虹吸式雨水排水系統(tǒng)在鋼構(gòu)廠房設計中與土建專業(yè)配合的幾點問題探討

張傳波 （廈門中建東北設計院有限公司，福建 廈門 361012）

1 工程案例

福建某鋼結(jié)構(gòu)廠房于2013年設計，該廠房結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)體系，單層建筑面積約1.8萬m2，長×寬約為200m×90m，屬于丁、戊等類廠房。長邊共設有4條天溝，分別為2條內(nèi)天溝、2條外天溝。內(nèi)天溝設計采用虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)排放屋面雨水，外天溝設計采用87型雨水斗，單斗單系統(tǒng)排放屋面雨水。工程于2015年下半年竣工驗收并投入使用。在2017年4月份的一場普通降雨（降雨歷時12h，過程雨量50～80mm），過程中采用虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的兩條內(nèi)天溝排水不暢，導致雨水反灌至室內(nèi)，造成室內(nèi)的一些原材料被淹。

2 原因分析

事發(fā)后各方迅速的組織力量勘察現(xiàn)場，對照原來的設計圖紙進行原因分析。

原設計圖紙，暴雨強度的取值、雨水流量的計算、虹吸系統(tǒng)的水力計算等均滿足規(guī)范要求，設計圖紙不存在問題。略不足的是，未設溢流系統(tǒng)，但原系統(tǒng)排水能力直接按滿足50年的重現(xiàn)期總排水量設計的，也滿足了建水規(guī)[1]“一般建筑的重力流屋面雨水排水工程與溢流設施的總排水能力不應小于10年重現(xiàn)期的雨水量。重要公共建筑、高層建筑的屋面雨水排水工程與溢流設施的總排水能力不應小于其50年重現(xiàn)期的雨水量”的要求。

天溝內(nèi)堆積樹葉、樹枝等雜物導致個別虹吸斗堵塞。這一問題主要是使用者或是物業(yè)管理部門運行維護不利造成的，這里不多做分析。

勘察現(xiàn)場過程中，對照設計圖紙發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場存在多處未按圖施工狀況。具體體現(xiàn)在：①大多的虹吸斗連接管比原設計圖紙小一級且連接管下落過程中與鋼結(jié)構(gòu)連桿有碰撞施工未告知設計院，自行采取避讓措施不合理；②原設計天溝尺寸：H×B=350mm×400mm，現(xiàn)場天溝H×B=250mm×250mm。顯然這兩點問題是導致排水不暢的主要原因。施工單位未做太多的辯解，并承諾負責整改到位，設計單位也配合出整改方案。

3 易產(chǎn)生隱患的節(jié)點討論

事后在設計整改方案的過程中通過和施工單位的交流，發(fā)現(xiàn)前面設計的不精確也給施工留下了隱患。

整改后的節(jié)點示意圖

①連接管與鋼結(jié)構(gòu)連桿的碰撞。大多數(shù)的鋼結(jié)構(gòu)體系，到柱頂一定距離時必然要設計結(jié)構(gòu)連桿（連桿位置如圖二所示），來維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。上述案例在設計時未發(fā)現(xiàn)連桿的問題，直接設計成如圖一中“虹吸雨水斗1”的布置方式，施工時發(fā)現(xiàn)此問題未向設計反饋，直接用兩個乙字形彎跨施工，導致系統(tǒng)壓力損失變化破壞了壓力平衡，影響系統(tǒng)的排水能力。如若在設計階段水專業(yè)同鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)仔細配合發(fā)現(xiàn)這個問題并解決，也就不會將困難留給施工班組了。在整改的方案中，筆者采用局部加寬天溝，落水管豎向同結(jié)構(gòu)連桿錯開的辦法來規(guī)避這一問題，即圖一中的虹吸雨水斗2的布置方式。這個問題涉及到更精確的水力計算來做為調(diào)整的依據(jù)，我們要按規(guī)程[2]的3.7章節(jié)來進行復核調(diào)整，尤其是要滿足第3.7.11條文“當采用多斗系統(tǒng)時，各雨水斗至過渡段上游的水頭損失允許誤差應小于雨水斗斗面至過渡段上游幾何高差的10%，且不大于10kPa。各節(jié)點水頭損失誤差也不應大于10kPa”的規(guī)定。更準確的應該按公式計算。對于虹吸雨水這個要求施工嚴格的設計內(nèi)容在設計圖上和施工交底時一定要特別指出，引起施工注意。

