虹吸雨水系统设计在临港某科技创新城项目中的应用

上海作为中国沿海的大城市中最为璀璨的明珠，在地理位置上，属于北亚热带季风气候，四季分明，每年至少有 1～2 个台风影响时间段，雨量较为充沛，年均降雨量达到 1 124 mm，降雨总量约为 70×108m3/a。据统计，除了因为蒸发、渗透等因素影响而损失的水量，上海雨水总量为 24×108m3/a。从数据上来看，如此多的雨水量必定对建筑物的雨水排放和引流是一个极大的考验。

上海临港某科技创新城项目坐落在临港新片区板块内，毗邻东海，受海洋性气候的影响，一年四季雨水较充足，特别是夏初的梅雨季节和夏秋的台风季节，阵雨频繁。该项目的 S 型裙房屋面面积宽广，总面积达到了 13 090 m2，而且裙房采用多处大跨度、大悬挑钢结构，最大悬挑长度达 53 m，为了减轻裙房屋面雨水量对建筑结构的承载压力，降雨时必须使屋面积蓄的雨水在短时间内迅速排出，故本项目采用较为先进的虹吸雨水系统来实现建筑物雨水的排出功能。

1 虹吸雨水系统特点

1.1 系统特性及原理

虹吸式屋面雨水排放系统是充分利用了“伯诺里”方程，符合虹吸满管压力流设计原理，进行参数化科学性的计算。该系统采用与传统 87 型雨水斗完全不同的特殊构造的雨水斗，安装在屋面天沟内，仅需要较浅的水深，即可在管道中形成满管流状态，以此来隔绝空气对雨水下沉流动的阻碍，同时该原理利用了建筑屋面与地面的高差所产生的势能，在内部管道中形成真空状态，在外部大气压的趋势下，使雨水斗及水平管内获得附加的水流压力，这种工况在流体力学上称之为虹吸现象。图1 所示直观的展示了雨水在重力系统和虹吸系统管内状态的区别。利用该作用力，极大地加快水在排水管道内的流速，可以让雨水迅速地排出屋面。该系统由特殊构造的雨水斗、雨水管材、金属管配件、固定支架系统等组成。

图1 重力式雨水和虹吸雨水管管内状态

1.2 虹吸式排水和重力式排水系统设计上区别

（1）重力式雨水系统设计原理如图2 所示。重力流雨水排水方式在设计原理上，围绕重力势能这一特点，依靠屋面结构上的倾斜坡度（土建需要进行放坡），重力自然汇集，流入屋面上的雨水斗内，而常用的 87 型雨水斗属于开放式雨水斗，通常情况下流入雨水斗的雨水会渗入空气，在管内形成气水混合物。在设计上需要进行人为手算，手算过程难免出纰漏，往往管径被放大 50%～80%，同时屋面设计师需要考虑足够的坡度，极大地限制了屋面结构及设备布局。在这种情况下要有效排水，需增加雨水斗及相应的排水立管，占用大量屋面有效面积；竖向立管经过统一汇集后进入室外的雨水管网。

图2 重力式雨水系统设计原理图

（2）虹吸式雨水排水系统设计原理如图3 所示。雨水汇集在屋面时，开始阶段，虹吸式雨水系统与传统的重力式排水系统的雨水汇集方式区别不大，都是依靠自身重力进行排出，惟一的区别在于屋面坡度要求不高。随着雨水在雨水斗处聚集到移动的液位高度时，虹吸雨水斗的特殊构造起到的作用，雨水进入时会自动隔绝空气进入雨水斗内，从而产生虹吸效果，因此排水量会大大增加。但同时屋面的雨水斗处会形成较大的压力，不仅对雨水斗本身，也对下部管道及上部屋面产生较大的承载要求，相对于重力式排水系统来说，在水力计算、产品选用和整个屋面系统性布局上，要有更为详细的设计考虑。

图3 虹吸式雨水系统设计原理图

1.3 虹吸排水与重力排水系统在施工上的区别

（1）传统重力式雨水系统在设计及施工上，要求管径较大，需要设置 1%～3% 的管道放坡，屋面设置大量的雨水斗及在建筑物里面上设置立管，在地面进行大范围的开挖工作，设置底部汇流主管。埋地管道数量较多，施工难度和周期均较大。

（2）虹吸式雨水系统在设计及施工上，要求管径较小，悬吊的管道无需考虑放坡要求，雨水斗和立管数量相对少很多，地面开挖工作覆盖面积少，埋地管道数量少。

1.4 先进的虹吸排水系统优势

（1）通过两种系统的构造及施工要求可知。在设计上虹吸雨水系统灵活多变，计算过程需要通过精确的程序进行准确布点，前期工作较为细致，但立管减少，相应的需要建筑设计配合的管道井布置设计工作量大大降低。

（2）在施工上管道无需考虑放坡要求，地面开挖工作量大大减小，现场施工量大大降低，施工安全快捷，立管的减少增加了建筑施工面积，管材用量的减少契合绿色建筑理念，管道同时具备自洁功能，适用于各种类型的建筑物。

