大型钢结构屋面内天沟虹吸雨水系统设计浅析

康凯，许崇崴，汪小明，马闯，王志勇，许晓琪

（1.中机第一设计研究院有限公司，合肥230601；2. 北京泰宁科创雨水利用技术股份有限公司，北京102200）

1 引言

工业的发展规模和技术水平是综合国力的重要体现，工业厂房是工业发展的基础和先决条件，随着我国改革开放的不断深入，大型厂房，尤其是大型钢结构屋面不断涌现。为保证建筑物结构安全以及车间生产正常进行，须将屋面雨水迅速、及时地排至室外管渠或室外地面，降低内天沟渗漏风险。

本文以某大型钢结构屋面为例，简述了内天沟虹吸式屋面雨水系统的设计过程，并对常见问题进行了探讨。

2 设计概况及系统选择

本项目为江苏省淮安市金湖县某热处理车间C 轴线内天沟，此内天沟负担的屋面面积约18 000 m2，屋面坡度为3%。根据GB 50015—2019《建筑给水排水设计标准》[1](以下简称《建水标》)、CECS 183—2015《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》[2]（以下简称《虹吸规程》）及CJJ 142—2014《建筑屋面雨水排水系统技术规程》[3]（以下简称《屋面雨水规程》）相关条文要求，对内天沟虹吸排水进行水力计算。计算简图见图1。

图1 热处理车间C 轴线内天沟计算简图

C 轴天沟长度为240 m，柱间局部下沉，其中柱顶天沟深270 mm，柱间天沟深500 mm，柱间距为9 m。因此，每个柱间下凹区域为一个相对独立的汇水区域。

根据《建水标》第5.2.13 条第4 款要求，本项目内天沟采用虹吸式屋面雨水系统。

3 设计雨水流量计算

3.1 暴雨强度公式

暴雨强度公式根据淮安市人民政府发布的“市政府办公室关于公布淮安市暴雨强度公式的通知”（淮政办发〔2014〕64号）选取。

3.2 设计重现期

按《建水标》第5.2.5 条第3、4、5 款要求，虹吸系统重现期取P=10 a，与溢流系统的总排水能力不小于100 a 重现期的排水量。计算可得设计重现期P 及相应的5 min 暴雨强度q5如下：设计重现期Ps=10 a，q5s=0.0551 L/（s·m2）；溢流重现期Py=100 a，q5y＝0.0782 L/（s·m2）。

3.3 设计雨水流量

根据《建水标》第5.2.1 条规定，C 轴线天沟设计雨水流量应乘以系数1.5。经计算，C 轴天沟的设计水量为：P1＝10 a，设计雨水流量q1=0.055 1×18 000×1.5=1 487.70 L/s；当P2＝100 a，设计雨水流量q2=0.0782×18000×1.5=2111.4 L/s

P1＝10 a 时，每个柱间区域的汇水面积为：75 m×9 m=675 m2，汇水量为：Q=0.055 1×675×1.5=55.79 L/s，单斗流量55.79/2=27.9 L/s。故每个小的汇水区域设2 个虹吸雨水斗。

4 天沟尺寸计算

4.1 天沟尺寸影响因素

天沟尺寸影响因素有很多，依据《建水标》第5.2.8～5.2.10条、《虹吸规程》第3.2.1～3.2.6 条及《屋面雨水规程》要求，有以下几个因素：需负担的排水流量、天沟的有效蓄水容积、保护高度、其他因素。其中，影响较大的为以下两个因素：（1）有效水深及保护高度应满足《虹吸规程》第3.2.4 条规定；（2）天沟的有效蓄水容积应满足《虹吸规程》第3.2.6 条规定。

4.2 天沟排水流量计算

根据屋面虹吸雨水斗的布置，本工程天沟按水平短沟设计，排水流量计算公式根据《屋面雨水规程》第4.2.9 条计算，其中各种沟形的断面系数kdf见《屋面雨水规程》表4.2.9，深度系数Sx、形状系数Xx见《屋面雨水规程》附录B；本项目为矩形天沟，按上述要求，kdf取3.89×10-5；折减系数kdg取0.9；Xx取1.0；深度系数Sx取0.82。

