国家速滑馆给排水系统设计

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国家速滑馆是北京2022年冬奥会北京赛区唯一的新建竞赛场馆，是北京2022年冬奥会的标志性场馆，冬奥会期间，国家速滑馆将承担速度滑冰项目（Speed Skating）的比赛和训练；冬奥会后，该馆将成为能够举办滑冰、冰球和冰壶等国际赛事及大众进行冰上活动的多功能场馆。本工程位于北京市奥林匹克公园规划范围内，2008 年奥运会临时场馆（曲棍球场、射箭场）原址，建筑面积129 800m2，地上三层，地下二层，檐口高度33.8 m，场馆坐席12 000座。

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给排水系统遵循“绿色、低碳、节水、安全”的设计理念，在2021年7月取得北京市三星级绿色建筑设计标识证书，采取的主要技术措施如下：①充分利用市政压力，低区市政直供，高区采用调贮水池和变频调速泵组联合加压供水；支管超过0.2MPa处设置支管减压阀；②采用一级节水器具，高效低噪水泵；③采用分级计量系统，设置总表对总用水量计量，并分功能或分管理单元设置分表；④室外绿化采用喷灌、滴灌等节水灌溉装置，设置土壤湿度感应器、雨天关闭等节水装置；⑤融冰废水和末端直饮设备废水回用于场馆冲厕，屋面雨水收集回用于室外绿化浇灌。

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3.1 雨水控制与利用

本工程雨水控制与利用的设计标准是保证建设区域的外排雨水总量不大于开发前的水平。结合本工程的整体规划方案，雨水控制及利用采用蓄留回渗和收集利用、调控排放相结合的方式，最终外排雨水流量径流系数为0.148，年径流总量控制率大于85%，满足《雨水控制与利用工程设计规范》（DB 11/685-2013）的相关要求。本工程入渗设施为下凹绿地、地面透水铺装，各类下垫面指标如表1所示。

表1 场地内各下垫面指标

根据市规发〔2012〕1316号文要求，硬化面积大于等于10 000 m2时，每10 000 m2配建不小于500 m3的雨水调蓄设施，本工程雨水调蓄池计算容积为2 805m3，结合场地的竖向设计，本项目共设置4个PP模块雨水池，分布于场馆南北两侧，其中2座雨水调蓄池用于收集场地内雨水口溢流排放的雨水。雨水口设在绿地内，高于绿地且低于路面，硬化道路广场雨水经绿草地截污入渗后，可降低室外雨水的固体悬浮物SS和有机物含量。另2座回用池用于回收经初期雨水弃流后的屋面雨水，屋面雨水所受污染较少，雨水原水较清洁，易于弃流后收集回用，将储存后的雨水经过滤、消毒简易处理后，水质满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T 18920-2002) 的规定。回用雨水用于小区室外绿化浇灌及路面冲洗，减少外排径流量的同时，实现水资源的节约及高效利用。

根据对中国主要城市降雨量资料数据“北京市1995～2010年各月降雨量”的统计整理，对全年雨量进行平衡计算，如图1所示。

图1 雨水回用月平衡计算分析

由上可见，本项目绿化、道路浇洒用水量较大，除了冬季室外作业较少，不考虑雨水回用以外，每年收集的雨水能全部用完并需要市政中水补充，每年可节省约25%的绿化、道路浇洒用水量。雨水径流组织如图2所示。

图2 雨水径流组织

3.2 屋面雨水系统

国家速滑馆采用目前世界体育馆中规模最大的单层双向正交大跨度马鞍形索网屋面，屋面构造复杂，性质重要，防水要求高，一旦出现渗漏，将造成巨大的影响和损失，因此对屋面的雨水系统提出了较高的设计要求。场馆屋面面积超大，合理划分汇水面积，合理进行流量分配对虹吸雨水系统的设计至关重要，因此设计阶段与建筑专业沟通协调，综合考虑天沟排水的有效性以及屋面美观效果，利用三维软件RHINO对屋面和雨水流向建模分析，最终确定了等高线天沟和环形天沟的设计方案，天沟设置如图3所示。

