虹吸雨水系統設計在臨港某科技創新城項目中的應用

上海作為中國沿海的大城市中最為璀璨的明珠，在地理位置上，屬于北亞熱帶季風氣候，四季分明，每年至少有 1～2 個臺風影響時間段，雨量較為充沛，年均降雨量達到 1 124 mm，降雨總量約為 70×108m3/a。據統計，除了因為蒸發、滲透等因素影響而損失的水量，上海雨水總量為 24×108m3/a。從數據上來看，如此多的雨水量必定對建筑物的雨水排放和引流是一個極大的考驗。

上海臨港某科技創新城項目坐落在臨港新片區板塊內，毗鄰東海，受海洋性氣候的影響，一年四季雨水較充足，特別是夏初的梅雨季節和夏秋的臺風季節，陣雨頻繁。該項目的 S 型裙房屋面面積寬廣，總面積達到了 13 090 m2，而且裙房采用多處大跨度、大懸挑鋼結構，最大懸挑長度達 53 m，為了減輕裙房屋面雨水量對建筑結構的承載壓力，降雨時必須使屋面積蓄的雨水在短時間內迅速排出，故本項目采用較為先進的虹吸雨水系統來實現建筑物雨水的排出功能。

1 虹吸雨水系統特點

1.1 系統特性及原理

虹吸式屋面雨水排放系統是充分利用了“伯諾里”方程，符合虹吸滿管壓力流設計原理，進行參數化科學性的計算。該系統采用與傳統 87 型雨水斗完全不同的特殊構造的雨水斗，安裝在屋面天溝內，僅需要較淺的水深，即可在管道中形成滿管流狀態，以此來隔絕空氣對雨水下沉流動的阻礙，同時該原理利用了建筑屋面與地面的高差所產生的勢能，在內部管道中形成真空狀態，在外部大氣壓的趨勢下，使雨水斗及水平管內獲得附加的水流壓力，這種工況在流體力學上稱之為虹吸現象。圖1 所示直觀的展示了雨水在重力系統和虹吸系統管內狀態的區別。利用該作用力，極大地加快水在排水管道內的流速，可以讓雨水迅速地排出屋面。該系統由特殊構造的雨水斗、雨水管材、金屬管配件、固定支架系統等組成。

圖1 重力式雨水和虹吸雨水管管內狀態

1.2 虹吸式排水和重力式排水系統設計上區別

（1）重力式雨水系統設計原理如圖2 所示。重力流雨水排水方式在設計原理上，圍繞重力勢能這一特點，依靠屋面結構上的傾斜坡度（土建需要進行放坡），重力自然匯集，流入屋面上的雨水斗內，而常用的 87 型雨水斗屬于開放式雨水斗，通常情況下流入雨水斗的雨水會滲入空氣，在管內形成氣水混合物。在設計上需要進行人為手算，手算過程難免出紕漏，往往管徑被放大 50%～80%，同時屋面設計師需要考慮足夠的坡度，極大地限制了屋面結構及設備布局。在這種情況下要有效排水，需增加雨水斗及相應的排水立管，占用大量屋面有效面積；豎向立管經過統一匯集后進入室外的雨水管網。

圖2 重力式雨水系統設計原理圖

（2）虹吸式雨水排水系統設計原理如圖3 所示。雨水匯集在屋面時，開始階段，虹吸式雨水系統與傳統的重力式排水系統的雨水匯集方式區別不大，都是依靠自身重力進行排出，惟一的區別在于屋面坡度要求不高。隨著雨水在雨水斗處聚集到移動的液位高度時，虹吸雨水斗的特殊構造起到的作用，雨水進入時會自動隔絕空氣進入雨水斗內，從而產生虹吸效果，因此排水量會大大增加。但同時屋面的雨水斗處會形成較大的壓力，不僅對雨水斗本身，也對下部管道及上部屋面產生較大的承載要求，相對于重力式排水系統來說，在水力計算、產品選用和整個屋面系統性布局上，要有更為詳細的設計考慮。

圖3 虹吸式雨水系統設計原理圖

1.3 虹吸排水與重力排水系統在施工上的區別

（1）傳統重力式雨水系統在設計及施工上，要求管徑較大，需要設置 1%～3% 的管道放坡，屋面設置大量的雨水斗及在建筑物里面上設置立管，在地面進行大范圍的開挖工作，設置底部匯流主管。埋地管道數量較多，施工難度和周期均較大。

（2）虹吸式雨水系統在設計及施工上，要求管徑較小，懸吊的管道無需考慮放坡要求，雨水斗和立管數量相對少很多，地面開挖工作覆蓋面積少，埋地管道數量少。

1.4 先進的虹吸排水系統優勢

（1）通過兩種系統的構造及施工要求可知。在設計上虹吸雨水系統靈活多變，計算過程需要通過精確的程序進行準確布點，前期工作較為細致，但立管減少，相應的需要建筑設計配合的管道井布置設計工作量大大降低。

（2）在施工上管道無需考慮放坡要求，地面開挖工作量大大減小，現場施工量大大降低，施工安全快捷，立管的減少增加了建筑施工面積，管材用量的減少契合綠色建筑理念，管道同時具備自潔功能，適用于各種類型的建筑物。

