展厅是大型博览会建筑最重要的组成部分,而展厅的屋面,又称为展厅的第五立面,其造型设计往往备受建筑师和业主的关注,一个富有特色的屋面造型常常会成为该展览建筑的标志,也凝聚了设计师最精彩的创意。而展厅屋面的造型设计与安全要求往往成为一对矛盾体。

　　 展厅屋面安全,包括其结构本身的安全、稳定,能承受相应的荷载,如屋面雨水荷载、风荷载、内侧的展品悬挂荷载等;也包括屋面雨水排水安全,如不因降水而造成对建筑和结构的破坏或损坏,所有为排除雨水而设计安装的管道、雨水斗不应漏水、渗水,管线振动、变形、噪声等应满足相关规范的要求,不应对正常的展览活动造成影响。屋面雨水排水安全是保证展厅屋面安全的重要环节。

　　 国家会展中心(上海)(以下简称国展中心)屋面航拍如图1,四个巨大的叶片状屋顶,中间是通天的车道,车道被地下室和建筑物包围在中间,管线无法直埋出户。在设计之初,水专业坚持要求将屋顶造型做成中间高两侧低的“人”字形造型(即通道上方是最高点,叶片外侧为最低点,天沟在展厅外侧),可保证雨水往展厅外侧流,任何情况下都能够保证雨水汇集到展厅以外的区域,即使发生溢流,也仅仅落到外围的地面,展厅不会发生漏水问题。但由于建筑设计造型需要做出俯瞰(航拍)时逼真的叶片效果,建筑专业与给水排水专业的屋面之争僵持一年之久,无奈以给水排水专业妥协告终。最终的设计,是对水专业有巨大挑战的“从”字形屋面(即两个单元展厅中线是高点,通道上方和展厅外侧是低点),如图2,整片叶片中有一半的雨水将汇聚在中间通道上方的天沟内。

　　 虹吸式(压力式)屋面雨水排水系统,通过专用的虹吸式雨水斗(又称为压力流雨水斗)和管道系统将雨水充分汇集,当天沟水深达到额定斗前水深并在设计流量下,雨水进入具有气水分离功能的虹吸式雨水斗(可防旋涡),系统呈重力输水有压流状态,雨水自由下落时管道内产生负压,使系统达到最佳的流速和流量。近年来,随着各类大型屋面越来越普遍,它广泛被应用于大型厂房、展览馆、机场、运动场、高层裙房等跨度大、结构复杂的屋面,是在国展中心项目展厅屋面设计之初就确定的首选系统。

　　 以一个展厅单元为例,屋面为半个叶片的形状,如图3,在展厅辅助用房上方、屋面最低点处设2条通长的雨水沟,其中内天沟长度约278m,外天沟长度223m。天沟位于展厅辅楼上方,且另一侧还有较长的外挑,除了两端,中部整条天沟都难有开溢流口的位置。因此设计采用了管道溢流系统。沟的宽度为1 500mm,在沟内均匀布置虹吸式雨水斗,分属常用系统和溢流系统(为区别它们图3中用了不同的图例,实际雨水斗的型号是相同的)。根据《建筑给水排水设计规范》(GB 50015-2003,2009年版,以下简称“水规”)表4.9.5,重要公共建筑屋面设计重现期≥10年,设计按常用系统设计重现期10年、常用系统和溢流系统合计设计重现期100年计算。由于内天沟下方出户是展厅间通道,无法重力排至外总体管线,这条沟内的雨水只能通过悬吊管穿越跨度达108m的展厅,再接至外总体。结合结构桁架的布置,内天沟的20个常用系统雨水斗汇合至7根悬吊管,11个溢流系统雨水斗汇合至6根悬吊管,穿越展厅。溢流系统雨水斗与常用系统雨水斗安装在同一高度,在溢流斗周围增设一圈溢流堰,当天沟积水超过溢流堰时,溢流系统才开始工作。

　　 系统设计的方案基本确定了,但由于本项目屋面的特殊造型,还是给虹吸式屋面雨水排水系统带来一些特殊的问题。这些问题包括:

　　 (1)当虹吸式管道系统内雨水量尚未达到设计流量时,管道内的流态如何?对管道安全有何影响?

　　 (2)展厅屋面常用系统和管道溢流系统的设计重现期的选择是否安全?

　　 (3)虹吸式雨水排水管线出户段消能问题如何解决?

　　 (4)穿越展厅的雨水管线,超长的悬吊管怎样确保安全?

　　 (5)虹吸式雨水斗的排水能力与其标称排水量是否吻合?

