虹吸式雨水排水系统在钢构厂房设计中与土建专业配合的几点问题探讨

张传波 （厦门中建东北设计院有限公司，福建 厦门 361012）

1 工程案例

福建某钢结构厂房于2013年设计，该厂房结构为钢结构体系，单层建筑面积约1.8万m2，长×宽约为200m×90m，属于丁、戊等类厂房。长边共设有4条天沟，分别为2条内天沟、2条外天沟。内天沟设计采用虹吸式屋面雨水排水系统排放屋面雨水，外天沟设计采用87型雨水斗，单斗单系统排放屋面雨水。工程于2015年下半年竣工验收并投入使用。在2017年4月份的一场普通降雨（降雨历时12h，过程雨量50～80mm），过程中采用虹吸式屋面雨水排水系统的两条内天沟排水不畅，导致雨水反灌至室内，造成室内的一些原材料被淹。

2 原因分析

事发后各方迅速的组织力量勘察现场，对照原来的设计图纸进行原因分析。

原设计图纸，暴雨强度的取值、雨水流量的计算、虹吸系统的水力计算等均满足规范要求，设计图纸不存在问题。略不足的是，未设溢流系统，但原系统排水能力直接按满足50年的重现期总排水量设计的，也满足了建水规[1]“一般建筑的重力流屋面雨水排水工程与溢流设施的总排水能力不应小于10年重现期的雨水量。重要公共建筑、高层建筑的屋面雨水排水工程与溢流设施的总排水能力不应小于其50年重现期的雨水量”的要求。

天沟内堆积树叶、树枝等杂物导致个别虹吸斗堵塞。这一问题主要是使用者或是物业管理部门运行维护不利造成的，这里不多做分析。

勘察现场过程中，对照设计图纸发现现场存在多处未按图施工状况。具体体现在：①大多的虹吸斗连接管比原设计图纸小一级且连接管下落过程中与钢结构连杆有碰撞施工未告知设计院，自行采取避让措施不合理；②原设计天沟尺寸：H×B=350mm×400mm，现场天沟H×B=250mm×250mm。显然这两点问题是导致排水不畅的主要原因。施工单位未做太多的辩解，并承诺负责整改到位，设计单位也配合出整改方案。

3 易产生隐患的节点讨论

事后在设计整改方案的过程中通过和施工单位的交流，发现前面设计的不精确也给施工留下了隐患。

整改后的节点示意图

①连接管与钢结构连杆的碰撞。大多数的钢结构体系，到柱顶一定距离时必然要设计结构连杆（连杆位置如图二所示），来维持结构的稳定。上述案例在设计时未发现连杆的问题，直接设计成如图一中“虹吸雨水斗1”的布置方式，施工时发现此问题未向设计反馈，直接用两个乙字形弯跨施工，导致系统压力损失变化破坏了压力平衡，影响系统的排水能力。如若在设计阶段水专业同钢结构专业仔细配合发现这个问题并解决，也就不会将困难留给施工班组了。在整改的方案中，笔者采用局部加宽天沟，落水管竖向同结构连杆错开的办法来规避这一问题，即图一中的虹吸雨水斗2的布置方式。这个问题涉及到更精确的水力计算来做为调整的依据，我们要按规程[2]的3.7章节来进行复核调整，尤其是要满足第3.7.11条文“当采用多斗系统时，各雨水斗至过渡段上游的水头损失允许误差应小于雨水斗斗面至过渡段上游几何高差的10%，且不大于10kPa。各节点水头损失误差也不应大于10kPa”的规定。更准确的应该按公式计算。对于虹吸雨水这个要求施工严格的设计内容在设计图上和施工交底时一定要特别指出，引起施工注意。

