虹吸式屋面排水系统介绍.pdf

48 中国建筑防水 Chi na Bu i l d i ng W a t e r p r o o fin g 2 0 1 6年第 7期 4月上 虹吸式屋面排水系统介绍 所有屋面都会遭受季节性气候变化、环境条件、 荷载和空气污染的破坏性影响 ， 屋面积水 的干湿 、 冻 融循环会导致屋面的膨胀 、 收缩和腐烂， 继而会对屋 面乃至整个建筑结构造成危害。 排水系统是屋 面设计 中一个重要 的组成部 分 。 屋面坍塌常见的原因是积水量超出了其承受力 ， 如果 在适当的位置设置合适的排水系统， 就可以在很大程 度上减少这种情况的发生。 在美国，虹吸式屋面排水 系统的时代 已经到来 。 该系统是芬兰工程师奥瓦利 艾伯林 于 1 9 6 8年发明 的， 现在 已经风靡全世界 了。在欧洲 ， 虹 吸式屋面排 水系统占了商业建筑 1 5 的市场份额。1 9 9 9 年， 这种 可持续的技术穿越了大西洋来到美国， 其在波斯顿会 议中心的应用成为了第 1 个主要案例。此后， 该技术 逐渐被人们接受。 虹吸式屋面排水系统与传统重力排水系统 的不 同之处在于所谓的 “ 虹吸满管流” 。与传统排水系统 不 同，虹吸式屋面排水系统独特的组件空气隔板 ， 可 以阻止空气进入管道， 使管道内全部充满水 ， 还能阻 止杂物进入管道系统。 2 0 1 3年 1 0月 ， 由美 国管道工程协 会 ( AS P E) 编 制 的新标准 A S P E A N S I 4 5 2 0 1 3 虹吸式屋面排水 系统 通过了美国国家标准局的审核， 该标准保留了 美 国机 械工程协会 ( AS ME ) 制订 的 A 1 1 2 6 9 2 0 0 5 标准的测试方法。 屋面排水 系统设计的依据 屋面排水系统最基本 的功能是排 除雨水并将其 导人地下管道系统或排水沟， 从而避免水渗入防水层 或建筑外围护结构。这种处理技术使水资源保护、 雨 水回收利用成为可能。 屋面排水系统的设计必须考虑以下因素： 1 ) 建筑 地点； 2 ) 屋面结构类型； 3 ) 屋面坡度； 4 ) 预计降水量； 5 ) 预计排水流量； 6 ) 屋面载荷要求。对于建筑师和设 计工程师， 还有以下考虑： 1 ) 排水管尺寸和特点； 2 ) 排 水管的布置和地点 ； 3 ) 溢流安全要求； 4 ) 建筑和管道 法规要求 ； 5 ) 抗破坏性能； 6 ) 美学要求。 每个工程地点都有 自身的历史降水量数据， 包括 累积量、 强度( 如持续时间和频率 ) 、 雨滴大小和 自由 沉降速度的记录。降水强度对于确定最优屋面排水 系统设计包括排水管的类型、 数量、 尺寸和布局起着 重要作用( 由于每个项 目都不同 ， 咨询屋面排水系统 制造商是很有必要的 ) 。 传统屋面排水系统 传统屋面排水系统主要依靠重力以及水的扩散 和流向最低点的特性 。随着水 的累积 ， 水深增加并成 为使水流至屋面排水口的动力， 每一个排水口都有落 水管将水直接导人地下 ， 只是水进入到排水管的同时 也会吸入空气， 这会降低排水系统的效率。 其他非虹吸式屋面排水 系统 对于受热带风暴或其他恶劣气候影响的区域， 快 速和高效地排除径流水十分必要。为了获得高的体 积效率， 大容量的屋面排水管应运而生， 它的体积效 率 比标准排水管增加了 3 0 以上 。屋面排水管的安 装位置和出水管的直径大小必须精心考虑 。 对于平屋面 、 坡屋面或限制雨水排水能力的区域 来说 ， 限流屋面排水系统是十分理想的。 利用该系统 ， 屋面上多余 的积水是可控的， 雨水在风暴减弱后会 以 可计量 的速率排 出去 。但要获得这样的效果 ， 关键是 要有大面积的屋面可以临时储存雨水。 限流屋面排水系统只需较少的排水管 、 更小直径 的管道系统、 更小的下水道尺寸和更低的安装成本。 另一好处是可以通过减小下水道的负荷来降低雨水 淹没下水道和回流到地下室或其他低洼区域的可能 性， 减轻暴雨造成的破坏； 屋面上的储存水也可以暂 时改善屋面的热损失。为了确保限流屋面排水系统 正常发挥作用， 设计师必须仔细考虑排水管的安装位 置、 屋面板的挠度、 排水口的大小、 是否溢出排水沟和 屋面荷载等。 虹吸式屋面排水 系统 虹吸式屋面排水系统可以实现全流程最大流量 和更小的管径并且无需排水坡度。虹吸式屋面排水 系统的第 l 项商业应用是在 1 9 7 2 年， 成功应用于瑞 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6 N o 7 虹吸式屋面排水系统介绍 4 9 士汽轮机厂 。 