科技园科技大厦虹吸式雨水排放系统的设计.doc

清华科技园科技大厦虹吸式雨水排放系统 - 13 -清华科技园科技大厦虹吸式雨水排放系统钱爱州1 施工单位：1. 北京中关村开发建设工程总承包公司摘要清华科技园科技大厦二层大平台雨水系统共设30只雨水斗，分9个系统。由虹吸雨水专业公司：瑞士吉博力中国北京分公司设计。吉博力公司生产的HDPE雨水管材、雨水斗（排水量为25升/秒）及配件通过英国BBA认证，系统设计符合德国DIN标准，具有国际一流品质。1、产品技术特点1.1概述： 虹吸式屋面雨水排放系统是一种新型的雨水排放方案，与传统的重力式雨水排放系统是完全不同的。整套系统由于规模比较大，各个部件象水分子一样紧密相连。该系统需要保证水力上的平衡才能使其正常工作，而且其施工安装也必须精确地按照系统的水力计算与应用规定才能实施。与传统重力式雨水排放系统相比其区别之处主要在于：重力式雨水排放系统假设雨水立即从屋面排出。而虹吸式雨水排放系统则不同，在最初的一段时间里，该系统与重力式雨水排放系统差不多，都是利用重力进行排水，然而由于空气会同时进入雨水斗内，导致雨水斗的排水能力有限。当屋面上的水位达到一定高度时，雨水斗会自动隔断空气进入斗内，从而产生虹吸效果，系统也转变成为高效的排放系统，排水量大大增加。但是水位的高低取决于屋面的雨水量，而雨水量则势必给屋面造成一定的重量负荷。这种负荷必须受到控制，而且必须保持水力条件的平衡。如果负荷太大，会破坏屋面结构。根据欧洲长期的实际经验以及欧洲标准，水位高度必须限制在55毫米内。因此虹吸式屋面雨水排放系统是一种高科技的排水系统。系统的计算，雨水斗的设计布局，以及系统的安装技术，具有很高的质量保证。虹吸式屋面雨水排放系统来能防范渗漏的问题。 1.2虹吸式屋面雨水排放系统的技术条件 (1).水力计算：根据布局设计和管径大小进行的水力计算公式应考虑如下几个因素：与普通水流相比，管道内的气液两相流的水力特性是完全不同的（一般的公式只考虑层流或紊流的状态，而没有考虑混合流。），因此在计算时考虑到压力的损失。考虑到管道内部的阻力因素，阻力也是造成系统压力损失的另一个因素 。不同的材料（如铸铁管，钢管或高密度聚乙烯管）有着不同的管道摩擦阻力系数。如果供应商提供不同材质的管道或者是联结配件，计算软件的参数必须调整以符合特定的管材性质,否则计算结果难以准确。物理参数条件下的水力状况必须平衡：参数一：流速，不得低于0.7 m/s. 因此保证水流的持续流动是非常关键的，比如：当发生水流有90o的方向改变时，不能采用以下的弯头连接方式：而必须采用较大的半径，可根据管道的空间与环境情况选择。水力状况最好的选择是如下方案：计算时必须注意，在管道内没有气团存在。因为气团会影响系统的排水能力。这些条件就要求从雨水斗到管道系统的整套排放系统必须是一体的，紧密相连的。如果雨水斗有一个敞开的入口，空气就会从入口出进入系统，这时就不再是虹吸式排放系统了，重力式排放系统为了达到比较好的排放效果，在安装管道时要求的最小坡度为2%。另一个要求是系统的密封性，要保证无渗漏。因此要求在配件的连接时不能采用橡胶密封圈，以承插的方式进行，这样做因为气密性无法得到保证很容易导致水的渗漏。采用橡胶密封圈承插连接的系统，必须为传统的重力式排放系统，管径的计算必须根据GB的有关标准以传统重力式的雨水排放公式进行计算。水平管必须以重力式排放系统的坡度要求进行安装。还有一个非常重要的要求，是关于在系统各部位内负压的限制，规定负压不得低于-0.8公斤。其原因在于，当负压在-0.92公斤左右时，系统内的气泡会使整个系统剧烈地振动而导致系统的崩溃。 (2).雨水斗 反涡旋功能的罩盖：虹吸式屋面雨水排放系统，最主要的要求就是要避免空气进入管道系统。如果空气直接进入管道系统，那么它会在管道内形成气团，气团会大大阻碍排水效果，结果就会和传统的重力式排放系统一样。