上海世博会主题馆屋面雨水排水系统设计

1工程概况
世博会主题馆为上海世博会园区内五大永久场馆之一,在世博会期间主要承担演绎、展示本次世博会主题———“城市,让生活更美好”的重任,日均参观人数估计在12.5万人次。
主题馆建筑面积12万余m2,高度24m,南北跨度212m,东西跨度288m,其中西展厅为单层无柱大空间,东展厅为2层大空间,东西展厅间为休息连廊区。主题馆屋面采用大跨度钢结构形式,水平投影面积6.4万m2,5min雨水流量4400L/s。屋面由形状相同或对称的单元组合而成,见图1。

2雨水系统
2.1系统选择
由于传统的重力流雨水排水系统需要较大的敷设坡度,排水能力有限,因主题馆屋面汇水面积大,结构形式比较复杂,设计一开始就决定采用压力流(虹吸式)雨水排水系统。
主题馆休息区及东展厅均有地下室,且休息厅下方地下室均为会议室或电气设备用房等不宜或不能敷设雨水管的场所,为避免雨水出户管道过长而占用较多的地下室空间,所有压力流(虹吸式)雨水立管只能选择在整个建筑的东西两端设置。雨水系统在设计时,每个独立的屋面单元均设有单独的288m长雨水天沟,在天沟的两端设置雨水立管。

2.2系统试验
由图1可以看到,主题馆屋面每个单元均有18%的坡度,初步设计有人提出暴雨时,雨水沿屋面板在此坡度下由近3m的高度汇入雨水天沟是否会将空气带入压力流(虹吸式)雨水斗,进而破坏整个压力流(虹吸式)排水系统。为了确保系统的安全,设计方在“同济大学环境保护产品检测中心”的主持下与吉博力公司做了模拟试验,试验的主要材料见表1,试验装置见图2,雨水管水力计算简图见图3。



试验中采用的雨水斗额定流量为12L/s,但系统的设计流量为8.1L/s,雨水斗及其接管和水平及气流状况。为了避免水流冲击引起的波动,天沟的斗前水位采用测压管测量,系统的流量由设在上水管上的电子流量计测定。
试验首先考察了在流量不变(8L/s)的情况下,调整屋面板的倾斜角度,在坡度分别为6%、12%、18%及24%时,观察斗前水深是否存在较大的差异。试验数据见表2。

由表2可以看出,在流量恒定的情况下,坡度的变化对斗前水深的影响不大,但屋面的坡度对系统还是有一定的影响,如雨水斗的额定流量为12L/s,其设计斗前水深为35mm,而在淹没水深大于35mm的情况下其流量仍低于12L/s,这是由于部分屋面雨水的水流正对准雨水斗的边缘,将空气带入了雨水斗内,造成系统的排水能力下降。试验时可以看到透明管道内有较多的气体在扰动。
为了考察整个系统的最大排水能力,本工程又进行了如下试验,在坡度为18%时,提高水泵的流量,观察在各种流量状况下,系统平衡后的斗前水深。数据见表3。
由表3中可以看出,当斗前水深接近60mm时,系统的排水流量为设计流量的124%,此时横管中仍掺杂有气体,而当斗前水深接近190m时,系统横管内无气体存在,而系统的排水能力已达到设计流量的132%。
由以上试验可以得出如下结论,即使在主题馆大坡度的屋面情况下,只要设计参数取值恰当,计算准确,压力流(虹吸式)雨水排水系统安全可靠。

2.3系统设计
系统设计首先面临的是重现期的选择。根据《建筑给水排水设计规范》(GB50015—2003)4.9.5条规定,一般性建筑屋面的设计重现期为2～5年,重要公共建筑屋面为10年。主题馆作为世博会的主要展馆之一,其重要性不言而喻,其设计重现期取值是否需要高于规范要求呢?根据德国工程师协会标准《屋面虹吸排水系统》(VDI3806)规定,压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统必须设置溢流口或溢流系统,且该溢流系统须独立于其他压力流(虹吸式)排水系统。图4为压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统的工作原理。

