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论文“虹吸系统在型公建中的应用”
时间：2010-11-4
虹吸系统在大型公建中的应用
廖国健1 吴俊汐2（1．捷流技术工程（广州）有限公司，广州；2．捷流技术工程有限公司，新加坡）
摘要：近年屋面雨水虹吸排水技术得到广泛的应用和推广，供应商如雨后春笋般产生，但随之而来的问题亦逐渐增多。现通过对部份大型公建中虹吸系统应用的分析，阐述一下虹吸技术在工程应用中须注意的难点，以期使该技术得到更健康及迅速的成长。 关键词：虹吸 溢流 汇水面积 天沟 负压力 水头
1，前言
虹吸排雨水系统供应商在设计及实施的能力是保障建筑排水功能安全性及可靠性的根本。虹吸系统已广泛被各类建筑所应用，建筑使用者及设计者如何认识该排水系统的技术重要性是十分关键的专题。
2，重大公共建筑中虹吸排水系统设计的关键难点
我司从2005年起参与了多项奥运及配套大型项目的虹吸雨水排水系统的实施，现结合这些大型项目的实例，详述一下虹吸系统在大型建筑项目实施的一些心得。
2.1大型复杂建筑屋面中虹吸排水系统的分析与设计
被评为“世界十大建筑”的奥运建筑，其外型、使用功能及影响力肯定是不用质疑的。从建筑的外观造型看，已非同于一般建筑的风格，其建筑外观造型主要体现在独特的屋面及外立面，如下图分别为“世界十大建筑”的2008年北京奥运主场“国家体育场”（图1）和“北京首都国际机场T3航站楼”（图2）。
2.1超高层建筑虹吸雨水排水系统的设计
（1）超高层屋面、较低层屋面与裙楼排水的相关关系
当今建筑屋面高低起伏，在高层建筑上则特别显著，CCTV也毫不例外。建筑师考虑建筑外立面与整体的美观，在190至234米度的范围内的各层屋面利用钢架玻璃幕墙所遮挡，衬托出完美的造型。
（2）过大动力和过高流速控制以及系统抗高冲击力的能力
在奥运建筑中CCTV是最高的一幢（如图5），虹吸雨水排水系统分析设计最大难度在于建筑屋面高度成为虹吸雨水排水系统设计计算的一大难度。建筑屋面高度超过234米，则属超高层建筑。超高层建筑的虹吸雨水系统设计非常具有挑战性：由于有较高的水头，满管流系统也拥有非常大的能量，能够以非常高的流速、小管径达到大排量的效果。但要控制超高屋面虹吸雨水系统两大问题的出现：一是水头大，排水时产生的动能十分大，造成水流流速过大，系统管道内将产生冲击力，增加了管道支架的荷载，依靠支架支吊补偿不是根本的办法，需有效地将流速控制在适当的范围内；二是系统的剩余水头（排水裕量）的控制，剩余水头过大，虹吸雨水排水系统若设计不合理，则使管道系统还有裕量，增加了排水能力的空间，则很可能出现较低的负压值，产生汽化破坏虹吸满管流状态，令系统排水失败。然而，水头大与剩余水头这两个问题是对立的问题，如果将流速控制在较慢的状态下，虹吸雨水系统的剩余水头则会过大；如果将剩余水头控制在合理的范围内，则系统管道内水流流速过大，突破规范中：“不宜大于10m/s的要求。”对此，在精确的系统计算软件的辅助下，可将两者取平衡关系，既要确保流速符合规范的要求，也要适当放宽剩余水头控制的范围。一般地，从系统计算上的理解，大多会以为只要系统负压不控制在真空值以内，剩余水头控制在一定范围内，系统就是合理的、安全的。理论上，最理想的剩余水头数值为零，但往往由于系统的特点、工程设计及施工操作等各方面的因素，使计算的剩余水头数值不可能设计为零。正因为有剩余水头的存在，所以虹吸雨水排水系统就存在增加排水能力的空间。虹吸雨水排水系统设计的合理性可通过在水流流速受到控制的情况下，所产生的剩余水头的数值（正数，不应为负数），再反复验算剩余水头为零时得出的最大负压值的数值，若在真空值内，则虹吸雨水排水系统设计合理且安全；若超出真空值，管道内将产生汽化现象，则系统设计失败。这样系统则需要重新调整计算各部位管道直径的配搭，直至虹吸雨水系统设计合理并安全为止。
（3）侧墙汇水计算
超高层建筑一般由高层塔楼和裙楼组成。裙楼汇水面积计算按《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003版规定汇水面积除以计算投影面积外，还应计算汇水区域内的侧墙面积的一半。超高层建筑侧墙面较大，因此汇水面积不容忽视，是影响汇水区域设计流量的主要因素。侧墙面积的计算除折算一半外，有效侧墙投影的选取也比较关键。如图6“CCTV建筑三维与平面”所示，侧墙为倾斜6°角度。从图7观察及分析，倾斜侧墙既存在侧墙汇水面积，也存在投影汇水面积。所以计算汇水区域A时，面积应包括汇水区域A的水平投影面积、倾斜侧墙的水平投影面积与侧墙垂直投影面积的一半。只有在深化设计时充分分析和准确的计算面积，虹吸雨水系统设计才能从可靠的条件下进行，否则再精确的系统计算也不能保障建筑排水功效与安全。