虹吸式屋面雨水排放系统所采用的雨水斗必须具有优化设计的反涡旋功能的罩盖，以达到最低水位最佳排水效果的目的。屋面的水位:虹吸式屋面雨水排放系统需要安装反涡旋功能的罩盖，以保证在达到一定水位时，空气不再进入系统内部。在整个大雨的雨水排放过程中，水位一直持续，直到屋面的雨水量小于虹吸式排放系统的排水能力为止。但是水位必须严格控制及限定在某一高度，否则屋面上累积过重的雨水会导致屋面结构的破坏。根据标准，屋面雨水的水位高度必须限制在55毫米内。每平方米的雨水重量我们可以根据以下公式换算：55 mm: 55kg/m2=欧洲标准100 mm: 100kg/ m2200 mm: 200kg/ m 会导致天沟变形，300 mm: 300kg/m2 需要安装特殊的屋面保护装置 500 mm: 500kg/ m2 显而易见，当水位大于55毫米时，会对屋面结构产生相当大的重量负荷。当在屋面或天沟设计时，必须考虑到这方面的情况。尤其对于天沟来说，水位绝对不可以超过55毫米，否则天沟将被破坏。(3).安装固定系统安装固定系统的主要功能是安装与固定管道，以下几个因素是不容忽视的：管道振动的吸收。排水过程中，某一时间时在管道内部会发生振动的情况。安装固定系统的主要功能之一是吸收这些振动，而避免振动对建筑结构产生影响。如果振动不加以防范，可能会影响减少建筑结构的使用寿命。吸收热涨冷缩导致的管道位移。安装固定系统可以防止在刚性安装的排放系统中，由于热胀冷缩受到阻隔而产生的力会对建筑结构的破坏，起到保护的作用。避免管道因为悬挂受力而变形。有助于增加屋面到水平管的间距，而不影响管道的水平受力。安装固定系统应该包括管卡配件，这些配件可以固定管道的轴向，利用锚固管卡安装在管道的固定点。 (4).管道材质管材的选择必须根据系统计算中阻力因素的方面进行考虑.如果选择错误，计算结果就会错误，导致排水出现问题。无论是在化学稳定性，可加工性，抗氧化性，还是在50年的使用寿命，吸收振动特性等一系列的项目上，高密度聚乙烯（HDPE）与其它材质相比，具有比较大的优势。铸铁管与钢管虽然是不可燃的材料，而高密度聚乙烯是可燃的材料，但是从热传导的效果来看，铸铁管与钢管的传热速度是HDPE的100倍左右，因此如果发生火灾，铸铁管和钢管由于传热速度快更容易使火灾蔓延，必将波及周围的其它材料。而HDPE燃烧则可以避免火势的蔓延，阻火圈安装在防火分区的墙上与楼板上，这样就防止了火势从一区蔓延到另一区。HDPE管材的应用简单、快捷。可以采用预先特制的方式，而铸铁管和钢管则采用焊接方式，既不方便，又有用火的危险。铸铁管和钢管采用的承插方式的连接又不满足系统对于密封性的要求。硬性聚氯乙烯（U-PVC）管材不可用于虹吸式屋面雨水排放系统，因为其壁厚不可承受系统中的负压。只有特殊的压力管，类似于PVC给水管才可以使用在系统中。然而，使用胶水粘结会给系统的气密性带来很大的风险。由于这些原因，PVC管道基本上在虹吸式屋面雨水排放系统中很少使用。一个非常重要的因素是在系统中管道与管件应由同一种管材制作。因为如果采用不同材质的材料进行焊接，其质量很难得到保证。高密度聚乙烯（HDPE）是目前最适用在虹吸式屋面雨水排放系统中的，但是其管道与管件的生产制作必须在降低热胀冷缩的条件下进行，以保证其收缩率最小。为了避免系统中出现的很大的张力，这种张力会破坏整个管道系统，因此根据欧洲标准的规定，收缩率仅能为正常的HDPE压力管的1/3。(5).证书:虹吸式屋面雨水排放系统应当被视为一整套系统。雨水斗、管道与配件的计算应当互相匹配，从而作为一套系统而受到认可。对雨水斗单独的认可是不够的，因为系统的其它部件很可能会导致系统的破坏。世界上有一家最专业从事排水系统研究的机构，称为BBA（British Board of Agreement）。通过这家机构认证的任何的排水系统供应商，其雨水斗、管材及配件均为优质产品，可用于虹吸式屋面雨水排放系统中。