②天沟尺寸问题。实际是屋面钢构檩条与天沟的交接处，檩条的施工占用了天沟尺寸，致使天沟尺寸过小，未达到设计图纸标注的尺寸。设计天沟H×B=350mm×400mm，现场天沟H×B=250mm×250mm。据事后跟施工班组了解，因为当时下料方便，并未调整最后两个檩条之间的间距（如图二中A的尺寸），这一变化导致了D的尺寸变小了。图二中A值在设计阶段需要和结构仔细配合，最好是在结构图中标注好，这样更能引起施工的注意。另外，图二中C值的大小（即天沟深度）也要与建筑、结构专业精确配合好。本案中设计图纸中天沟深度都表示为350mm,但现实中最后完成的只有250mm深，据施工班组反馈，现实中不少都是这么干的，而且使用后也没有发生问题，所以他们理所当然的按经验施工了。所以对于虹吸雨水这个要求施工严格的设计内容在设计图上和施工交底时一定要特别指出，引起施工注意。整改方案中，笔者与结构专业配合调整了图二中A值，使沟的宽度有所保证。另外也与结构专业配合在檩条下方增设了垫块（如图二所示），调整了图二中C值使沟深得以保证。上述内容涉及到天沟的宽度和深度，在规程[2]3.2.2条和3.2.4条中都作了“天沟的过水断面应根据汇水面积的设计流量计算确定，雨水斗设置点的天沟宽度应保证雨水斗周边均匀进水，并应保证雨水斗外边缘距天沟内壁间距不应小于100mm。”以及“天沟有效深度应为设计水深加保护高度。天沟的有效水深不宜小于250mm，保护高度不得小于75mm。当采用金属屋面且雨水可能经天沟溢入室内时，保护高度不得小于100mm。”的规定。另外要注意的是，天沟尺寸的变化直接影响天沟的有效蓄水容积，规程[2]3.2.6条“天沟的有效蓄水容积不宜小于汇水面积雨水设计流量60s，且不宜小于虹吸启动时间的降雨量。当屋面坡度大于2.5%且天沟满水会溢入室内时，经计算若虹吸启动时间大于60s时，天沟的有效蓄水容积不宜小于汇水面积雨水设计流量2min，且不应小于虹吸启动时间的降雨量。”已经对天沟的有效蓄水容积有了明确的规定，在设计时要注意。

4 案例之外的几点领会与同行探讨

①天沟的形式要与建筑专业确认是封闭不漏水的还是非密闭会溢水到室内的。采用建水规[1]公式4.9.2计算设计雨水流量的同时，要额外关注本条小注内容“当天沟集水且沟檐溢水会流入室内时，设计暴雨强度应乘以1.5的系数。”

②前文提到，“案例中未设溢流系统，系统排水能力直接按满足50年的重现期总排水量设计”虽未违反规范要求，但也比较不妥。从规程[2]3.1.3条文解释可以看出，为了保证较小降雨时，系统的水平管道内有足够的自清流速，是不推荐采用增加设计重现期的方法来替代溢流口或溢流系统的。虹吸式雨水排水系统的设计则与重力流系统完全不同，虹吸式系统是极限排水流量设计的，即当暴雨强度大于设计的重现期时，虹吸式雨水排水系统将失去平衡。而在现实建筑生命期中，降雨超过重现期的情况势必存在，这时候溢流系统显得更为安全。为了安全起见，本案例事后也增加了溢流口。

③案例中提到采用虹吸式屋面雨水排水系统的2条内天沟排水不畅问题。笔者很疑惑，为什么同样是外天沟未按图施工、立管与钢构连杆碰撞直接用2个乙字形弯跨接施工，而没有发生溢水。通过查阅一些资料发现，在重力流系统中，以雨水斗为研究对象，国内曾做过相关的研究，在一定工况下，87型雨水斗（DN100）处，其泄水流量达30L/s，而建水规[1]规定的设计泄水量仅为12L/s，远远小于实际泄水流量。以雨水排水系统的悬吊管为研究对象，按规定，重力流屋面雨水排水管系的悬吊管应按非满流设计，其充满度不宜大于0.8，而不是按可能发生的满管流设计，显然其设计流量也小于实际排水流量。以雨水立管为分析对象，按照建水规[1]条文说明中提到的重力流雨水立管的最大泄流量是充水率为0.35的水膜重力流理论计算值，而实际上雨水立管可能出现的充水率可达80%以上。因此，重力流雨水系统能够排除一定的超设计重现期的雨水，其设计是有富余的。

另外，笔者认为跟现场的87斗和虹吸斗的进水格栅间距有关系。87斗格栅间距较大，一些小的树枝、树叶直接就通过87雨水斗排走了，相反虹吸斗格栅间距相对较小，现场也就堵得更为严重。

5 总结

①由于历史原因，国内虹吸式屋面雨水排水系统排水设计很不重视计算，许多设计院基本不做计算，需要我们拿出责任心，要对后期中标厂商的深化图纸和水力计算书进行仔细复核。

②虹吸式屋面雨水排水系统对压力平衡、管道的密闭性要求非常高，需要精确计算、精确施工，随意变更管道走向或接管位置可能导致无法形成虹吸排水，系统失败，需要有经验的、非常专业的施工队伍来进行施工。

③完成一个优质的工程设计需要各专业的通力合作、高度负责，完成一个好的优质项目，更需要设计、施工、业主等多方的高效沟通、精确配合。