杭州亞運會棒球主場大跨度屋面重力流鋼柱雨水系統施工技術*

楊百鎖，王奇恩，喬彩霞，周建強，喻浙坪，彭 棟，劉佩炬

(1.浙江綠筑集成科技有限公司，浙江 紹興 312030； 2.浙江精工鋼結構集團有限公司，浙江 紹興 312030； 3.浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310063)

0 引言

對于現代大型體育建筑，屋面面積通常很大，屋面排水作為建筑內雨水系統的一個重要組成部分，因此，國內絕大部分屋面排水方式采用傳統的重力流技術排水或主導的虹吸雨水系統，而將重力流鋼柱雨水排水系統應用于大跨度屋面工程讓雨水有效排出的案例并不常見。本文以杭州亞運會棒(壘)球體育文化中心項目棒球主場罩棚屋面重力流鋼柱雨水排水系統施工為例，解讀該系統實施過程中的相關技術。

1 工程概況

杭州亞運會棒(壘)球體育文化中心項目為杭州2022 年第19屆亞運會的分會場，總建筑面積約160 000m2，主場觀眾席座位5 000座，棒球主場看臺上方為大型鋼結構罩棚，上弦處張拉PTFE膜結構，既作為球場看臺的屋頂，又作為平臺及其他活動場所的遮蔽處。集訓中心、體能訓練館和棒球主場覆蓋在共同的十字形膜頂之下，通過2層平臺串聯在一起，實現多層次的交通聯系，組成一個體育文化綜合體。項目效果如圖1所示。

圖1 項目鳥瞰效果

棒球主場屋面結構體系：除集訓中心為11層，其余建筑均為2～3層。其中，棒球主場、2層平臺主體采用鋼筋混凝土框架結構，大跨度屋面采用鋼桁架結構。膜結構罩棚水平投影面積約15 000m2，雨水斗112個，雨水口位置根據十字形屋面造型均勻分布在天溝內。雨水斗特殊選型參考87式采用帶防護罩和隔氣裝置的拓展型，斗體為不銹鋼材料制作，外圈周邊天溝為不銹鋼排水溝，屋面鋼網架下重力流鋼柱雨水立管35根，結構柱67根，裝飾柱36根。罩棚屋面匯水分區如圖2所示。

圖2 罩棚屋面匯水示意

2 重力流鋼柱雨水排水系統設計

2.1 系統主要技術參數

本項目計算按浙江省紹興(柯橋區)市，設計重現期P=50年，4處最低位角點設置直接溢流管，屋面集水時間T=5min，雨水設計強度安全系數取值乘以1.5，項目設計暴雨強度為10L/(s·100m2)。棒球主場罩棚水平投影總面積約15 000m2，雨水設計總流量約420m3/s。

暴雨強度公式為：

i=[A·(1+C·lgP)]/[(T+B)·D]

暴雨參數為：

A=22.503 3，B=16.294，C=0.698，D=0.821

當地降雨5min的降雨量為665.615 L/(s·hm2)。

2.2 系統主要組成部分

雨水系統由排水天溝、雨水斗、連接管、雨水懸吊管、固定支架、鋼柱雨水立管頂底部連接固定組成。其中，懸吊管為熱浸鍍鋅鋼管，鋼柱雨水立管和排出管為熱浸鍍鋅加厚鋼管，懸吊管連接采用卡箍連接、立管采用成品法蘭連接，每組雨水斗前、后分別設置穿孔消能板和截留板。

3 應用BIM分析優化雨水末端

棒球主場罩棚屋面造型為曲形屋面，最高中心點約36m，最低中心點21m，落差高度近15m。重力流排水系統中的雨水斗作為屋面雨水排放系統的始端，其作用是使沿屋面結構上的天溝坡度自然匯集到雨水斗處的雨水導入系統管道，而末端連接管、雨水懸吊管與鋼柱立管的無縫結合同樣是整個重力流系統有效工作的關鍵所在。根據設計圖紙，從原理上來說，該方案簡單、明了且直接；但從施工角度來看，管線安裝難度相當大，影響、疑問和不確定因素并存。具體存在以下困難：①排水溝落差高度大，溝底標高差異大，雨水斗位置定位不易確定；②天溝坡度>15%，不銹鋼排水天溝粗糙系數小，溝內雨水流速大，雨水斗收集效果難以達到最佳狀態；③天溝底部與鋼結構桁架部位凈高空間有限，連接管安裝空間無法滿足要求；④雨水懸吊管接駁鋼柱立管，懸吊管路由與網格桁架沖突且影響視覺效果；⑤懸吊管固定支架沒有明確的做法，未考慮如何有效固定措施。

針對上述問題多輪討論，與設計方反復對接有效溝通，最終利用BIM技術模擬施工、精細分析：①根據建筑專業對鋼柱雨水立管布置的要求及落位要避開看臺，結合截流雨水斗的設置，雨水口定位以最近軸網及溝邊為參照點確保準確度。②基于排水溝匯水面積情況，為滿足雨水系統運行可靠，溝內均勻布置截流雨水斗且每處設置2個(增加保障、安全考慮)；同時，雨水斗上游設置高20cm穿孔消能板(降低雨水流速)，下游設置高30cm過水截流板(雨水斗水深要求)。③從重力流雨水系統的特點看，雨水必將從高點匯向低點，故排水溝需沿罩棚四周布置。結合排水溝坡度、雨水斗位置、09S302《雨水斗選用及安裝》、罩棚結構模型，通過BIM軟件分析規避和減小連接管高度為15cm。④為提高建筑效果，經濟利用罩棚上、下表面間的空間，雨水懸吊管采取順水方式安裝、沿桁架排列敷設路徑，既有效避開鋼結構桿件又達到觀感效果的一致性。⑤懸吊管管材為DN150熱浸鍍鋅鋼管，為了便于安裝施工，優化設計調整，法蘭連接改為卡箍連接，固定支架做法以鋼結構桁架為生根點抱箍固定。管道支架距離要求為：DN100管，不保溫管長6.5m，DN150管，不保溫管長8.0m；DN200管，不保溫管長9.5m。

