負(fù)壓值，產(chǎn)生汽化破壞虹吸滿管流狀態(tài)，令系統(tǒng)排水失敗。然而，水頭大與剩余水頭這兩個問題是對立的問題，如果將流速控制在較慢的狀態(tài)下，虹吸雨水系統(tǒng)的剩余水頭則會過大；如果將剩余水頭控制在合理的范圍內(nèi)，則系統(tǒng)管道內(nèi)水流流速過大，突破規(guī)范中：“不宜大于10m/s的要求?！睂Υ耍诰_的系統(tǒng)計(jì)算軟件的輔助下，可將兩者取平衡關(guān)系，既要確保流速符合規(guī)范的要求，也要適當(dāng)放寬剩余水頭控制的范圍。一般地，從系統(tǒng)計(jì)算上的理解，大多會以為只要系統(tǒng)負(fù)壓不控制在真空值以內(nèi)，剩余水頭控制在一定范圍內(nèi)，系統(tǒng)就是合理的、安全的。理論上，最理想的剩余水頭數(shù)值為零，但往往由于系統(tǒng)的特點(diǎn)、工程設(shè)計(jì)及施工操作等各方面的因素，使計(jì)算的剩余水頭數(shù)值不可能設(shè)計(jì)為零。正因?yàn)橛惺Ｓ嗨^的存在，所以虹吸雨水排水系統(tǒng)就存在增加排水能力的空間。虹吸雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性可通過在水流流速受到控制的情況下，所產(chǎn)生的剩余水頭的數(shù)值（正數(shù)，不應(yīng)為負(fù)數(shù)），再反復(fù)驗(yàn)算剩余水頭為零時得出的最大負(fù)壓值的數(shù)值，若在真空值內(nèi)，則虹吸雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理且安全；若超出真空值，管道內(nèi)將產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，則系統(tǒng)設(shè)計(jì)失敗。這樣系統(tǒng)則需要重新調(diào)整計(jì)算各部位管道直徑的配搭，直至虹吸雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理并安全為止。

（3）側(cè)墻匯水計(jì)算

超高層建筑一般由高層塔樓和裙樓組成。裙樓匯水面積計(jì)算按《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50015-2003版規(guī)定匯水面積除以計(jì)算投影面積外，還應(yīng)計(jì)算匯水區(qū)域內(nèi)的側(cè)墻面積的一半。超高層建筑側(cè)墻面較大，因此匯水面積不容忽視，是影響匯水區(qū)域設(shè)計(jì)流量的主要因素。側(cè)墻面積的計(jì)算除折算一半外，有效側(cè)墻投影的選取也比較關(guān)鍵。如圖6“CCTV建筑三維與平面”所示，側(cè)墻為傾斜6°角度。從圖7觀察及分析，傾斜側(cè)墻既存在側(cè)墻匯水面積，也存在投影匯水面積。所以計(jì)算匯水區(qū)域A時，面積應(yīng)包括匯水區(qū)域A的水平投影面積、傾斜側(cè)墻的水平投影面積與側(cè)墻垂直投影面積的一半。只有在深化設(shè)計(jì)時充分分析和準(zhǔn)確的計(jì)算面積，虹吸雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)才能從可靠的條件下進(jìn)行，否則再精確的系統(tǒng)計(jì)算也不能保障建筑排水功效與安全。

3，復(fù)雜建筑內(nèi)虹吸雨水管道的實(shí)施難點(diǎn)

奧運(yùn)建筑項(xiàng)目造型的奇特，屋面形狀的變化給雨水管道的排布增添了不少難度。T3航站樓及CCTV建筑均需順著結(jié)構(gòu)圖的坐標(biāo)或標(biāo)高設(shè)計(jì)排布管道，最終找到理想的標(biāo)高到達(dá)立管位置。而“鳥巢”屋面由鋼梁及膜頂組成，屋面造型呈馬鞍形狀，東西高南北低，雨水管道將在上弦梁底排布，因?yàn)榕潘鍓K多，而下游系統(tǒng)集水槽分布點(diǎn)較廣，上游排水管道經(jīng)?？鐓^(qū)，順梁坡向，與梁坡向相反排布，下游虹吸雨水管道與上游情況相同，最終在較高的標(biāo)高進(jìn)入雨水柱，排水管起點(diǎn)與終點(diǎn)標(biāo)高幾乎沒有一個是相同的；在如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，既要符合雨水管道設(shè)計(jì)排布的原則（不能反坡讓水流倒流、淤積），還要確保管道較準(zhǔn)確在避讓結(jié)構(gòu)及管道之間不碰撞，是一項(xiàng)非常困難的工作。

3.1支架設(shè)置的特殊性

管道支架是管道設(shè)計(jì)上不可缺少的一個環(huán)節(jié)，在常規(guī)混凝土或鋼結(jié)構(gòu)建筑中，管道支架均可采用國家標(biāo)準(zhǔn)圖集的做法進(jìn)行施工，但在結(jié)構(gòu)造型特別的建筑室內(nèi)安裝管道支架的做法是不能完全按照標(biāo)準(zhǔn)圖集中的去施工。由于T3航站樓與CCTV的安裝管道有特別之處，且考慮雨水管排水狀態(tài)產(chǎn)生一定的荷載的因素，所以根據(jù)結(jié)構(gòu)的形式支架做法有別于標(biāo)準(zhǔn)圖集的形式，但設(shè)計(jì)完全是以圖集的做法演變出來的。T3工程管道排布在結(jié)構(gòu)網(wǎng)架上弦下，支架只能在上弦球點(diǎn)底固定伸出抱緊管道。屋面結(jié)構(gòu)呈雙坡向，管道平等結(jié)構(gòu)布置，管道支架為滿足剛性的性能，必須垂直于管道和上弦結(jié)構(gòu)，而不能垂直地面。而CCTV建筑的虹吸雨水管道面臨的問題則是超高層雨水立管流速較快，水流出管道內(nèi)部及轉(zhuǎn)彎處的沖擊可能造成一定的影響及破壞，需要在支架方面考慮完善的措施避免不利情況的出現(xiàn)。