图3 屋面天沟设置

Rhino是美国Robert McNeel & Assoc 开发的强大的专业三维造型软件，该软件强大的曲面编辑能力使其在非线性建筑的设计上具有强大优势，是目前国内非线性建筑三维模型制作的主要软件。Grasshopper是Rhino平台下的可视化编程插件，其最大的特点是可以通过输入指令，使计算机根据拟定的算法自动生成结果。

首先在Rhino平台中输入屋顶平面三维模型图，提取数据信息构造出一个屋面概化平面，如图4所示，为了便于后续屋面雨水流向的三维展示，进一步提取速滑馆屋面的三维平面，见图5。其次利用Grasshopper 中电池组的构造连接来构建出屋面雨水径流条件，分别使用3种电池组插件Flow、HoopSnake、DownHill，完成屋面降雨事件的构建，上述3种方法都基于平面上生成点，然后利用电池组的特性来进行雨水路径的模拟，可以通过控制点数量的多少来代替雨量的大小，内部接法详见图6。最后将电池组应用到三维平面上即可完成屋面雨水径流流向的可视化模拟。

图4 屋面模型概化平面

  图5 屋面三维模型提取平面

  图6 电池组

模拟可视化结果展示如图7、图8所示，红色短线代表着雨水流动路径，在屋面概化平面内，雨水遍布于整个屋面。由于整个屋面呈现南北高、东西低的状态，雨水分布以中心位置向西北、东北、西南、东南方向的射线为明显的分界处，符合屋面高程起伏特点，与天沟的分布情况相符合，屋面内雨水径流流向能够按照前述子汇水分区划分结果，汇流至相应天沟内。说明子汇水分区的划分较为准确，满足设计意图，且可以通过Grasshopper+Rhino的数值计算组合，完成此类大型屋面上雨水径流流向的模拟。

  图7 屋 面概化模型平面雨水流向

图8 屋面三维模型平面雨水流向

汇水面积的划分是雨水系统设计计算的基础，上述等高线天沟对屋面的汇水面积进行了初次的划分，在实际的天沟加工中，是根据板缝排布和三维激光扫描现场实测结果来确定天沟在单元板块之间的具体位置，实际加工的天沟无法具有完美的弧度，只能以折线近似代替圆弧，同时板块的角部由于有起支撑作用的钢柱也不允许被截断，天沟需要绕行钢柱，如图9所示,因此实际的天沟沟底标高（图中蓝色曲线）相比等高线天沟会有一定的偏离，偏离程度如图10所示,图中右下角的数字为各沟底绝对标高的最小值和最大值，每条天沟都出现了局部倒坡的现象，雨水无法重力排除，因此在这些位置增加了雨水斗，依据雨水斗对应的区域对汇水面积进行了再次划分，最终形成了34个汇水区域。天窗外侧的环形天沟区域，因屋面坡度变化较大，汇水面积取值相对较小，区域划分相对较多，总体划分如图11所示。

  图9 屋面天沟板块

图10 A~H 8条天沟展开情况

  图11 雨水斗分布及屋面汇水面积划分情况

屋面雨水采用虹吸雨水系统，在系统未形成虹吸满管流流态前，其排水能力远小于虹吸满管流流态时的排水能力，在强降雨的初期来水量大于排水量，天沟的设置不仅要满足集水、导水、斗前水深、最小保护高度等要求，还需要将虹吸启动前系统不能及时排除的雨水量储存起来，以免溢水至室内，造成重大损失或不良社会影响。据此对每条天沟进行了分析计算，以天沟D为例，首先在天沟展开图上找到局部倒坡点，在所有的倒坡处设置雨水斗并在斗旁设置挡板，依据天沟实际存水容积大于对应汇水面积的虹吸系统启动前雨水量的计算原则，最终计算确定的天沟尺寸为800×480（h）mm，详见图12。