這一調整梳理在施工前便優化實施完畢，避免高空作業施工誤差造成隱患問題，成功解決重力流雨水系統末端安裝難和交叉沖突影響。BIM分析優化及現場實際安裝如圖3所示。

圖3 雨水模型分析示意及末端實景

4 施工工藝技術要點解析

4.1 施工前準備

重力流鋼柱雨水系統是經過精確計算設計的，為保證設計圖紙在施工過程中滿足施工的便利性、合理性、經濟性，所以在施工前需做好準備工作。主要內容包括：①相關單位組織好技術人員對鋼柱雨水系統圖紙進行讀圖、看圖并充分理解圖紙技術要點和對施工提出的要求。②結合相關專業、相應界面，熟悉且熟懂圖紙，提出疑問。③重點確認系統的相應節點做法、標高關系、定位及管材選型的技術特性，從而便于管道合理安裝。④是否與其他專業發生沖突，要做出判斷，減少實施過程中的拆改、返工及破壞。⑤清晰施工界面的劃分，列出施工工序，確認圖紙提前預留洞及管線穿墻(或樓板)處預埋套管等位置是否準確，有無遺漏。⑥實施前通過設計交底形式，組織項目分包施工方對圖紙難點存在的問題進行答疑、討論并解決。

4.2 鋼柱雨水立管形式

本工程罩棚屋面結構上獨立于建筑單體，由自身結構鋼構柱支撐，主要技術點把控為：①因建筑、結構體系，鋼柱雨水立管需臨空安裝，這要求雨水立管有一定強度，故雨水立管選型結合建筑風格，采用可自我穩定的整體式加厚鋼制雨水管。②從罩棚屋面標高及可能的落管位置來看，臨空安裝的雨水立管長度最長可達30m，臨空鋼柱立管過長，安裝過程中為了保證鋼柱雨水立管的高精度，鋼柱雨水管的連接采用工廠化預制焊接，轉換處為成品法蘭焊接連接。③在滿足雨水排水所需的最小管徑條件下，兼顧建筑整體造型，結構專業通過壓桿受力條件計算，采用DN250，DN300雨水管，既有效提高單根立管的排水能力、減少雨水立管數量同時便于發現雨水管道系統的損壞點，更加有利于系統維護、構件標準化制作，又為建筑整體效果、滿足新型建筑工業化要求提供有利元素。結構柱、裝飾柱、鋼柱雨水管實景如圖4所示。

圖4 項目結構柱、裝飾柱、鋼柱雨水管實景

4.3 鋼柱雨水管頂、底部連接固定措施

1)為確保安全，鋼柱雨水立管頂部自由端設置防搖擺、防晃動連接點，通過鉸鏈與罩棚內弦桿靈活連接(見圖5)。

圖5 鋼柱雨水立管頂部連接實景

2)為統一雨水管構造形式，便于工廠生產，雨水立管頂端采用側向預留DN150法蘭接口，用于對接罩棚桁架內雨水懸吊管。

3)考慮罩棚變形、結構沉降和鋼柱雨水立管底部固定壓桿受力形式等因素，罩棚桁架內雨水懸吊管段間采用不銹鋼軟連接，以消除罩棚變形應力對鋼柱雨水立管穩定性的影響，同時不銹鋼軟連接方式還可消化管道連接點處的施工誤差，如圖6所示。

圖6 鋼柱雨水立管頂部連接節點

4)基于罩棚結構的變形特點，鋼柱雨水管按壓桿受力進行設計，柱腳借助環形預埋底板和加勁板固定于主體結構混凝土環梁中，且保證150mm以上的邊距。

5)罩棚的鋼柱雨水管落于各層土建結構，施工安裝前，土建預留洞口，避免二次開洞帶來安全隱患。

6)雨水立管底部采用焊接變徑接頭，變徑接頭工廠事先加工且預留法蘭接口，提高了現場施工的可操作性，同時將結構固定工作面與管道連接工作面分開，減少不利因素，如圖7所示。

圖7 鋼柱雨水立管底部固定節點

4.4 密封性能、竣工驗收、維護要求

雨水斗安裝完成后應進行密封性驗收，對所有雨水斗進行封堵，并對屋面及天溝進行灌水，水位應淹沒雨水斗，持續時間≥1h，當雨水斗周邊屋面無滲漏現象方可認為其合格。雨水管道安裝完畢后，根據建筑高度要做灌水、通水試驗，灌水高度應達到各根立管上部雨水斗位置。其余管道應進行通水試驗，排水應通暢無堵塞，連接處不得出現滲漏。屋面及天溝應清理干凈，不得留有異物。每年須做巡檢，重點檢查雨水管道的固定處、排水天溝和雨水斗情況。

5 結語

本文基于大跨度屋面重力流鋼柱雨水排水系統安裝實例，開展對重力流雨水系統設計計算的研究，介紹了施工前技術把控、科學運用BIM分析并探討重要節點施工做法，為項目的順利實施奠定了理論基礎。從后期使用效果來看，整體排水能力在暴雨時安全良好，但在實施中仍有深刻教訓。首先，設計采用新的理念，對施工技術需嚴格要求。既要準備好方案策劃，又要做好安裝規劃及多個施工段落同步并進的統籌協調與配合。其次，過程中要注重屋面曲面造型內天溝的整體標高差異，需校核雨水口的最低點位，以避免影響雨水系統的正常運行。