虹吸式雨水排水系统的案例
1、北京中关村科贸中心工程简介
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北京中关村科贸中心，位于中关村核心地带，南临中科大厦，西临中关村大街，与海龙大厦、太平洋科技发展中心隔街相望，占地2.27公顷，建筑面积20万㎡，地下四层，地上22层，建筑高度92.4m。是集科技会展、科技产品交易、商贸办公、商务公寓、酒店、餐饮娱乐为一体的综合性智能建筑，它将不同性质的科技会展、产品交易场所和写字楼、商务公寓及酒店设计成三个体型关系明确的建筑分区，用建筑的线条和优美的弧面来体现建筑艺术。
本工程由主体建筑部分及北侧纯地下配套部分组成，两者建设永久性沉降缝，该部分与主体建筑的基底标高相同。主体结构采用框架—剪力墙结构。地下部分建筑面积共58568㎡，屋面总汇水面积（含侧墙）约2.29万㎡，设计采用虹吸式屋面雨水排放技术，具有雨水斗少、立管少、横吊管不需要坡度、排水量大及排放速度快等特点。按北京地区当地5年重现期5分钟暴雨强度q5=5.06 l/s(100㎡) 设计，设计雨水总排水量为1159 l/s。
2、重力式雨水系统设计方案
2.1 设计原则
本建筑为高层建筑，并且建筑外观为干挂石材和玻璃幕墙并用，所以雨水排水系统只能采用内排水方式设计；由于屋面面积较大，系统设计尽可能采用多斗连接排水以减少雨水立管数量，当采用多斗排水时，一根悬吊管及立管上雨水斗最多不得超过4个；雨水斗的排水连接管管径不得小于100mm，悬吊管管径不得大于300mm；雨水立管连接悬吊管不宜多于两根；雨水立管距地面1.0m处或其他必要处应设置检查口；宜采用承压铸铁管（石棉水泥或胶圈接口）、镀锌钢管、无缝钢管或承压U-PVC管；雨水悬吊管的排水坡度≥5‰；埋地管的排水坡度≥3.5‰；悬吊管管径不得小于雨水斗连接管管径，立管管径不得小于悬吊管管径，下游管径不得小于上游管径；本建筑屋面多为可上人屋面，设计选用65型平箅型雨水斗，自由堰流排水，单斗泄流量≤12 l/s。
2.2设计思路
本建筑共有16个大小不同的独立屋面，15个不同屋面的标高，其屋面结构高低错落，比较复杂。其中，91.6m、86.4m、54.8m和45.55m标高处的屋面为设备机房和楼梯间的屋顶，可将该部分雨水以外排水方式重力流汇集至大屋面，其他各屋面的雨水全部按内排水方式设计。其中，屋面中间地带范围的雨水，经各雨水悬吊管连接后立管布置在四个结构核心筒的综合管道井内；而屋面外延地带范围的雨水，经各雨水悬吊管连接后立管布置在建筑物外墙内侧沿结构柱敷设；所有雨水立管进入地下一层高位后转悬吊管引至地库外围剪力墙出户。
2.3 设计成果
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经屋面雨水分区及水量计算，按重力式雨水系统设计，本项目需要选用65型平箅型重力式雨水斗108个，DN100雨水立管6根、DN150雨水立管23根、DN200雨水立管17根、DN250雨水立管1根共47根立管，分别为22层9根、20层5根、18层1根、12层11根、11层6根及10层15根。雨水管出户后至少需要设置34个1.6m深的雨水检查井。屋面重力式雨水系统平面布置及雨水排水总平面图分析见右图。系统主要工程量及工程概算造价见下表。
重力式雨水系统
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主要工程量 |
材质 |
造价概算 |
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65型重力式雨水斗 108个 |
低压镀锌钢管 |
￥70万 |
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DN100雨水管道 946m |
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DN150雨水管道 1727m |
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DN200雨水管道 1531m |
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DN250雨水管道 216m |
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DN300雨水管道 49m |
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雨水检查井1.8m深 34个 |
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开挖及回填1.6m深 |
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埋地出户管沟槽共 157m |
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按管径大小分别为： |
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DN100雨水管道 20m |
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DN150雨水管道 73m |
低压无缝钢管 |
￥86.7万 |
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DN200雨水管道 44m |
承压铸铁管 |
￥81.9万 |
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DN250雨水管道 16m |
高密度聚乙烯管 |
￥135.25万 |
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DN300雨水管道 4m |
低压不锈钢管 |
￥202万 |
2.4 主要工程量和造价概算及系统所占建筑空间
由于重力式雨水系统管径较大、立管较多，所以，立管在建筑物室内所占的平面空间也比较大，按平均每根立管装饰完成后至少需要0.25㎡面积计算，本项目安装雨水立管所需的建筑面积如下：
S1＝0.25×【（22×9）+（20×5）+（18×1）+（12×11）+（11×6）+（10×）＝166㎡
若按虹吸系统设计，则节约的建筑物使用面积为：
△S＝S1－S2=165－23.25
＝141.75㎡
若按本建筑物的市场售价1.2万/㎡计算，应用虹吸系统在本项目中可节约的使用面积的价值为170.1万元人民币。