虹吸式屋面排水的理论可追溯到流体力学 的一 个基本公式 以 1 8 世纪瑞士数学家和物理学家丹 尼尔 伯努利名字命名的伯努利能量方程。伯努利能 量守恒原理认为： 液体有 3 种基本能量形式重力 势能( 静能) 、 动能和压力势能( 位能) ， 即使系统能态 从一种状态转换到另一种状态 ， 这 3种能量之和不变 且为一个常数。这个等式假设流体是不可压缩的， 系 统不做功且绝热( 无热量 的s T J iJ 和损失 ) ， 伯努利能量 方程可以用来判定排水系统任意两点间的水流变化。 虹吸理论 自 身也经过了一些修改， 如考虑水管的摩擦 损失等。 在目前的设计中， 虹吸式屋面排水管和传统的重 力屋面排水管看起来很相似，它们有一些相同的特 征， 如排水管的主体 、 圆顶过滤器和膜夹紧装置。但 精心设计的空气挡板是虹吸式屋面排水系统独特的 部件。空气挡板被安装到标准排水管的集水坑 ， 用来 阻止涡流 。换言之 ，空气挡板阻止了科里奥利效应 ( 即水流沿着排水管旋转，将空气引入到中间并使其 进入管道) 。通过阻止空气进入排水管和水平收集管 道， 产生了负水头压力 ， 能将水从屋面上吸出去。排 水管上的大气压是排水系统的驱动力。集水坑中挡 板的安装位置对于排水系统十分关键， 挡板的安装位 置变低 ， 则可发生虹吸效应的水量减小 。 一 旦雨水穿过排水管进入尾管， 水就流向了水平 管 ，位置正好在屋面下方。在排水系统 的该部分 ， 水 压继续下降， 要增加管道系统的尺寸以防止空穴和排 水管壁在负压下内爆。当雨水到达立管时， 它仍处于 虹吸满管流中， 当水下降到零位( 如虹吸破坏) 时水压 继续减小 。当到地下时 ， 排水管转到一个垂直的落水 管 ， 通过增大管道直径变成了传统的重力排水管。 排水系统的液压头是从屋面到排放 口之 间的整 个高度， 这与传统排水系统是不同的， 传统排水系统 只有屋面水作为水头压力。正因为这个优势， 排水管 道尺寸相同时， 虹吸式屋面排水系统的流量和速度比 传统的排水系统要高。高流速也意味着虹吸式屋面 排水系统具有 自 净能力， 从而省去了清洁口的安装。 采用虹吸式屋面排水 系统的原 因 虹吸式屋面排水系统有诸多优点： 1 ) 管道系统 的安装无需坡度 ， 与其他建筑系统的 安装不冲突， 配合难度低。 2 )排水管的水平安装可以为建筑 留出天花板的 空问， 降低建造费用。 3 ) 虹吸满管流无需借助管道坡度即可实现。 4 ) 水平管的安装需要较少的垂直堆叠 ， 因为水平 管道系统可以运行更长 的距离 ，从而可以节约成本 ； 垂直堆叠 的布置十分灵活。 5 ) 小的管道直径有利于降低成本， 同时对空间和 建筑的整体设计产生更少干扰。 6 ) 预备场地和开挖造价费用降低， 因为可以将落 水管安放到离下水道更近的位置 ， 下边板 的安装需求 可以最少化。 7 ) 由于管道系统 的水流大 ， 具有 自净功能 ， 这意 味着可以省去系统的清洗工作。 8 )低 的挡板位置使得较少量的屋面积水就可以 产生虹吸作用 。 9 ) 排放点可以安置在建筑的某一个区域或角落。 1 0 ) 虹吸式屋面排水系统对业主来说还有诸多其 他优点， 包括节水， 降低能耗、 资源损耗和建造成本。 而且 ， 雨水 回收利用较易实现 ， 回收的雨水可用于灌 溉、 冲洗小便池和厕所、 自动喷水灭火系统和地面消 防龙头等。通过利用收集的雨水 ， 可以降低成本。 理想的应用条件 虹吸式屋面排水系统与全工程管道系统联合使 用时可以提供虹吸满管流， 虹吸满管流是通过自然液 压作用实现的。这个系统设计是为 了充分利用管道 的全容积， 当管道全部充满水时虹吸作用就产生了。 虹吸式屋面排水系统只需要较少 的下水管 、 较小 的管道尺寸和较少的空间。这意味着该系统具有更 大的设计灵活性 、 较少的安装次数 、 消耗更少的材料 ， 并可节约成本。虹吸式屋 面排水系统 可以在所有的 建筑上使用， 不受尺寸、 高度和降水量的限制。当然， 在大面积的低层房屋如购物中心和工厂， 虹吸式屋面 排水系统的排水效率更高。这是因为在虹吸式屋面 排水系统中， 在负压下， 雨水穿过了横管， 但当雨水从 立管垂直落下时压力会增大， 直到压力变为零， 接着 通过增加管道的尺寸变为重力流。建筑的占地面积 越大， 管道系统中负压越大， 这可使水流在转变前就 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 0 中国建筑防水 2 0 l 6 N O 7 从建筑的一侧下落。