随着我国工业生产的不断发展,大型钢结构厂房日趋增多,该类型建筑屋面面积大,且多以内天沟收集屋面雨水,因此及时、有效、安全地排除屋面雨水成为该类型建筑给排水设计的重点。规范指出:工业厂房、库房、公共建筑大型屋面的雨水排水宜按照满管压力流设计^[1]。满管压力流(虹吸式)雨水系统的相关设计规范不够全面,设计方法不够统一,且多以厂家深化设计为主,计算结果相差甚远。本文重点对不同重现期下暴雨强度安全系数的选取进行计算分析,为今后设计工作的开展提供参考。

　　 根据《建筑给水排水设计规范》(GB 50015-2003,2009年版,以下简称“建规”),设计雨水流量应按式(1)计算,当采用天沟集水且檐沟溢水会流入室内时,设计暴雨强度应乘以1.5倍的系数。

　　 式中q_y———设计雨水流量,L/s;

　　 q_j———设计暴雨强度,L/(s·hm²);

　　 ψ———径流系数,s;

　　 F_w———汇水面积,m²。

　　 暴雨强度的大小与选定的设计重现期有关。根据“建规”,不同类型建筑屋面重现期见表1。

　　 对一般性建筑物屋面,其设计重现期不小于2~5年,对于重要的工业建筑(生产不允许渗漏的),其设计重现期应根据建筑重要性及溢流造成的危害程度确定,不宜小于10年,溢流系统总排水能力不小于50年^[2]。

　　 由此可见,工业建筑设计重现期并无明确规定,更多是根据厂房的生产工艺、溢流危害程度并结合甲方要求综合确定。为防止排水不及时造成的危害,在大面积多跨度厂房的设计中,多数设计师直接选定重现期为10年,溢流总排水能力不小于50年。

　　 对某指定地区,其暴雨强度仅与设计重现期的大小有关。现以南京地区为例,分析暴雨强度随重现期的变化曲线图,如图1。当设计重现期为2~5年时,曲线斜率最大,此后逐渐变小,当设计重现期大于30年时,曲线斜率趋于稳定。可见,暴雨强度随重现期递增的增幅是递减的,重现期在2~10年内增幅最大。经测算,这种变化具有普遍性。

　　 根据式(1)的要求,在计算大型重要的厂房屋面雨水系统排水量时,暴雨强度需乘以1.5倍安全系数。但是通过各地实例的计算得出,1.5倍系数将导致系统实际的排水能力过大。下面以实例说明。

　　 现在以南京、北京、济南三地为例,计算不同重现期及安全系数时暴雨强度的大小,如图2所示。当设计重现期为10年时,对南京地区,其1.5倍暴雨强度为7.32L/(s·100m²),为50年重现期计算暴雨强度的1.17倍,为100年重现期计算暴雨强度的1.07倍;北京地区,其1.5倍暴雨强度为8.78L/(s·100 m²),为50的重现期计算暴雨强度的1.14倍,为100年重现期计算暴雨强度的1.04倍;济南地区,其1.5倍暴雨强度为7.77L/(s·100m²),为50年重现期计算暴雨强度的1.15倍,为100年重现期计算暴雨强度的1.05倍。由此可见,对于重现期为10年的雨水系统,按照该安全系数计算其实际排水能力已大于100年设计重现期。

　　 现将安全系数调整为1.2倍重新计算。对于南京地区,其1.2倍暴雨强度为5.87L/(s·100m²),该数值为30年重现期计算暴雨强度的1.01倍,系统实际的排水能力为30年;北京地区,其1.2倍暴雨强度为7.02L/(s·100m²),该数值为30年重现期计算暴雨强度的0.99倍;对于济南地区,其1.2倍暴雨强度为6.22L/(s·100m²),该数值为30年重现期计算暴雨强度的1倍。可见,此时雨水系统实际排水能力已达到30年设计重现期,再结合溢流系统设计,使系统总排水能力达到50年的设计重现期。这样不仅可避免资源的浪费,也保证了系统的实际排水效果。

　　 当暴雨重现期不同时,其安全系数应如何选取?下面分别讨论暴雨重现期为2年和5年时安全系数的取值情况。

　　 当重现期为2年时,对于南京地区,其1.5倍暴雨强度为5.27L/(s·100m²),该数值为10年重现期计算暴雨强度的1.08倍;对于北京地区,其1.5倍暴雨强度为6.03L/(s·100m²),该数值为15年重现期计算暴雨强度的1.03倍;对于济南地区,其1.5倍暴雨强度为5.43L/(s·100m²),该数值为10年计算暴雨强度重现期的1.05倍。此时系统实际排水能力可达到10年设计重现期,未出现过大的现象,是可行的。

　　 当重现期为5年时,对于南京地区,其1.3倍暴雨强度为5.58L/(s·100m²),该数值为20年重现期计算暴雨强度的1.02倍;对于北京地区,其1.3倍暴雨强度为6.58L/(s·100m²),该数值为20年重现期计算暴雨强度的0.99倍;对于济南地区,其1.3倍暴雨强度为5.86L/(s·100m²),该数值为20年重现期计算暴雨强度的1倍。此时系统实际排水能力已达到20年设计重现期,是可行的。

　　 由于暴雨强度随设计重现期增加的增速是递减的,设计重现期越大,1.5倍系数暴雨强度所达到的实际排水能力越大,因而对大跨度钢结构厂房进行满管压力流雨水系统设计时,暴雨强度安全系数的取值应根据重现期的大小逐段分级选取,设计重现期大,取较小安全系数,反之亦然。当重现期取2年时,宜取1.5倍安全系数;当重现期取5年时,宜取1.3倍安全系数;当重现期取10年时,宜取1.2倍安全系数。该结论同样适用于库房、公共建筑等其他大型屋面建筑的满管压力流(虹吸式)雨水系统设计。这样既保证了系统的安全运行,又避免由于系统的实际排水能力过大而造成资源和投资的浪费,达到最优的设计效果。