淺議建筑屋面雨水排水

雷 國 柱

(貴州省遵義市供水有限責任公司，貴州 遵義 563000)

1 對建筑屋面雨水問題的理解與分析

關于建筑屋面雨水排水設計的討論由來已久，不同的人有不同的觀點。不同時期的設計規范，對建筑屋面雨水排放也存在不同的理解。然而，對于建筑屋面設計，尤其是大跨度建筑屋面，雨水排水設計尤為重要。

根據現行GB 50015—2003建筑給水排水設計規范(2009年版)第4.9.26條提出：“雨水排水管材選用應符合下列規定：1)重力流排水系統多層建筑宜采用建筑排水塑料管，高層建筑宜采用耐腐蝕的金屬管、承壓塑料管；2)滿管壓力流排水系統宜采用內壁光滑的帶內襯的承壓排水鑄鐵管、承壓塑料管和鋼塑復合管等，其管材工作壓力應大于建筑物凈高產生的靜水壓。用于滿管壓力流排水的塑料管，其管材抗環形外壓力應大于0.15 MPa。”

根據本規范的條文解釋：“屋面設計排水能力是相對的，屋面溢流工程不能將超設計重現期的雨水及時排除，屋面積水，斗前水深加大，重力流排水管系一定會轉為滿管壓力流。因此，高層建筑屋面雨水排水管材宜采用承壓塑料管和耐腐蝕的金屬管。”另外，結合現行GB 50015—2003建筑給水排水設計規范(2009年版)對高層建筑雨水管的有關規定，可以將其重點問題歸結為以下三個方面：1)隨著斗前水深加大，重力流管系會轉化為滿管壓力流。2)高層重力流雨水管承壓能力應大于建筑物凈高產生的靜水壓。3)高層建筑雨水管可采用排水鑄鐵管、承壓塑料管或鋼塑復合管等。

規范做了上述規定，但是有兩個問題業內尚存爭議，實有探討的必要：1)隨著較為常用的87型屋面雨水斗斗前水深加大，原本作為重力排水的重力流管系，是否一定就會轉化為滿管壓力流。2)高層建筑、超高層建筑屋面雨水管管材的承壓能力是否需要根據建筑高度確定。

結合第一個問題，筆者曾多次在暴雨季節，對本地區一些高層建筑外排雨水管道進行現場觀測，根據筆者在現場觀測時的直接感受，當屋面排水天溝存在一定程度積水的時候，雨水立管在室外散水的出口處(水簸箕處)，水流并不是連續的，基本上屬于汽—水兩相流，不時伴有水塞出現。

對多層或高層建筑屋面雨水而言，國內、外雖然做過一些雨水立管的模擬排水實驗，在相當長的時間內，對指導建筑雨水排水設計發揮了一定的積極作用。但是，有關雨水立管內部的水流狀態的判斷，以及建筑雨水立管的水力計算模型的選擇等，從目前來看，還缺乏一個令人信服的結論。

首先，當屋面天溝出現一定程度的積水，雨水立管的排水能力達到飽和。那么，在極限狀態下，雨水立管內部的水流，是斷續流，還是連續流，還是如現行設計規范所說的滿管壓力流。另外，是否可以沿用水力學的能量方程，能量方程是否適用于建筑屋面雨水立管，如果不適應的話，是否需要進行專門的實驗測試，換個角度看問題，從而建立適合建筑屋面雨水管道的水力計算模型或經驗公式。

從目前來看，對于雨水立管的最大排水能力分析，大多仍然參照水力學的能量方程。但是，如果按照能量方程進行分析，根據《水力學》的有關理論，能量方程(伯努利方程)應用的前提條件，流體必須為連續流。換句話說，只有當雨水立管內的水流為連續流的時候，方可使用伯努利方程進行計算。反之，如果管內流體不連續，則不能使用伯努利方程。