2 虹吸雨水系统设计计算

（1）方案概述。上海临港某科技创新城项目的虹吸雨水方案，参照上海暴雨强度重现期P＝10 a 进行虹吸雨水系统设计，立管按设计院确定位置布置，出户管暂设至室外 5 m。

（2）汇水流量计算。汇水面积按照屋面的水平投影面积计算，高出屋面部分的侧墙面积按 GB 50015-2019《建筑给水排水设计标准》的相关规定折算为汇水面积。① 设计参数:上海市暴雨强度重现期P＝10 a，5 min 暴雨强度q5＝5.79 L/s×100 m2，径流系数Ψ＝1.0；② 计算结果：屋面汇水面积为 13 090 m2，分为如图4 所示的裙房屋面 1、2、3 区域，共划分 10 个子系系统，采用 64 个虹吸雨水斗将屋面雨水排出。

图4 裙房屋面雨水覆盖区域划分图

（3）设计要点。① 雨水斗布置在天沟内，天沟要求连通、水平无坡度，宽≥600 mm，深 300 mm；② 连接在同一悬吊管上的雨水斗斗体，要求安装在同一高度的水平面上，以此确保在排水过程中，雨水斗均能保持在同一水位进水，隔绝空气，排水过程呈现有压流状态；③ 各个子系统需经水力计算，校核各个参数，各节点压力差值不得超过 0.005 MPa，以此来满足压力平衡要求；④ 悬吊管管内液体的流速不得小于 1.0 m/s，立管管内液体的流速不小于 2.2 m/s。

（4）虹吸式雨水分支管计算。通过汇流量计算可知，64 个虹吸雨水斗分配在 10 个分支管中，以其中管段 1 为例，进行管径选取，通过表1 的虹吸雨水管（HDPE 材质）的载荷数值，可以得到图5 的管段 1 的轴侧系统图，及其对应管道的设计参数。

表1 虹吸雨水管（HDPE材质）荷载表 单位：kg/m

图5 虹吸雨水管管段 1 的轴侧系统图

同理可得其余 9 个分支管的管段设计参数，管段大小、支架类型、管道布置图均需匹配建筑及结构图纸。

3 虹吸雨水系统施工要点

（1）雨水斗选型要点。雨水斗的选型和安装，是能否及时阻挡空气进入到雨水管内，加快雨水排出的关键。本项目选取了防漩涡整流和空气挡板一体化的雨水斗，极大限度地排除了雨水进入系统时所夹带的空气量，只需要很低的斗前水位就能快速形成虹吸现象。

（2） 雨水斗安装施工要点。①屋面的做法一般按土建相关图集设计施工，其中的篦子为成品件，或用钢制篦子代替；②雨水斗必须注重防渗漏措施，安装时，需将自粘密封圈、防水卷材铺贴在底座上，必须用固定螺栓把防水压环压紧避免渗漏，并用防水密封膏做封边处理；③如采用非预埋安装时，雨水斗安装完成后，斗体四周需用水泥砂浆或其他密实材料填充，不得存有缝隙，消除渗漏隐患。

（3） 管道固定悬吊系统施工要点。固定悬挂系统包括与管道平行的方形钢导轨、管道与方形钢导轨间的连接管卡，固定钢导轨的吊架、方形钢导轨接合器、利用锚固管卡安装的管道的固定点等部分。作为虹吸雨水排放系统的辅助部分，固定悬吊系统同时也是对系统的稳定起到至关重要作用的部件。在刚性安装的排水系统中，管道及部件不可避免的热胀冷缩，聚集的应力会造成建筑结构造成破坏。无论是下水过程动载荷带来的外力，还是自身的静载荷，以及自身热胀冷缩引起的应力，都由连接件传至方形导轨，大部分进行了应力缓冲消除，因此降低了对建筑结构的影响。虹吸雨水管道室内部分施工必须在二结构完成后，吊顶封闭前，进行安装就位，并按要求进行灌水试验，确保管道连接处无渗漏，管内垃圾已清除。同时现场需要匹配相应的抗震支架设置，避免与之干涉。图6 为吊顶施工前已经安装完成的虹吸雨水管道。

图6 管道固定悬吊系统现场实物图

4 结 语

上海临港某科技创新城项目 13 090 m2的裙房屋面采用虹吸雨水系统，作为沿海地区，每逢台风携带大雨来袭，是最考验建筑物排水（雨水）能力的时候。

2020 年 8 月 4-5 日，台风黑格比的大风大雨对上海造成影响，极端过程雨量达到了 176 mm（浦江第三小学气象观测站测得）。2021 年 7 月 24-27 日第 6 号台风携带大雨来袭，累计雨量达到163.9（崇明）～416.5（金山）。这两个超强台风造成上海各个区域路面大面积积水，而本项目拥有超大面积裙房屋面，积水问题最为严峻。本工程依靠强大的虹吸雨水系统的排水能力，在沿海直面台风的第一线，经受住了雨水的侵袭，积水情况远远好于预期，依据当时记录的数据，屋面积水在最大雨量情况下，也未超过 5 cm，避免了雨水倒灌进办公区域，很好地保证了整个建筑物的排水能力。