而大多数的高层建筑占地面积 较小， 且屋面面积也较小， 这就会导致在水平管中无 法产生很多负压 。 特定的虹吸式屋面排水 系统 在美国， 标准的虹吸式排水管直径是 3 8 0 1T l ff l ， 还 包括 5 0 mm、 7 6 m m和 1 0 2 mm直径的无轮毂机械连 接头。排水管和夹圈可 以用铁或不锈钢打造 ， 圆顶过 滤器可以用 聚丙烯 、 铝 、 铜或铁制造 ， 还应采用不锈钢 五金件来帮助组装 。 虹吸式屋面排水系统适用于很多基础的、 常见的 屋面排水管配置。推荐使用顶板等安装设备来加快 安装速度 ； 排水立管和延伸器可以在拉平屋面排水管 时发挥作用 ； 在砾石屋面应用 时 ， 砾石 防护装置可以 帮助确保适 当的排水量 ； 如有需要 ， 溢流排水管可以 和标准虹吸式排水 系统联合使用 ， 连接到一个独立的 排水线路中， 从而可以将水排放到外部装置而不是下 水道 。 虹吸式屋面排水 系统需要的排水管数量的确定 方法和传统屋面排水 系统一致。当将虹吸式屋面排 水管和传统的屋面排水管尺寸相比较时可以发现， 同 样 的排水区域 ， 虹吸式管道的尺寸大约是传统排水管 尺寸的一半。当然， 这只是初步的估算 ， 确切的数据 还需要 由屋面排水 系统制造商和工程技术人员通过 计算得到； 另外还要查阅当地的管道规范来确认降水 量是否在规定范围。 虹吸式设计指导方针 虹吸设计软件被用来设计和计算在安装过程中 是否存在设计可接受范围内管道系统的压力和速度 的微小变化。前面提及的 A S P E A N S I 4 5 2 0 1 3标准 可用来确定虹吸式屋面排水系统和传统的屋面排水 系统 的区别 ， 最主要的一个差异就是当管道直径发生 变化时偏心异径管的使用， 这有助于使管道上部的水 保持平整的表面， 从而排除气泡。 屋面面积少于 4 6 4 5 m 时，应该将排水管连接 到同一个集水管， 否则， 系统将会 由于排水管和大管 道间的距离过大而很难保持平衡。由不同材料制成 的屋面排水管不能连在 同一个集水管上 ， 否则 ， 由于 这些屋面材料有着不同的流量系数会导致不能同时 形成虹吸 ( 不同的装配也可以有不同的摩擦系数评 级，应采用软件来选择最合适的转换类型) 。坡度变 化较大或不在 同一水平面 的屋面也必须将排水管连 接到独立的集水管。 虹吸式屋面排水系统在安装时必须避免两个 问 题 ：一是一个单独的管道系统中有多个垂直下降； 二 是管道系统 中有低于障碍物的垂直下降 。这两个 问 题将会使虹吸式屋面排水系统的启动变慢， 同时使虹 吸现象滞后。 每一个屋面都必须至少有一个虹 吸排水管。当 最初设计一个系统时， 连接到同一个集水管的排水管 的设置间距应不大于 2 0 m，距离最远 的排水管到集 水管的距离应不超过楼高的2 0 倍。当然，上述距离 只是指导性方针 ， 如果经过适当地平衡 ， 这些距离也 是可以增加的。超过 2 0 IT I 长的排水管应该被分成更 小的部分 ， 以此来确定在什么位置管道 的直径可以增 加。排水管的表面和水平集水管中心之间的距离至 少应该保持 1 m 。 排水管底部的尾件在连接至水平集 水管前至少应该有 0 5 13 1 长的距离。 对于虹吸式屋面排水系统来说 ， 每一个独立的系 统和整个系统都必须在负压 l 0 1 3 k P a 和正压 1 0 1 3 k P a 之间 ， 整个系统 的失衡应尽可能接近 0 。 铸铁或聚 氯乙烯( P V C ) 管道可以承受最低 9 0 k P a 的负压， 如 果压力过低 ， 必须增大管道的直径 。 零位水管 ( 打破虹吸现象后的第 1 部分水管， 并 且已经完成 了向重力排水管的转变 ) 的流速必须小于 2 5 m s ， 以防止排水管遭到破坏。 在大多数情况下 ， 流 速会被降到 1 r r d s 左右， 来与基于屋面面积和降水量 的传统排水管尺寸相匹配， 该流动速率是确保排水系 统保持 自净的最小值 。 结论 虹吸式屋面排水系统在美 国正逐渐被关注。尽 管很难得到确凿的数据 ， 但是其在欧洲和全球其他各 地受到的广泛认可， 为虹吸式屋面排水系统的成功提 供了证明。任何一个工程成功的关键在于和可信赖 的、可提供交付工程解决方案记录的制造商通力合 作。因为每一个工程都是有困难的， 顾问必须愿意并 能够给予时间和所需的专业知识 。 ( 朱怡青 摘译 自I n t e r f a c e ， Ma r c h 2 0 1 5 丁春花 编辑) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m