2 虹吸雨水系統設計計算

（1）方案概述。上海臨港某科技創新城項目的虹吸雨水方案，參照上海暴雨強度重現期P＝10 a 進行虹吸雨水系統設計，立管按設計院確定位置布置，出戶管暫設至室外 5 m。

（2）匯水流量計算。匯水面積按照屋面的水平投影面積計算，高出屋面部分的側墻面積按 GB 50015-2019《建筑給水排水設計標準》的相關規定折算為匯水面積。① 設計參數:上海市暴雨強度重現期P＝10 a，5 min 暴雨強度q5＝5.79 L/s×100 m2，徑流系數Ψ＝1.0；② 計算結果：屋面匯水面積為 13 090 m2，分為如圖4 所示的裙房屋面 1、2、3 區域，共劃分 10 個子系系統，采用 64 個虹吸雨水斗將屋面雨水排出。

圖4 裙房屋面雨水覆蓋區域劃分圖

（3）設計要點。① 雨水斗布置在天溝內，天溝要求連通、水平無坡度，寬≥600 mm，深 300 mm；② 連接在同一懸吊管上的雨水斗斗體，要求安裝在同一高度的水平面上，以此確保在排水過程中，雨水斗均能保持在同一水位進水，隔絕空氣，排水過程呈現有壓流狀態；③ 各個子系統需經水力計算，校核各個參數，各節點壓力差值不得超過 0.005 MPa，以此來滿足壓力平衡要求；④ 懸吊管管內液體的流速不得小于 1.0 m/s，立管管內液體的流速不小于 2.2 m/s。

（4）虹吸式雨水分支管計算。通過匯流量計算可知，64 個虹吸雨水斗分配在 10 個分支管中，以其中管段 1 為例，進行管徑選取，通過表1 的虹吸雨水管（HDPE 材質）的載荷數值，可以得到圖5 的管段 1 的軸側系統圖，及其對應管道的設計參數。

表1 虹吸雨水管（HDPE材質）荷載表 單位：kg/m

圖5 虹吸雨水管管段 1 的軸側系統圖

同理可得其余 9 個分支管的管段設計參數，管段大小、支架類型、管道布置圖均需匹配建筑及結構圖紙。

3 虹吸雨水系統施工要點

（1）雨水斗選型要點。雨水斗的選型和安裝，是能否及時阻擋空氣進入到雨水管內，加快雨水排出的關鍵。本項目選取了防漩渦整流和空氣擋板一體化的雨水斗，極大限度地排除了雨水進入系統時所夾帶的空氣量，只需要很低的斗前水位就能快速形成虹吸現象。

（2） 雨水斗安裝施工要點。①屋面的做法一般按土建相關圖集設計施工，其中的篦子為成品件，或用鋼制篦子代替；②雨水斗必須注重防滲漏措施，安裝時，需將自粘密封圈、防水卷材鋪貼在底座上，必須用固定螺栓把防水壓環壓緊避免滲漏，并用防水密封膏做封邊處理；③如采用非預埋安裝時，雨水斗安裝完成后，斗體四周需用水泥砂漿或其他密實材料填充，不得存有縫隙，消除滲漏隱患。

（3） 管道固定懸吊系統施工要點。固定懸掛系統包括與管道平行的方形鋼導軌、管道與方形鋼導軌間的連接管卡，固定鋼導軌的吊架、方形鋼導軌接合器、利用錨固管卡安裝的管道的固定點等部分。作為虹吸雨水排放系統的輔助部分，固定懸吊系統同時也是對系統的穩定起到至關重要作用的部件。在剛性安裝的排水系統中，管道及部件不可避免的熱脹冷縮，聚集的應力會造成建筑結構造成破壞。無論是下水過程動載荷帶來的外力，還是自身的靜載荷，以及自身熱脹冷縮引起的應力，都由連接件傳至方形導軌，大部分進行了應力緩沖消除，因此降低了對建筑結構的影響。虹吸雨水管道室內部分施工必須在二結構完成后，吊頂封閉前，進行安裝就位，并按要求進行灌水試驗，確保管道連接處無滲漏，管內垃圾已清除。同時現場需要匹配相應的抗震支架設置，避免與之干涉。圖6 為吊頂施工前已經安裝完成的虹吸雨水管道。

圖6 管道固定懸吊系統現場實物圖

4 結 語

上海臨港某科技創新城項目 13 090 m2的裙房屋面采用虹吸雨水系統，作為沿海地區，每逢臺風攜帶大雨來襲，是最考驗建筑物排水（雨水）能力的時候。

2020 年 8 月 4-5 日，臺風黑格比的大風大雨對上海造成影響，極端過程雨量達到了 176 mm（浦江第三小學氣象觀測站測得）。2021 年 7 月 24-27 日第 6 號臺風攜帶大雨來襲，累計雨量達到163.9（崇明）～416.5（金山）。這兩個超強臺風造成上海各個區域路面大面積積水，而本項目擁有超大面積裙房屋面，積水問題最為嚴峻。本工程依靠強大的虹吸雨水系統的排水能力，在沿海直面臺風的第一線，經受住了雨水的侵襲，積水情況遠遠好于預期，依據當時記錄的數據，屋面積水在最大雨量情況下，也未超過 5 cm，避免了雨水倒灌進辦公區域，很好地保證了整個建筑物的排水能力。