天沟有效深度为500-100＝400 mm。因每个小的汇水分区相对独立，每段天沟的排水量计算如下：

天沟段面面积Az＝400×1 000=400 000 mm2

天沟排水量qcg=0.9×3.89×10-5×400 000×0.82×1.0

=288.79 L/s＞55.79 L/s

根据上述计算结果可知，天沟排水能力满足设计要求。

4.3 虹吸启动时间计算

取最不利系统（HYL-15）计算虹吸启动时间，计算简图见图2。

图2 最不利系统（HYL-15）计算简图

YG100B 虹吸雨水斗的虹吸启动流量为25 L/s，本系统共设4 个斗。

虹吸启动时间计算参照《虹吸规程》第3.2.5 条，计算结果为TF＝58 s。

4.4 天沟有效蓄水容积计算

因最不利系统（HYL-15）虹吸启动时间小于60 s，故天沟的有效蓄水容积不宜小于汇水面积雨水设计流量持续60 s 的流量，即天沟需要蓄水容积为：1 487.70×60＝89 450.4 L＝89.26 m3；柱顶天沟深270 mm，28 个柱子，约28 m 长，（柱上天沟长度按1 m 计）；柱间天沟深500 mm，总长为240-28=212 m。故天沟有效蓄水容积为：

212×B×0.001×（0.5-0.1）+28×B×0.001×（0.27-0.1）＞89.26。

其中，B 为天沟宽度，mm。经计算，天沟最小宽度取B=1 000 mm。

5 虹吸系统计算说明

为满足天沟的有效蓄水容积，由于天沟为柱间下沉。因此，每个柱间下凹区域为一个相对独立的汇水区域。其中，柱间距9 m 的区域26 个，柱间距6 m 的区域1 个。各区域汇水分析总表见表1。

表1 虹吸雨水各区域汇水分析一览表

面积675 m2的汇水区域共26 个，每个区域布置2 个YG100B 雨水斗；面积450 m2的汇水区域共1 个，布置1 个YG100B 雨水斗。另外，按《虹吸规程》第3.7.10 条要求，出户流速不宜大于1.8 m/s，且虹吸雨水常用的HDPE 管材最大管径De为315 mm，可求得该管径和流速对应的最大流量为119.5 L/s。综合流量、雨水斗数量等因素，故C 轴天沟共设置53 个虹吸雨水斗，形成14 个虹吸系统，左右两侧出户。

6 虹吸溢流管道系统计算

本工程天沟相对连同，可按240 m 天沟整体考虑均布溢流雨水斗。溢流系统承担的水量为：q2-q1=2 111.4-1 487.70=623.70 L/s，综合流量、雨水斗数量等因素共设置12 个溢流雨水斗，形成6 个溢流系统。

7 设计心得

《建水标》《虹吸规程》《屋面雨水规程》中对虹吸系统的计算提出了相关要求，结合以往项目经验，总结出以下几点设计心得，供工程设计参考。

7.1 关于设计重现期

笔者建议，大型钢结构屋面虹吸系统雨水重现期按《建水标》第5.2.5 条第5 款要求采用10 年，溢流设施的总排水能力按100 年。

7.2 关于内天沟的深度

按《虹吸规程》第3.2.4 条要求，大型钢屋面内天沟的深度宜为350 mm，在不影响结构形式，安全合理的前提下，与土建专业协商，内天沟深度尽量满足设计要求，如确有困难，可考虑做柱间下沉。

7.3 关于天沟有效蓄水容积及天沟宽度

为了控制内天沟宽度不至过宽，可考虑控制虹吸系统的启动时间不宜超过60 s，天沟有效蓄水容积按汇水面积雨水设计流量持续60 s 的流量。内天沟宽度应满足《虹吸规程》第3.2.2 条要求，设计时，应根据雨水斗的选型，复核天沟宽度。

7.4 关于虹吸雨水消能措施

虹吸系统消能措施应满足《虹吸规程》第3.5.1～3.5.4 条要求，大型钢结构屋面一般都是多根出户管一起出户，笔者建议，与排出管连接的雨水检查井采用带排气功能的消能井，并由中标厂家二次深化设计。

7.5 关于虹吸悬吊管安装高度及支、吊架

虹吸悬吊管的布置应考虑距行车的安全距离，一般为0.2～0.3 m，设计时应与工艺、结构专业核实。另外，还应与结构专业沟通，预留虹吸管道支、吊架生根条件。

7.6 关于虹吸溢流系统

虹吸溢流系统应满足《虹吸规程》3.6.1～3.6.9 条规定，当采用溢流管道系统溢流时，建议在散水处设雨水口，雨水口不接至室外雨水管网，溢流系统排至此雨水口，溢流至室外地面，确保溢流系统的正常运行。

8 结语

虹吸系统水力计算复杂，一般需借助专业辅助软件，设计院大多无此辅助软件，须由专业厂家二次深化。设计时应跟建筑专业、结构专业及业主方及时沟通，保证上述设计心得中的各控制要点得以实现，以保证虹吸系统排水效果。