　　 与本项目同步进行的《大型博览会建筑水环境安全策略及实用技术研究》课题通过一组模拟试验试图解决上述问题,并通过在本项目屋面进行的实测进行验证,为大型展厅的屋面虹吸式雨水系统的设计提供经验。

　　 虹吸式雨水系统的设计流量是按一定的设计重现期,计算得到的流量。在实际运行过程中,当雨量较小,斗前水深较浅,雨水斗有空气掺入,管道内流量达不到设计流量,排水管道内的负压状态被破坏,水流工况转化为不稳定的虹吸流或半有压流甚至重力流的状态。由于气体掺入管路,管道的振动在所难免,其对管道系统的安全影响是本试验关注的重点。

　　 搭建一套缩小的模拟实际工程的虹吸式雨水排水系统管路系统,调节系统流量,观察在不同流量情况下的虹吸式雨水管道系统中的流态,通过分析所记录的管道振动情况,研究管道振动与流量的关系。

　　 图4为模拟测试的现场。设置一套模拟虹吸雨水排水管路,模拟天沟内设有2个3L/s虹吸式雨水斗。地面设有循环水泵将模拟雨水井(水池)内的水加压进入模拟天沟内,模拟系统设计流量6.1L/s(实测比2个虹吸式雨水斗流量之和略多)为100%,泵出水管上设有调节阀门,可以逐步调节流量,模拟不同雨量的情况。雨水斗下设连接管、上横管(模拟悬吊管)、立管、下横管(模拟悬吊或埋地排出管)等模拟虹吸式雨水排水系统的管段,立管高度约5m。在上横管、立管和下横管上分别设振动传感器,在供水管上设流量计监测流量。振动传感器和流量计的数据,都分别即时同步到就近设置的监控电脑屏幕上,即可将相应流量和振动情况一一对应。

　　 试验由2部分组成:第一部分为所有固定支架可靠安装的情况,第二部分为立管中部一个固定支架被拆卸的情况。立管支架共有3个,底部支架在立管转排出管处,中部支架位于立管中点,顶部支架位于悬吊管转立管的弯头处。振动测点选在离底部弯头1.2m高的立管上。

　　 调节循环水泵后的出水阀,通过观测流量计能清晰看到流量变化过程中,管道内水流状态的变化和管道振动幅度变化的现象,当支架完整时如表1所示;当拆除主立管中部支架时,主立管的振动状态观测对比如表2。

　　 分析得到的振动波形图显示,有支架时,振动频率高,最大波幅为1.33mm,拆除支架时,振动频率降低,最大波幅达到2.89 mm,因振动位移量测点在离底部弯头1.2m处,为拆除支架前的振幅最大点,而拆除支架后的振幅最大点和测点不一致,按推算,最大振幅点振幅约为测点的2倍,即5.8mm,振幅比接近4.4倍。

　　 管道内实际流量达到设计流量的75%以上或30%以下时,管道内振动较小,系统安全。

　　 管道内实际流量占设计流量的30%~75%时,立管内发生活塞流,振动加剧。忽略气柱对管道的冲击,水柱以某个频率周期性冲击立管底部弯头,如与管道固有频率接近时会发生共振,则后果非常严重。

　　 管道底部固定件和按规范设置的固定件非常重要,一旦有未牢固固定的点,会引起该点振幅大幅度增加。

　　 通过上述分析可见,当管道内的流量占设计流量比例在30%~75%时,系统的安全性将降低。在展厅屋面雨水系统设计时,常用系统和溢流系统的设计流量分配,有如表3所示的几个方案,按上海市降雨强度公式(同济大学解析法)为例计算。

　　 表4列出了按表3中4个方案,不同设计重现期的降雨,日常系统和溢流系统流量占设计流量的比例。

　　 从表4可见,带下划线的系统不够安全,其他系统较为安全。例如方案4,重现期0.5~5年情况下,常用系统流量都处于不安全的区间内,因此不推荐采用。方案1~3较为接近,考虑到小重现期的降雨发生的概率更大,从综合安全角度考虑,方案2当发生重现期为2年的降雨时,即可在管道内产生一次流态较好的接近虹吸状态的过程,而在不安全区间内的情况最少,为最优。因此推荐采用方案2。即按常用系统设计重现期5年,溢流系统设计流量按设计重现期100年与5年的流量差值计算。

　　 当设计采用管道溢流系统时,为提高安全性,将其与常用系统的总排水能力的设计重现期提高到100年,已大于“水规”要求的50年标准。在此前提下,常用系统所负担的流量略低(例如按设计重现期3年或5年)时,将不会影响整个屋面雨水排水体系的安全性。

　　 此项分析与“水规”的要求略有不同。在设计阶段,因试验尚未全部完成,为保证项目顺利通过各种评审,仍按“水规”要求采用了方案3。

　　 此项分析是以上海地区的雨量公式为基础得到的,对于其他地区,可采用当地雨量公式用类似分析方法得到两个系统的最优设计流量分配。

　　 (1)管道底部固定件和按规范设置的固定件非常重要。一旦有未牢固固定的点,会引起该点振幅成倍增加。

　　 (2)当屋面雨水系统设计为常用系统和管道溢流系统时,上海地区推荐采用常用系统设计重现期5年,溢流系统设计流量按设计重现期100年与5年的流量差值计算。其他地区可采用当地雨量公式用类似分析方法得到两个系统的最优设计流量分配。