图12 天沟D存水容积计算

雨水系统的设计重现期不易选取过大，如果雨水量计算过大，形成虹吸的时间会因此推迟，甚至不能形成虹吸，造成系统安全性降低，排水效率降低。结合设计阶段现行国家规范，本工程排水系统设计重现期为10年，排水系统和溢流设施总设计重现期为50年，后期采用SWMM模拟软件分别对10、50、100年重现期下屋面雨水积水深度进行模拟计算，得出只有当100年重现期时，积水量会略微超过天沟内挡板深度并溢流至下一段天沟，但不会溢出天沟，说明虽然降雨会造成部分天沟内局部积水，但大部分天沟内的积水会在短时间内消退，不会造成较大的洪流风险。

在雨水在屋面经管系汇集后排至4个角部，溢流设施在南北两侧最低点，速滑馆屋面沿轴线对称，因此截取四分之一屋面雨水斗及雨水管线布置如图13所示。

图13 屋面雨水管线图（四分之一屋面）

索网结构是张力结构的一种重要形式，其体系受力合理，是一种典型的柔性结构和可变体系，其平衡形式随荷载分布方式而变，在承受恒荷载（结构自重、屋面做法、天窗、马道等）和活荷载（风荷载，雪荷载、温度作用等），会产生位移，并且结构变形会引起其内力重新分布，表现出很强的几何非线性。经结构分析，给出了屋面在各种特定工况组合下，屋面相对初始态的索网位移和变形情况，索网最大向上和向下竖向位移分别为-520mm和332mm，另外，在局部吊挂荷载作用下，屋面会出现局部较大的变形，在变形最大处的索夹会产生垂直于索夹平面1°夹角的转动。

速滑馆屋面的最外圈为设置在刚性环桁架区域的不锈钢天沟，其他均为设置在柔性索网区域的EPDM防水卷材天沟，因此大部分虹吸雨水管路需固定在柔性索网屋面下方，所面临的最大问题就是管路如何适应索网柔性屋面结构体系的形变。管道需要应对的特殊变形主要有两种，一种是屋面在不同荷载工况下的自身位移变形，另一种是不同荷载工况下刚性结构与柔性结构交界处的折角变形，所采取的主要技术手段如下：

（1）采用HDPE作为雨水管材。HDPE由于具有材料抗冲击性、抗开裂、耐老化、可挠度好等优点，相对于金属管材，更适合悬吊于柔性屋面下。

（2） 穿越刚性和柔性屋面交接处的管路设置补偿装置，经分析比较，补偿装置选用波纹金属软管+方形补偿器，经测试，500mm长波纹金属软管的拉伸变形量10 mm，偏转角度15°，可完全适应交接处的角度形变。

（3） 悬吊管固定于索网上，采用弹簧吊架，抵消部分形变；以槽钢代替方钢，作为悬吊管上方的悬吊支撑体系，槽钢在屋面板块搭接处断开以适应屋面板块间的位移形变，详见图14。

（4） 悬吊于索网下方的直管段，每间隔一定距离设置自然补偿，雨水斗与悬吊管连接时，设置自然补偿。

图14 水平悬吊管道固定形式

场馆的屋面系统较为复杂，因此在设计过程中对于和双曲马鞍型柔性索网屋面相关的各系统，包括雨水系统进行了专项科研，采用理论分析+数值模拟+现场试验的研究方法，对整个屋面虹吸雨水系统进行了分析和验证。

3.3 生活热水系统

场馆的生活热水需求主要是厨房和运动员淋浴，要求的热水温度为60℃，结合赛后使用功能，总设计小时耗热量为1 142 kW，热水系统分区与给水系统相同。冰场制冰系统全年有大量冷凝热排放，因此选用制冰冷凝热作为生活热水系统的主要热源，冷凝热不足时市政热力补充，冰场不运营无冷凝热时市政热力作为热源，系统原理如图15所示。

图15 生活热水原理

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本工程建筑空间复杂，功能重要，在设计阶段进行了“国家速滑馆项目特殊消防设计”论证会，结合论证会成果以及国家相关规范，进行了场馆的消防水系统设计。

本工程市政两路供水，在建筑红线内布置成环状管网，因内部建筑空间较大且高低错落，建筑功能重要，室内消防系统相对常规建筑也更为复杂，室内外各消防系统用水量如表2所示。