3.2雨水立管在結(jié)構(gòu)柱內(nèi)預(yù)埋的深化設(shè)計(jì)與實(shí)施后的論證

在T3航站樓建筑設(shè)計(jì)中，雨水立管預(yù)埋設(shè)計(jì)于鋼結(jié)構(gòu)圓管柱內(nèi)一至四根不等。鋼結(jié)構(gòu)邊柱以75.5度角傾斜支撐建筑外圍結(jié)構(gòu)，雨水管道隨結(jié)構(gòu)斜率排布在鋼管柱內(nèi)。鋼管柱結(jié)構(gòu)內(nèi)部有橫向與豎向加勁肋板，橫向肋板間距跨度較大，管道在柱內(nèi)需要支架固定，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素，管道支架不允許與鋼柱內(nèi)結(jié)構(gòu)的主體連接固定。

3.3在超高空空情況下排水專業(yè)的實(shí)施

現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的多樣性，使施工方對工程施工有了更深的理解及創(chuàng)新的實(shí)施理念，也促使了工程上各專業(yè)實(shí)施施工技術(shù)的進(jìn)步。在奧運(yùn)項(xiàng)目中，雨水管道的高空施工操作可以說是設(shè)備管道安裝工程中難度最大，且搭建施工操作平臺最難，最終的實(shí)施成為的一項(xiàng)設(shè)備安裝的先河。在設(shè)備安裝來說，雨水管道的施工較為簡單，但由于高空操作，且根據(jù)現(xiàn)場的施工條件的限制，腳手架施工搭建成了施工的重點(diǎn)考慮對象。鋼結(jié)構(gòu)上弦梁下敷設(shè)雨水管，上弦與下弦之間高差在11米左右，一般施工所需要的腳手架平臺從下往上搭設(shè)，但鋼結(jié)構(gòu)下弦寬度只有1米至1.2米，腳手架在下弦搭設(shè)不可能實(shí)現(xiàn)。對于施工操作平臺的方案，被整個施工現(xiàn)場各方負(fù)責(zé)所關(guān)注，成為了一時的熱話，在專業(yè)的施工隊(duì)伍與腳手架搭設(shè)專家的多次會議及方案可行性分析，以施工平臺穩(wěn)定性為出發(fā)點(diǎn)，決定以鋼結(jié)構(gòu)上弦作為搭設(shè)的生根點(diǎn)，腳手架從上弦梁頂反吊于梁底（如圖7所示）。

3.4雨水管道施工與各專業(yè)施工流程的配合

現(xiàn)代建筑業(yè)的施工的方法及速度均被科技的發(fā)達(dá)所帶動。施工工期的控制被施工單位科學(xué)的統(tǒng)籌編制，使得建筑各個專業(yè)得到交叉作業(yè)，大大縮短了工期的時間。各專業(yè)的施工的流程與配合也成為了現(xiàn)代建筑工程中的重要環(huán)節(jié)之一。隨著建筑重要性及美觀的要求，結(jié)合虹吸雨水管道的排水特性，在一些大型的項(xiàng)目中都被包飾、預(yù)埋或明露等裝飾設(shè)計(jì)手法所應(yīng)用。對雨水專業(yè)施工遇到很大的挑戰(zhàn)。這些裝飾手法的實(shí)施，需要雨水管道施工開始與土建專業(yè)、結(jié)構(gòu)專業(yè)、膜結(jié)構(gòu)專業(yè)紛紛出現(xiàn)專業(yè)協(xié)調(diào)及工序流程編排的統(tǒng)籌工作。面對國家級大型建筑項(xiàng)目的建設(shè)，工程進(jìn)度是不可怠慢的事情，必須保證在國家預(yù)期計(jì)劃內(nèi)完工，建筑順利投入使用。所以各專業(yè)之間的配合及協(xié)調(diào)成是工程進(jìn)度控制的關(guān)鍵，而虹吸雨水排水系統(tǒng)管道施工也成了奧運(yùn)建筑項(xiàng)目中鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)施工工序配合關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。

4，結(jié)論

虹吸雨水排水系統(tǒng)在現(xiàn)代建筑中發(fā)揮的不僅體現(xiàn)功能性的作用，虹吸雨水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)施的理念成就建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)了前衛(wèi)而大膽的作品。虹吸雨水排水系統(tǒng)實(shí)施的萬變不離其中，對于各類建筑的虹吸雨水排水系統(tǒng)也是圍繞著上述的幾大問題一一實(shí)施，一個專業(yè)的虹吸雨水排水系統(tǒng)廠家應(yīng)對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)施具備一定綜合能力，才能給予建筑最優(yōu)的排水技術(shù)方案和實(shí)施的質(zhì)量保證。 虹吸雨水排水系統(tǒng)可給予各類建筑屋面排水最優(yōu)的解決方案，將逐漸成為建筑屋面排水系統(tǒng)中的主流應(yīng)用系統(tǒng)，發(fā)揮其一貫的特色：高效的排水性能、管線完美的配合現(xiàn)代建筑的造型設(shè)計(jì)，使建筑擁有充裕的利用空間。

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