3、 虹吸式屋面雨水系统设计方案
3.1 设计原则
即通虹吸式屋面雨水排放系统，是利用雨水在满管流的状态下，封闭管道内各处水的不同势能而形成管道的真空状态，使管道内的压力小于外界压力，从而将屋面雨水抽吸进入雨水系统并迅速将之排放。任何一个虹吸式屋面雨水排放系统的内部连接都必须是紧密的、环环相扣的，并保证气密性，在管网中的任意一个位置设计参数的改变，都会不同程度地改变或破坏整个管网的水力平衡。即设计中的管网水力平衡实际上是一个动态平衡的过程，在平衡计算的过程中要满足以下原则，系统的设计运行状态才是可行的。原理见右图。
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（1）雨水进水口与排出口之间有足够的高差水头△H可以利用；
（2）所有水平管部分水的流速V＞1.0m/s；
（3）所有立管部分水的流速V＞2.2m/s；
（4）任何管段的充满度h/D＞60％；
（5）任何管段的负压值大于管道的工作负压值；
（6）任何管段内的负压值大于水的蒸发压力；
（7）满足施工现场的实际现状和施工要求；
因此，虹吸式雨水排放系统在建筑工程上应用的核心技术是系统的平衡计算，对于任何虹吸系统来说，无论是复杂的系统还是简单的系统，只要满足计算规定及施工要求，其系统的设计才是可行的。
3.2设计思路
在进行重力式雨水系统设计时我们分析过屋面， 16个大小不同的独立屋面，15个不同屋面的标高，设计时将91.6m、86.4m、54.8m和45.55m标高处的设备机房和楼梯间屋顶的雨水以外排水方式重力流汇集至大屋面，将小流量雨水汇集成大流量，这部分处理跟重力式相同。汇集后的雨水再应用虹吸式按内排水方式排放。由于虹吸式屋面雨水排水系统是利用较小管径排放大流量雨水的最理想的排水系统，再配合不同标高屋面的雨水接入同一系统时的各水量的平衡计算。另外，管道的平面布置不需要设置坡度，所以可将各雨水悬吊管连接后立管布置在七个结构核心筒的综合管道井内，各户内区域不设置雨水立管，以尽量减少立管数量；同时所有雨水立管进入地下一层高位转悬吊管后，再进行合理汇合连接后引至地库外围剪力墙出户，以尽量减少雨水出户管的数量。
3.3 设计成果
虹吸式雨水系统
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主要工程量 |
材质 |
造价概算 |
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ZR-65型虹吸雨水斗46套 |
低压镀锌钢管 |
￥29.4万 |
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DN 65管道 60m |
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DN 80管道 1m |
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DN 100管道 296m |
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DN 125管道 184m |
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DN 150管道 528m |
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DN 200管道 62m |
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雨水检查井1.8m 深 4个 |
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开挖及回填1.6m深 |
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埋地出户管沟槽共 16m |
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按管径大小分别为： |
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DN150雨水管道 3m |
低压无缝钢管 |
￥33.3万 |
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DN200雨水管道 4m |
承压铸铁管 |
￥33.6万 |
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DN250雨水管道 6m |
高密度聚乙烯管 |
￥52万 |
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DN300雨水管道 2m |
低压不锈钢管 |
￥78万 |
经屋面雨水分区及水量计算，按虹吸式雨水系统设计，本项目需要选用ZR-65型即通虹吸式雨水斗46套，DN100雨水立管1根、DN125雨水立管2根及DN150雨水立管4根共7根立管，分别为22层1根、18层1根、12层1根、11层1根及10层3根。YL-01立管与YL-05立管在地下一层连通后从南边出户，YL-02立管单独在北边出户，YL-03立管与YL-04立管在地下一层连通后在东边出户，YL-06立管与YL-07立管在地下一层连通后在北边出户。最终完成后的系统仅7根立管和4根出户管。雨水管出户后仅需设置4个1.6m深的雨水检查井。系统主要工程量及工程概算造价见上表。
由于虹吸式雨水系统管径较小、立管较少，所以，立管在建筑物室内所占的平面空间也比较小，按平均每根立管装饰完成后至少需要0.25㎡面积计算，本项目安装虹吸式雨水立管所需的建筑面积如下：
S2＝0.25×【（22×1）+（（18×1）+（12×1）+（11×1）+（10×3）】
＝23.25㎡
4、从以上对北京中关科贸中心重力式雨水系统和虹吸式雨水系统的设计分析及造价对比看，本项目应用虹吸式屋面雨水排水系统是既增强了系统的使用功能又非常经济划算。从系统布置上看，由于重力式雨水系统管径较大和工程量大，所以，其重力式系统的造价是虹吸式系统的二倍多；重力式系统大量的雨水悬吊管在机电安装空间内敷设需要安装坡度，这样既浪费了安装空间又增加了机电综合协调布线的难度；而雨水立管和出户管以及雨水检查井多，既增加了工程量又浪费了宝贵的建筑使用空间，本项目采用虹吸式雨水系统，仅减少的立管所占用的建筑实用面积就高达141.75㎡，其价值已远远超过雨水系统的工程造价。
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