(6).虹吸系统计算及设计原理该项目设计原理是以雨水在高处所具有的势能为排放动力，依靠独特的雨水斗设计，当斗前水深达到一定的高度时（55mm）实现气水分离，在降雨强度达到设计暴雨强度时，整个管道系统将呈现近似单相满流状态，在水平管与立管连接处因水流的急速跌落产生抽吸作用，从而进入虹吸状态，实现其迅速、高效的排水功能。其基本水力学原理为伯诺里方程。该系统的特点是天沟无需汇水坡度，悬吊管无需坡度（传统重力式排水系统的悬吊管坡度为1%）。立管可连接的雨水斗可达十数个（传统重力式不超过两个）因而可大大减少立管数目，并且立管的位置不受限制 ，可根据建筑物的需要灵活布置。此外，本公司独特的管道悬吊紧固系统可以避免因管道温差应力而对屋面带来的额外负荷。整个虹吸系统的精确计算由计算机软件完成，该软件可将系统各管段的流量、流速、充满度、压力值等控制因素准确地计算出来，确保系统设计的合理性与准确性。瑞士吉博力公司虹吸系统计算方法为“双阶段计算方法”。首先，计算软件将管道系统的最大负压值控制在-800mbar以内，确保大于当地饱和蒸汽压，防止因气蚀（因管道内部气压小于当地饱和蒸汽压，即-920mbar，雨水中溶解的空气急剧逸出现象）产生的剧烈震动危及系统的安全。第二，常规计算是以管道为完全满（单相流）为前提的，这是一种理想状态，雨水在实际流动的过程中，大量的微气泡分布于过水断面（气-水两相流），其实际充满度总是小于1的，本公司计算软件以此现象为依据进行第二阶段计算。根据本公司与德国一些大学研究所合作的长期实验研究观测表明，当虹吸系统的管道充满度小于60%时，由于管道内空气的干扰，管道内将呈现复杂的两相紊流状态，难以形成稳定的压力流。在此情况下，按理论公式计算出的结果与实际情况相去甚远。依照本公司的计算软件将控制管道系统的最小充满度为60%。因此，由于其他的手算计算模型为单相流，未能将充满度的因素考虑进去，计算的精确度远逊于本公司软件，其直接的后果是有可能使系统产生-920mbar的负压导致气蚀现象出现，以及随之而来的剧烈震动和噪音。 第三、由于该计算方法为反复试算过程，直至系统内部的流量、压力值及充满度达到平衡，采用电算可大大提高计算的效率和保证计算的精确度。2、产品选型的合理化建议瑞士吉博力公司从事虹吸系统的研究、设计及施工已有30年的历史，到目前为止，参与了全球50，000多项工程的设计与施工，总屋面面积达到6000万平米。在各种类型工程项目（包括机场、宾馆、运动中心、购物中心、仓库及工厂）上积累了极为丰富的经验虹吸系统的所有产品，均采用同一种材质HDPE制造，系统的连接（雨水斗与管道的连接、管道与管道之间的连接）有两种方式：对焊连接及电焊管箍连接，由于属于同种材质，并且由于HDPE管本身的材质特性，使连接能够达到分子级水平的连接，确保系统的气密性，连接处不受温差伸缩应力的影响。更安全、可靠，保证了系统在应用过程中的长期稳定性。瑞士吉博力公司虹吸系统所选用的HDPE管材具有以下几种重要特性：（1） HDPE为轻质管材（密度为：951-955Kg/M3）对屋面结构的荷载压力极小。 （2） 具有极强的抗冲击，耐腐蚀性。 （3） 瑞士吉博力公司生产的HDPE管经过回火工艺处理，对温度 变化引起的热胀冷缩变形极小。 （4） HDPE管材是软性材料，弹性模量E很低,能隔离以空气为载体的声音传播，比金属管具有更好的隔音性。 （5） HDPE管材的连接（如热熔焊、电焊等）可以充分保证虹吸系统的气密性，使系统能长期稳定地运行。瑞士吉博力公司提供的虹吸系统具有完善的紧固系统，它不但能保证系统在满流状态的稳定、无震动、低噪音，同时又能吸收管道的温差引力，避免了管道由于热胀冷缩产生的变形及对屋面结构的影响。3、清华科技大厦虹吸雨水系统的使用3.1设计参数 瑞士吉博力公司设计的清华科技园科技大厦虹吸式屋面排水系统主要工程数据如下：虹吸排水屋面面积：4120m2雨水斗数量：41套立管数量：6根3.2计算依据(1).