3，复杂建筑内虹吸雨水管道的实施难点
奥运建筑项目造型的奇特，屋面形状的变化给雨水管道的排布增添了不少难度。T3航站楼及CCTV建筑均需顺着结构图的坐标或标高设计排布管道，最终找到理想的标高到达立管位置。而“鸟巢”屋面由钢梁及膜顶组成，屋面造型呈马鞍形状，东西高南北低，雨水管道将在上弦梁底排布，因为排水板块多，而下游系统集水槽分布点较广，上游排水管道经常跨区，顺梁坡向，与梁坡向相反排布，下游虹吸雨水管道与上游情况相同，最终在较高的标高进入雨水柱，排水管起点与终点标高几乎没有一个是相同的；在如此复杂的结构当中，既要符合雨水管道设计排布的原则（不能反坡让水流倒流、淤积），还要确保管道较准确在避让结构及管道之间不碰撞，是一项非常困难的工作。
3.1支架设置的特殊性
管道支架是管道设计上不可缺少的一个环节，在常规混凝土或钢结构建筑中，管道支架均可采用国家标准图集的做法进行施工，但在结构造型特别的建筑室内安装管道支架的做法是不能完全按照标准图集中的去施工。由于T3航站楼与CCTV的安装管道有特别之处，且考虑雨水管排水状态产生一定的荷载的因素，所以根据结构的形式支架做法有别于标准图集的形式，但设计完全是以图集的做法演变出来的。T3工程管道排布在结构网架上弦下，支架只能在上弦球点底固定伸出抱紧管道。屋面结构呈双坡向，管道平等结构布置，管道支架为满足刚性的性能，必须垂直于管道和上弦结构，而不能垂直地面。而CCTV建筑的虹吸雨水管道面临的问题则是超高层雨水立管流速较快，水流出管道内部及转弯处的冲击可能造成一定的影响及破坏，需要在支架方面考虑完善的措施避免不利情况的出现。
3.2雨水立管在结构柱内预埋的深化设计与实施后的论证
在T3航站楼建筑设计中，雨水立管预埋设计于钢结构圆管柱内一至四根不等。钢结构边柱以75.5度角倾斜支撑建筑外围结构，雨水管道随结构斜率排布在钢管柱内。钢管柱结构内部有横向与竖向加劲肋板，横向肋板间距跨度较大，管道在柱内需要支架固定，且结构稳定性的因素，管道支架不允许与钢柱内结构的主体连接固定。
3.3在超高空空情况下排水专业的实施
现代建筑结构的多样性，使施工方对工程施工有了更深的理解及创新的实施理念，也促使了工程上各专业实施施工技术的进步。在奥运项目中，雨水管道的高空施工操作可以说是设备管道安装工程中难度最大，且搭建施工操作平台最难，最终的实施成为的一项设备安装的先河。在设备安装来说，雨水管道的施工较为简单，但由于高空操作，且根据现场的施工条件的限制，脚手架施工搭建成了施工的重点考虑对象。钢结构上弦梁下敷设雨水管，上弦与下弦之间高差在11米左右，一般施工所需要的脚手架平台从下往上搭设，但钢结构下弦宽度只有1米至1.2米，脚手架在下弦搭设不可能实现。对于施工操作平台的方案，被整个施工现场各方负责所关注，成为了一时的热话，在专业的施工队伍与脚手架搭设专家的多次会议及方案可行性分析，以施工平台稳定性为出发点，决定以钢结构上弦作为搭设的生根点，脚手架从上弦梁顶反吊于梁底（如图7所示）。
3.4雨水管道施工与各专业施工流程的配合
现代建筑业的施工的方法及速度均被科技的发达所带动。施工工期的控制被施工单位科学的统筹编制，使得建筑各个专业得到交叉作业，大大缩短了工期的时间。各专业的施工的流程与配合也成为了现代建筑工程中的重要环节之一。随着建筑重要性及美观的要求，结合虹吸雨水管道的排水特性，在一些大型的项目中都被包饰、预埋或明露等装饰设计手法所应用。对雨水专业施工遇到很大的挑战。这些装饰手法的实施，需要雨水管道施工开始与土建专业、结构专业、膜结构专业纷纷出现专业协调及工序流程编排的统筹工作。面对国家级大型建筑项目的建设，工程进度是不可怠慢的事情，必须保证在国家预期计划内完工，建筑顺利投入使用。所以各专业之间的配合及协调成是工程进度控制的关键，而虹吸雨水排水系统管道施工也成了奥运建筑项目中钢结构专业施工工序配合关键的一个环节。
4，结论
虹吸雨水排水系统在现代建筑中发挥的不仅体现功能性的作用，虹吸雨水系统的设计及实施的理念成就建筑结构设计师实现了前卫而大胆的作品。虹吸雨水排水系统实施的万变不离其中，对于各类建筑的虹吸雨水排水系统也是围绕着上述的几大问题一一实施，一个专业的虹吸雨水排水系统厂家应对系统的设计及实施具备一定综合能力，才能给予建筑最优的排水技术方案和实施的质量保证。 虹吸雨水排水系统可给予各类建筑屋面排水最优的解决方案，将逐渐成为建筑屋面排水系统中的主流应用系统，发挥其一贯的特色：高效的排水性能、管线完美的配合现代建筑的造型设计，使建筑拥有充裕的利用空间。
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