論建筑屋面排水技術

■熊 梨 ■南昌市新鑫綠化景觀工程有限公司，江西 南昌 330000

屋面雨水排水在建筑給水排水范疇是個較為特殊的技術問題，其特殊性表現在以下幾個方面:

出過問題，而且出過大問題。1953年至1957年第一個五年計劃期間興建的大面積工業廠房，按重力流計算其屋面雨水排水系統，這些廠房在五十年代末、六十年代初相繼出現車間內雨水檢查井冒水，造成地面被淹，停工停產的嚴重事故。六十年代中期屋面雨水排水在采用壓力流計算時，由于立管管徑減小，出現瓶頸現象，而造成天溝雨水排水不暢，從天窗滿溢進入車間的事故。重力流、壓力流兩個方面的案例，使1957年3月1日試行的《室內給水排水和熱水供應設計規范》TJl5-74在第三章“排水”IV“雨水”的有關條文中違避了雨水計算的相關內容，造成設計人員無章可循的尷尬局面。

搞過長時間的試驗。六十年代初，原建工部北京工業設計院、第一機械工業部第一設計院和清華大學等單位即開始進行為期三年的雨水試驗。65型雨水斗的開發，壓力流雨水計算方法的提出是這一階段雨水試驗的主要成果。七十年代由《室內給水排水和熱水供應設計規范》國家標準管理組申報立項，由建設部全額撥款的新一輪的雨水試驗項目正式啟動。試驗由清華大學、機械工業部第一設計院和第八設計院等單位參加。試驗歷時八年，取得大量數據，最后成果通過鑒定，并納入《建筑給水排水設計規范》GBJ15-88.九十年代，中國工程建設標準化協會為大面積屋面雨水排水系統單獨編制協會標準正式立項，主編單位在上海東風泵閥廠的協助下，對新穎雨水斗和雨水排水水力工況作了進一步驗證。除此以外，不少生產企業和大專院校也做了不少雨水排水方式方面的試驗工作。總之雨水試驗時間跨度之長，投入人力和耗用財力之多，積累資料之多，與建筑給水排水其他試驗項目相比，是既空前又絕后。

對屋面雨水排水技術認知的否定之否定。對屋面雨水排水技術的認知，決定了屋面雨水排水工程的設計方法。我國對屋面雨水排水技術的認知，經歷了一個從重力流起步，轉變為壓力流，再進展為更為實質性的重力流，直至現階段的壓力流。這是一個完全符合否定之否定規律的一個循回，這一循回經歷了半個世紀的時間，與建筑給水排水范疇別的技術問題相比，這也是少有的。對屋面雨水排水技術的認知四階段，我們在第二部分再作表述。

“永遠”的熱點問題。六十年代初雨水成為熱點問題，當時是探究雨水檢查井冒水的原因。1962年至1964年《室內給水排水和熱水供應設計規范》首次編制時，爭論最為激烈的技術問題則是雨水排水計算公式按重力流計算，還是按壓力流計算，最后以重力流計算公式列入規范條文而告終。

六十年代中后期65型雨水斗的研制開發，重新挑起壓力流和重力流之爭，但由于當年的壓力流計算籠統、簡單、粗糙，未注意不同位置雨水斗的不同水力條件，同時片面追求節省管材和忽略了溢流口的設置，導致了個別工程的失誤，使剛剛掘起的壓力流傾向隨即堰旗息鼓。

八十年代清華雨水試驗成果鑒定，使雨水排水技術再次成為熱點，但鑒定出現反復，公式受到質疑，可以認為最終在《建筑給水排水設計規范》GBJ15-88上反映的并不是試驗的最佳成果，而是最穩妥的、最留有余地的、也是在現階段急需調整的內容。

九十年代新穎壓力流系統的引進，壓力流計算又再次提上議事日程。大面積會展中心、候機樓、科技館、大劇院和汽車城等民用和工業建筑的興建使壓力流有了用武之地。但分歧依然存在，這個分歧既有壓力流和重力流適用范圍之爭，也有不同類型的壓力流之爭，也有什么是典型的壓力流系統之爭。

對屋面雨水排水技術認知需要分四個階段來認知，這四個階段是:

認知的第一階段。當時采用蘇聯規范的重力流理論，來設計我國屋面雨水排水工程，典型的例子是計算方法采用438公式，小檐降雨量采用蘇聯規范的50、60和75mm三項參數。造成的后果是大面積工業廠房相繼出現車間內檢查井冒水現象，冒水的檢查井井蓋即使用鑄鐵錠壓住也旋即被掀翻沖動，洛陽拖拉機廠、洛陽軸承廠等工廠當年一逢大雨就頻頻告急，專業人士有鑒于此，確定:1.應按我國的降雨量計算雨水量。2.著手進行雨水試驗，探索屋面雨水排水的正確方法。

認知的第二階段。當年有關單位有關人員在雨水試驗的基礎上提出屋面雨水排水系統壓力流計算公式。公式以斗前水面標高和雨水管系出口端標高差的位能為動力，按孔口出流公式為基礎演繹出壓力流計算公式。當時的壓力流系統雨水斗采用以少摻氣或不摻氣為指導思想而設計的65型雨水斗;強調提高雨水斗前水深，以減少摻氣量;有意識縮小雨水立管管徑，以平衡立管和埋地排出管的通水能力;按密閉系統布置管道;強調單斗系統。壓力流計算方法符合雨水排水水力工況，但由于當年未重視事故溢流口的設置，也由于立管管徑縮小后導致瓶頸現象，造成天溝雨水排水受阻，從天窗滿溢進入車間的事故。

認知的第三階段。通過清華大學等歷時八年的雨水試驗，得出雨水流態為重力-壓力流的結論，即小流量時為重力流，大流量時為壓力流;雨水立管的下部為正壓區，上部為負壓區:壓力零點隨流量的變化而變動，流量增大時壓力零點向上移動;懸吊管的末端近立管處為負壓，始端為正壓;負壓造成抽吸和進氣，因此立管頂端不設置雨水斗，但其它部位采用不同型式的雨水斗時，摻氣現象仍難以避免:管系內水流為氣水雙相流或稱摻氣流，而其中的氣系處于壓縮狀態;由于雨水斗在懸吊管位置的不同，近立管的雨水斗泄流量大，遠立管的雨水斗泄流量小，因此不提倡不對稱布置的多斗系統。

雨水試驗組根據重現率很高的大量數據，推導出多元因子的雨水排水計算公式。由于公式計算繁復，需要試算，在當時的計算工具條件下，未被采用。在該試驗基礎上而制訂的規范條文采用以下技術措施:(1)對管系留有足夠余地，以防檢查井冒水和天窗溢水事故重現。(2)對于超重現期的雨量采用事故溢流口來解決。(3)強調外排水系統，強調密閉系統，強調單斗系統或對稱布置的雙斗系統，以盡可能地發揮系統的優勢。(4)禁止立管頂端設雨水斗，限制多斗系統，禁用高低跨雨水系統，以盡可能地消除隱患。

這些技術措施一直延續至2003年的9月1日《建筑給水排水設計規范》GB50015-2003施行為止。這個認知階段就其實質是重力流，但不同于第一階段的重力流，屬于有足夠安全度、不致出現事故的重力流。

認知的第四階段。壓力流再次占據主導地位，與認知的第二階段的壓力流一個主要不同點在于不把負壓抽吸看成負面因素，而是將它作為積極因素予以充分利用，與認知第二階段的壓力流的區別還在于:(1)可用于多斗系統。(2)系統計算不單純計算總水頭和總水頭損失的平衡，而需分段計算流量和壓力的平衡，這就是所謂的精確計算。(3)配置相應的雨水斗。(4)重視溢流口的設置。

這個階段的壓力流，由于工作重點的不同、工作基礎的不同等原因，又可分成多種模式，其中最具有代表性的有兩種模式，在未經充分醞釀討論前，我們暫且命名為虹吸壓力流和壓力虹吸流。

兩種模式的其他方面都是相同的，如懸吊管不設坡度、可適用于多斗系統、以溢流口作為超重現期雨量的應急技術措施、由于負壓抽吸和被壓縮的空氣泡體積和壓力變化，水流動時管道有振動，對管材承壓要求高……等。