根据该项目现场要求，设计暴雨强度重现期为5年，暴雨强度q=5.06l/s.100m2(2).瑞士吉博力公司Pluvia DLS设计软件。(3).建筑给排水设计规范。(4).德国工程师协会VDI3806设计规范(5).吉博力公司25升/秒流量的虹吸式雨水斗和HDPE管道。(6).屋面雨水排水平面布置图及相关的建筑结构图。(7).投标书要求设计暴雨强度重现期为5年，溢流暴雨强度考虑重现期为50年。根据屋面结构形式及材料不同选用相应的雨水斗。虹吸式排水设计汇水总面积Fw=14000m2。(8).总计算雨水量Q=Fwq/100=706 l/s4.3各分区雨水计算(1).屋面分区：根据提供的设计图纸，二层T型屋面分为A-1, A-2 A-3, A-4, A-5, A-6, 六部分。(2).各分区雨水计算：A-1区屋面雨水计算根据屋面平面图及建筑结构图等情况，分别计算汇水面积，雨水量，雨水斗及立管: A-1部分雨水计算l A-1汇水面积：Fw = 2683m2 l 雨水量 ：Q=Fwq5=26835.06/100 =135.75 l/sl 雨水斗数量:采用25升雨水斗，考虑到屋面结构及雨水斗间距等情况，故实际采用 雨水斗为8只,单斗流量135.75/8=16.97 l/s。l 采用1根立管,雨水斗沿外墙方向均匀布置，间距分别为为11.6和5.8米。A-2部分雨水计算l A-2汇水面积：Fw = 2398m2 l 雨水量 ：Q=Fwq5=23985.06/100 =121.33l/sl 雨水斗数量:采用25升雨水斗，考虑到屋面结构及雨水斗间距等情况，故实际采用 雨水斗为7只,单斗流量121.33/7=17.33 l/s。l 采用1根立管,雨水斗沿外墙方向均匀布置，间距为为5.8米。A-3部分雨水计算l A-3汇水面积：Fw = 2311.8m2 l 雨水量 ：Q=Fwq5=2311.85.06/100 =117l/sl 雨水斗数量:采用25升雨水斗，考虑到屋面结构及雨水斗间距等情况，故实际采用雨水斗为7只,单斗流量117/7=16.71l/s。采用1根立管,雨水斗沿外墙方向均匀布置，间距为为5.43和7米。A-4部分雨水计算l A-4汇水面积：Fw = 2000m2 l 雨水量 ：Q=Fwq5=20005.06/100 =100.9l/sl 雨水斗数量:采用25升雨水斗，考虑到屋面结构及雨水斗间距等情况，故实际采用 雨水斗为5只,单斗流量100.9/5=20.18 l/s。采用1根立管,雨水斗沿外墙方向均匀布置，间距为为5.43米。A-5部分雨水计算l A-5汇水面积：Fw = 2298m2 l 雨水量 ：Q=Fwq5=22985.06/100 =116.2l/sl 雨水斗数量:采用25升雨水斗，考虑到屋面结构及雨水斗间距等情况，故实际采用 雨水斗为7只,单斗流量116.2/7=16.6 l/s。采用1根立管,雨水斗沿外墙方向均匀布置，间距为为5.2和10.4米。A-6部分雨水计算l A-6汇水面积：Fw = 2261m2 l 雨水量 ：Q=Fwq5=22615.06/100 =114.4l/sl 雨水斗数量:采用25升雨水斗，考虑到屋面结构及雨水斗间距等情况，故实际采用 雨水斗为7只,单斗流量114.4/7=16.34 l/s。采用1根立管,雨水斗沿外墙方向均匀布置，间距为为5.2和10.4米。具体的各系统管径水力计算及雨水斗布置请参见水力计算表、管道系统图及雨水斗平面布置图。3.4 消能措施(1).所有的埋地管至窨井前的最大流速不宜太大，我们采取了消能措施采取放大埋地出户管径的做法，这样可以确保流速，保证系统安全可靠。(2).虹吸式屋面雨水排放系统与重力系统的连接如下图，主要有三种：a） 图表示在连接前先在垂直管段上扩大管径；b） 图表示在进入地下埋管第