②天溝尺寸問題。實際是屋面鋼構(gòu)檁條與天溝的交接處，檁條的施工占用了天溝尺寸，致使天溝尺寸過小，未達到設計圖紙標注的尺寸。設計天溝H×B=350mm×400mm，現(xiàn)場天溝H×B=250mm×250mm。據(jù)事后跟施工班組了解，因為當時下料方便，并未調(diào)整最后兩個檁條之間的間距（如圖二中A的尺寸），這一變化導致了D的尺寸變小了。圖二中A值在設計階段需要和結(jié)構(gòu)仔細配合，最好是在結(jié)構(gòu)圖中標注好，這樣更能引起施工的注意。另外，圖二中C值的大?。刺鞙仙疃龋┮惨c建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)精確配合好。本案中設計圖紙中天溝深度都表示為350mm,但現(xiàn)實中最后完成的只有250mm深，據(jù)施工班組反饋，現(xiàn)實中不少都是這么干的，而且使用后也沒有發(fā)生問題，所以他們理所當然的按經(jīng)驗施工了。所以對于虹吸雨水這個要求施工嚴格的設計內(nèi)容在設計圖上和施工交底時一定要特別指出，引起施工注意。整改方案中，筆者與結(jié)構(gòu)專業(yè)配合調(diào)整了圖二中A值，使溝的寬度有所保證。另外也與結(jié)構(gòu)專業(yè)配合在檁條下方增設了墊塊（如圖二所示），調(diào)整了圖二中C值使溝深得以保證。上述內(nèi)容涉及到天溝的寬度和深度，在規(guī)程[2]3.2.2條和3.2.4條中都作了“天溝的過水斷面應根據(jù)匯水面積的設計流量計算確定，雨水斗設置點的天溝寬度應保證雨水斗周邊均勻進水，并應保證雨水斗外邊緣距天溝內(nèi)壁間距不應小于100mm?！币约啊疤鞙嫌行疃葢獮樵O計水深加保護高度。天溝的有效水深不宜小于250mm，保護高度不得小于75mm。當采用金屬屋面且雨水可能經(jīng)天溝溢入室內(nèi)時，保護高度不得小于100mm?！钡囊?guī)定。另外要注意的是，天溝尺寸的變化直接影響天溝的有效蓄水容積，規(guī)程[2]3.2.6條“天溝的有效蓄水容積不宜小于匯水面積雨水設計流量60s，且不宜小于虹吸啟動時間的降雨量。當屋面坡度大于2.5%且天溝滿水會溢入室內(nèi)時，經(jīng)計算若虹吸啟動時間大于60s時，天溝的有效蓄水容積不宜小于匯水面積雨水設計流量2min，且不應小于虹吸啟動時間的降雨量?！币呀?jīng)對天溝的有效蓄水容積有了明確的規(guī)定，在設計時要注意。

4 案例之外的幾點領(lǐng)會與同行探討

①天溝的形式要與建筑專業(yè)確認是封閉不漏水的還是非密閉會溢水到室內(nèi)的。采用建水規(guī)[1]公式4.9.2計算設計雨水流量的同時，要額外關(guān)注本條小注內(nèi)容“當天溝集水且溝檐溢水會流入室內(nèi)時，設計暴雨強度應乘以1.5的系數(shù)?！?/p>

②前文提到，“案例中未設溢流系統(tǒng)，系統(tǒng)排水能力直接按滿足50年的重現(xiàn)期總排水量設計”雖未違反規(guī)范要求，但也比較不妥。從規(guī)程[2]3.1.3條文解釋可以看出，為了保證較小降雨時，系統(tǒng)的水平管道內(nèi)有足夠的自清流速，是不推薦采用增加設計重現(xiàn)期的方法來替代溢流口或溢流系統(tǒng)的。虹吸式雨水排水系統(tǒng)的設計則與重力流系統(tǒng)完全不同，虹吸式系統(tǒng)是極限排水流量設計的，即當暴雨強度大于設計的重現(xiàn)期時，虹吸式雨水排水系統(tǒng)將失去平衡。而在現(xiàn)實建筑生命期中，降雨超過重現(xiàn)期的情況勢必存在，這時候溢流系統(tǒng)顯得更為安全。為了安全起見，本案例事后也增加了溢流口。

③案例中提到采用虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的2條內(nèi)天溝排水不暢問題。筆者很疑惑，為什么同樣是外天溝未按圖施工、立管與鋼構(gòu)連桿碰撞直接用2個乙字形彎跨接施工，而沒有發(fā)生溢水。通過查閱一些資料發(fā)現(xiàn)，在重力流系統(tǒng)中，以雨水斗為研究對象，國內(nèi)曾做過相關(guān)的研究，在一定工況下，87型雨水斗（DN100）處，其泄水流量達30L/s，而建水規(guī)[1]規(guī)定的設計泄水量僅為12L/s，遠遠小于實際泄水流量。以雨水排水系統(tǒng)的懸吊管為研究對象，按規(guī)定，重力流屋面雨水排水管系的懸吊管應按非滿流設計，其充滿度不宜大于0.8，而不是按可能發(fā)生的滿管流設計，顯然其設計流量也小于實際排水流量。以雨水立管為分析對象，按照建水規(guī)[1]條文說明中提到的重力流雨水立管的最大泄流量是充水率為0.35的水膜重力流理論計算值，而實際上雨水立管可能出現(xiàn)的充水率可達80%以上。因此，重力流雨水系統(tǒng)能夠排除一定的超設計重現(xiàn)期的雨水，其設計是有富余的。

另外，筆者認為跟現(xiàn)場的87斗和虹吸斗的進水格柵間距有關(guān)系。87斗格柵間距較大，一些小的樹枝、樹葉直接就通過87雨水斗排走了，相反虹吸斗格柵間距相對較小，現(xiàn)場也就堵得更為嚴重。

5 總結(jié)

①由于歷史原因，國內(nèi)虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)排水設計很不重視計算，許多設計院基本不做計算，需要我們拿出責任心，要對后期中標廠商的深化圖紙和水力計算書進行仔細復核。

②虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)對壓力平衡、管道的密閉性要求非常高，需要精確計算、精確施工，隨意變更管道走向或接管位置可能導致無法形成虹吸排水，系統(tǒng)失敗，需要有經(jīng)驗的、非常專業(yè)的施工隊伍來進行施工。

③完成一個優(yōu)質(zhì)的工程設計需要各專業(yè)的通力合作、高度負責，完成一個好的優(yōu)質(zhì)項目，更需要設計、施工、業(yè)主等多方的高效溝通、精確配合。