其中檐溝外排水長期以來在設計院是屬于建筑專業范疇的，檐溝上沿本身可以作為溢流堰來對待，也不存在超重現期超量排水隱患。只有天溝外排水，重力流內排水和壓力流內排水屬于給水排水專業份內之事。屋面雨水排水系統的分類有以下幾種:(1)按設計流態分:重力流、壓力流。(2)按排水方式分:外排水、內排水。(3)按系統組成分:密閉系統、敞開系統。(4)按雨水斗數量分:單斗系統、雙斗系統、多斗系統。

接下來說說虹吸壓力流雨水排水系統技術要點:

首先，合理布置、精確計算。將系統看成一個整體，以高差即位能作為動力是壓力流計算區別于重力流計算的主要不同點。而合理布置、精確計算則是虹吸壓力流區別于其他壓力流的主要不同點。合理布置、精確計算包括以下內容:(1)在屋面的每一個最低點至少設置一個雨水斗。(2)將雨水斗的排水用懸吊管接至雨水立管，并以密閉系統方式排至室外。(3)合理布置雨水立管，有條件時盡量將雨水立管設于懸吊管中間部位。當必須設于盡端時，靠近雨水立管的雨水斗連接管管道長度宜適當引長，以平衡阻力。(4)大面積屋面(指5000㎡以上)至少設兩套獨立的虹吸式雨水排水系統。(5)控制懸吊管長度為落差的10倍至20倍。(6)將管道(包括懸吊管和雨水立管)分若干計算單元段。雨水斗所在位置、水。流匯合點(三通位置)、水流改向處(彎頭位置)和管道變徑、變速處(異徑管位置)均作為計算單元段的起止點(計算節點)。在計算單元段內水流的流量和流速值不變。(7)按所選用的管材和所確定的管件，精確計算管道沿程水頭損失和管件的當量長度值，重點應放在管件的局部水頭損失值上。以懸吊管轉向雨水立管的彎頭為例，不同曲率半徑、不同節段組成的彎頭在相同公稱直徑條件下，其形成虹吸壓力流的最小流量值有很大差異。(8)確定管徑，平衡每個節點的壓力和流量值，并使誤差在允許公差以內。這個階段有反復試算的過程，應采用軟件程序計算。

其次，設置溢流口。設計重現期是根據建筑物的重要性，匯水地區性質、地形特點、氣象特點和因積水而造成后果的嚴重性而確定的一項重要設計參數，它的確定也決定于國家的整體經濟水平。由于雨水的不可控制性，超重現期的雨水客觀存在，因此內排水系統必須設置應急超量排水口，即溢流口。溢流口設置具體要求對于虹吸式雨水排水系統為:(1)按百年一遇降雨量，保證5min超量排水。(2)雨水斗前和天溝內雨水超量時能順利通過溢流口排出。(3)溢流口排水不致造成危害。(4)溢流口下緣高出雨水斗上緣不小于50mm。(5)無法設置外露的溢流口時，應另設置超重現期雨水量的排水系統。(6)按水深計算溢流排水時的屋頂承載能力。

最后，配置相應的雨水斗。不同系統應配置不同型式的雨水斗，虹吸壓力流雨水排水系統應配置虹吸式雨水斗，如經過測試符合D1N19559標準的雨水斗。雨水斗應有最大流量值，還應有阻力系數值等主要設計參數。除了前面涉及的控制數據外，虹吸壓力流雨水排水系統還有下列數據有待控制:(1)雨水斗的連接部位，管道與管件的連接部位必須嚴密，有良好的密封性，包括氣密性和水密性。(2)雨水斗間距不得大于20m。(3)懸吊管長度大于10m時，應增設計算單元段。(4)雨水斗排水量不得大于該雨水斗經實測后確定的額定排水量。

屋面雨水排水系統目前存在主要問題是:(1)城市暴雨強度公式編制方法不一，有用數理統計法的、有用解折法的、還有濕度飽和差法、圖解法和CRA法等，有的方法并不完全符合設計規范要求，有待統一。(2)資料年代久遠和資料年數過短。大部份暴雨強度公式是根據1983年前實測?？梢姡m然屋面排水技術在目前已盡全面，但仍然存在諸多的問題，這說明我們在今后仍然需要不斷學習，通過理論和實踐的結合來完善屋面排水技術。