图4 　压力流(虹吸式) 屋面雨水排水系统工作原理
由图4可以看到,选择更高的设计重现期并不代表系统就有了更高的安全性:
(1)选择更高的设计重现期会使系统的管径更大,增加了不必要的额外投资。
(2)过大的管径和更高的设计重现期会使得压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统绝大部分时间都为传统的重力排水而不能形成压力流(虹吸式)排水;而由于压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统水平悬吊管多数没有坡度,这就使得此时的排水效率可能比传统重力排水系统还低,大大增加了对建筑结构的潜在危害。
(3)认为选择了更高的设计重现期而没有必要设置溢流系统的想法是错误的,因为一旦管路因意外情况堵塞,雨水无法从屋面上及时排除,会对建筑结构和生命财产造成巨大的危害。
正是基于以上考虑,最终主题馆设计重现期确定为10年,并设置溢流系统,加上溢流系统可满足重现期为100年的排水能力。管道设计方面,采用多斗排水系统。经计算,按每个压力流(虹吸式)雨水斗的流量为25L/s计,每个屋面单元需设置16个雨水斗,雨水斗平均分布于雨水天沟内。悬吊管沿钢结构桁架水平安装。大部分排出管的流速控制在4m/s以内,管材均选用高密度聚乙烯(HDPE)管材,热熔连接。另外,由于压力流(虹吸式)雨水排水系统出户管道雨水流速大,为了减少雨水对出户检查井的冲刷,所有压力流(虹吸式)雨水排水系统的出户检查井材质均采用混凝土,且下游排水管均放大2档,降低流速。此外为了有效排放雨水系统中夹杂的气体,检查井盖板上增加了一定面积的泄压孔。

2.4系统组成
2.4.1雨水斗
压力流(虹吸式)雨水斗是雨水排水系统中一个重要的组成部件,其独特的设计具有气水分离功能,在雨水汇集时能够防止涡旋的产生,从而更有效地阻止空气进入压力流(虹吸式)雨水排水系统,保证系统正常、安全运行。

2.4.2管材管件和紧固系统
(1)管材重量轻。由于压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统管道的重量需由建筑结构承担,所以在保证系统稳定、安全、高效工作的前提下减小管道系统的重量,对降低整个工程造价起着非常重要的作用,尤其是钢结构屋面的压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统,合理选择管材将极大减少屋面结构的用钢量。
(2)管道的连接必须牢固、密闭性能好。降雨过程中,管道系统内由于连接密闭性能不好而导致系统内大量渗入空气,造成压力流(虹吸式)雨水排水系统始终是以传统重力排水工作而不能形成稳定、高效的压力流(虹吸式)排水,排水效率极低,从而导致屋面迅速积水,严重时会造成重大安全事故。
(3)管道系统和紧固系统应具有良好的吸收振动特性。压力流(虹吸式)屋面雨水排水实际上是多种流态(波浪流、脉冲流、活塞流、泡沫流和满管流)混合交替的过程,其与传统重力排水转换过程中会产生较大的振动,这就要求系统配备有相应的措施,如使用低弹性模量的管材和强有力的紧固系统抵消这些振动而不是将这些振动传递给建筑结构,确保建筑结构的安全。
(4)为保证水力计算的精确度,管材和管件以及与雨水斗的连接短管均采用相同的材质。相同的材质使得系统计算取定的管材特性参数一致,并且能够保证管材连接的统一性,大大降低了系统管道连接处渗气的可能性。
(5)在系统安装时,为保持良好的水力状况应使用大曲率半径的弯头和顺水Y型三通,严禁使用T型三通。悬吊管与立管、立管与排出管的连接应采用2个45°弯头或大曲率半径的弯头。

3结语
经历了30多年的发展,压力流(虹吸式)雨水排水系统技术已相当成熟,在国内已有很多成功应用经验。世博会主题馆主体结构已封顶,现正处于设备安装阶段,其压力流(虹吸式)雨水排水系统的设计经验可为类似大坡度、大汇水屋面工程提供可借鉴经验。

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