2 對虹吸雨水排水系統的理解與分析

隨著大跨度建筑屋面越來越多，如高鐵站、機場航站樓、大型會展中心等。此類建筑屋面的雨水排水系統，較多采用虹吸式雨水排水系統。那么，就以屋面虹吸雨水系統為例，根據國家現行設計規程的有關要求，需要采用專用的虹吸雨水斗，從而減少或杜絕空氣摻入；另外，虹吸雨水排水系統的懸吊管(雨水橫干管)可以不設坡度，根據虹吸需要，調整不同管段管徑，采用伯努利方程進行計算驗證(這一點與傳統的多頭懸吊重力式雨水排水系統不同。多斗懸吊的重力式雨水排水系統，其懸吊管需要設置一定的排水坡度，從而滿足重力排水需要)。那么，當采用虹吸雨水系統的時候，既然計算采用伯努利方程，管內水流狀態必須滿足連續流這么一個水流狀態。然而，如果管道內為滿管連續流的話，那么，受連續水流影響，雨水管道內勢必處于正壓裝填，其虹吸，或者說負壓，又是從什么地方來。要想形成負壓，管內水流必然是不連續的。換句話說，只有當管道內水流處于不連續的狀態，前后水流流速不同，方可在管內呈現出負壓狀態。此外，早期的虹吸雨水排水系統，曾經出現過由于管內負壓超出管道的承受能力，造成HDPE虹吸雨水管道被吸扁的案例。后來，為了解決這個問題，當設計采用HDPE雨水管道時，有意識的提高管道的環剛度。也有的采用熱浸鍍鋅鋼管，或者薄壁不銹鋼管道。

另一方面，還可以做個假設：假定某高層建筑雨水管，在出現暴雨的時候，管內水流從重力流狀態(非連續流，或稱水塞流)轉化為滿管壓力流(連續流)。根據水流連續性方程，Q=A0V0=AnVn(假設A0和V0為雨水立管頂端過水斷面的面積和流速，An和Vn為雨水立管內任意高度過水斷面的面積和流速)。由于雨水立管管徑通常情況下是不變的，那么，管道內任意高度的水流斷面的流速也應該是一樣的。如果能量方程適用于屋面雨水立管計算的話，那么，雨水立管的高度將直接影響到立管出口處的管內流速。那么，立管頂部的流速(V0)該由誰決定，立管頂部水流的能量又由何轉化而來。

水力學的有關公式或方程，多為經驗公式，或理想狀態下的理論推求。在具體應用過程中，也有一定的局限性。同時，也有其嚴格的使用前提。早些年，國內實驗條件比較簡陋，缺乏一定高度的排水試驗塔。如今，實驗條件大為改善，國內已建起多座從幾十米到一百多米高的排水試驗塔，如湖南大學的排水試驗塔、山西高平的泫氏排水試驗塔、廣東東莞的萬科塔等。不過，從目前來看，這些排水試驗塔主要用于開展建筑生活排水的有關實驗。試想，如能利用這些實驗設施，在原有的試驗基礎上，增加一個建筑屋面雨水排水較為常用的87型雨水斗(或其使用一些專用的虹吸雨水斗)，根據不同的雨排水系統，結合市面現有排水管道材質(如PVC-U，排水鑄鐵管，球墨鑄鐵排水管，HDPE管，薄壁不銹鋼管，PP管等)，開展一些雨水排水實驗，驗證不同的管道材質、不同的雨水斗安裝高度，最大泄流量(排水量)究竟怎樣，有什么變化規律。此外，也可以測試最大排水狀態時管壁所承受的最大壓力(正壓或負壓)，以及立管內部出現最大壓力的部位，立管內部壓力的變化情況，進而對建筑屋面雨水排水管材的選用做出更為科學合理的規定。

3 結論與建議

本文針對伯努利方程是否適用于屋面雨水系統計算的問題，建議充分利用國內現有不同高度的排水試驗塔，開展一些雨排水實驗，研究其變化規律，補充完善現有設計規范。