表2 消防水量统计

消防水池和消防水泵房设置于地下二层，泵房内共设置4组8台消防水泵，分别是室内消火栓泵、自动喷水灭火系统水泵、室内固定消防水炮水泵以及屋面固定消防水炮水泵，每组泵均1用1备，屋顶环桁架内设置36m3消防水箱。本文主要对室内及室外固定消防炮系统进行阐述。

4.1 室内固定消防炮灭火系统

场馆内赛场区域及观众看台区域为高大空间，场心净高约为20 m，设置固定消防炮灭火系统，在地下二层消防泵房内设置两台消防供水泵，在环桁架内设置环状干管，14门固定消防炮均由环管接出，采用360°水平转角、-85°～60°垂直转角的自动远程遥控消防炮，单炮流量30L/s，保护半径为55m。由于建筑空间复杂，利用Revit建模根据水炮模拟喷射角度，分析确定水炮保护范围，确定水炮安装位置及高度，详见图16，可保证两门水炮的水射流同时到达被保护区域的任一部位。

  图16 水炮保护范围分析情况

4.2 屋面固定消防炮灭火系统

速滑馆的屋面面积较大，屋面防水采用EPDM防水卷材，有近17 000m2防水卷材外露，防水卷材的燃烧性能为B2级，在“屋面防水消防论证会”中，要求“在屋面四周适当位置设置固定消防设施”，因此增设屋面固定消防炮灭火系统，此系统为屋面消防的增强设施，主要设计要点如下：

（1）屋面固定消防灭火系统采用贮水池、消防泵、高位水箱联合供水方式，只考虑室内或屋面的一次火灾，消防炮设计水量60L/s，供水时间2h，消防用水量为432m3，现状468m3消防水池满足设计要求。

(2) 共设置6门固定消防炮，其保护半径75m，用水量60L/s，详见图17、图18。结合固定消防炮基座，在每门水炮处设置一个DN65减压稳压消火栓，保护每门水炮附近屋面，室外固定消防炮设置保证单门水炮的射流到达被保护区域的任一部位。

  图17 屋面固定消防炮布置情况

图18 屋面固定消防炮射流范围研究

（3）屋面固定消防炮灭火系统与其他消防系统合用高位消防水箱，水箱设置位置低于屋面水炮，在系统充水高度以下的两根总立管上设置快速启闭电磁阀，阀前充水，阀后空管，系统高点设置快速排气阀，保证系统动作时充水时间小于5min。

（4） 此系统为消防辅助增强措施，为防止误喷，水炮仅设置手动和消防控制室内远程控制的操作方式，无火焰探测装置，无联动设置，仅随每个水炮设置监控装置。一般情况下，由屋面值守人员通过现场设置的手动控制箱来驱动消防水炮瞄准着火点，启动电动阀和消防水泵实施灭火；无人值守时，也可由消防控制中心，通过设在消防控制中心的消防炮集中控制柜配合炮前摄像头的现场监控视频来驱动消防水炮瞄准着火点，启动电动阀和消防水泵实施灭火。

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国家速滑馆项目于2017年底完成施工图设计，2021年4月通过国内测试赛，2021年7月正式通过竣工验收，后于2021年10通过国际测试赛，现已顺利完成冬奥会大道速滑项目的历史使命，场馆建筑外形和内部空间复杂，结构形式独特，在给排水系统的设计中有几点体会。

（1）“绿色、低碳”越来越成为建筑设计的重要因素，在设计中要注意结合建筑使用功能，采用相应的节水措施，适当回收优质杂排水，同时在设计生活热水系统时，结合项目特性，合理回收废热余热，降系统能耗。

（2）“安全”是消防系统追求的主要目标，速滑馆功能重要，空间复杂，为满足其各种空间结构和功能要求，采用了多种消防系统，尤其是采用了一些消防增强措施，进一步提高了建筑整体的安全性。

（3）设计中经常会遇到新技术带来的挑战，需要经过理论研究、模拟计算、实验验证等多项技术手段，同时结合产品调研、实施难易度来确定采用的技术措施。