　　 通过模拟试验得到的结论,在国展中心典型展厅3H屋面进行对照测试验证。主要测试实际安装的管道在达到设计工况时的排水能力及一次测试周期内管道的振动情况。

　　 测试系统为3H展厅屋面内侧(穿越展厅)和外侧(不穿越展厅)2种典型的排水系统,排水流量的测试方法采用系统容积式测试法(参考CECS 183-2015《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》,附录B.1,测试时该规程尚未正式施行);同时在排水过程中,对排水管道的振动进行了同步测试,通过测试结果的分析,了解系统的振动幅值范围、自振频率和排水能力,判别管道系统固定的合理性和水力计算的精确性。

　　 由于系统庞大,现场不具备在测试过程中以设计流量向天沟供水的条件,也不能人为调节管道系统的排水量,因此暂无法完全复原试验模型的工况。

　　 选择两种典型排水系统(不穿越展厅的简称外天沟排水系统1,穿越展厅的简称内天沟排水系统2),设计示意见图5。

　　 振动测试方面,对于不穿越展厅的排水系统,主要了解排水立管的振动特性,而对穿越展厅的排水系统,除了了解排水立管的振动特性外,对穿越展厅的约108m的横管的振动特性进行了测试,测试点的布置:在外天沟系统立管的上端和下端各设置了测试点(图5a所示测点2、4);在内天沟系统中设置3个测试点(图5b所示测点1为穿越展厅的管道上,简称横管,测点3、5与排水系统1相似)。

　　 流量测试方面,选取一段该系统所在的天沟,在天沟灌满水(400mm)后进行排水试验。在排水过程中,通过水面在天沟中的下降高度和时间的关系(时间用秒表计)计算得到系统的排水流量。在天沟一侧靠近每个雨水斗的位置分别安置标尺和秒表,如图6所示,用摄像技术将各点池壁水位和时间的关系录入,再用逐帧放映技术对每个测点进行分析(每秒30帧或25帧),从而较为精确地计算得到各测点的排水流量(排水能力)。

　　 现场观测,当放水阀门打开,水位开始较为匀速地下降,至250 mm时,有吸气的响声,但对流量的影响不明显,至水位下降至100mm左右时,明显进气,流量明显下降。

　　 管道振动幅值的测试,测前最担心的是穿越展厅的排水横管的振幅可能会偏大,但实际测量时其幅值只有1~2mm。在设计阶段,考虑到穿越展厅的超长横管的安全性,要求加强了支架的设置,结合展厅屋面桁架,支架的间距较规范规定值小。实际证明设计对排水横管(108m)防晃动的措施是必须的,也是有效的。

　　 最大振幅发生在立管的底部,测得值为23mm,该情况发生在排水的启动时刻,分析原因是排水系统中流体从静止到流动产生了很大的动量变化,而在底部由于排水管从垂直于地面转为平行于地面,流速从大小突变加上方向的突变,因此,排水系统立管的底部是水流冲击力的最大区域,在施工中应尽量做好合理的加固措施。这现象在两个排水系统中均有体现。

　　 自振频率测试的目的是了解排水系统在水流的作用下是否会产生共振。从测试结果表明,无论是满管还是空管,其自振频率在1~3Hz,并且排水系统各点的自振频率是不一致的,即共振点不一致,而外界(雨水水流)对管道冲击不是标准的周期性的,产生共振的可能性不大。

　　 排水能力的测试,从数据表可知,两个典型的排水系统,内天沟系统,带3个虹吸式雨水斗,排水能力满足设计要求;外天沟系统,带4个雨水斗,排水量略小于设计流量。由此考虑,虹吸式雨水排水系统,单个系统所带的雨水斗数量超过3个时,每个雨水斗的设计流量应考虑有安全系数。

　　 (1)至少应保证严格按照规范要求设置支架,当有雨水管道不可避免穿越展厅时,建议加密设置支架。

　　 (2)虹吸式雨水排水系统立管的底部是水流冲击力的最大区域,在施工中应尽量做好合理的加固措施。

　　 (3)对于国展中心项目使用的HDPE管道,无论是满管还是空管,其自振频率在1~3Hz,并且排水系统各点的自振频率是不一致的,即共振点不一致,而外界(雨水水流)对管道冲击不是标准的周期性的,产生共振的可能性不大。

　　 (4)虹吸式雨水排水系统,单个系统所带的雨水斗数量超过3个时,每个雨水斗的设计流量应考虑有安全系数。

　　 高屋面雨水的势能很大,雨水从屋面的天沟流到地面,如雨水在管道流动中不计阻力,根据能量守恒定律,势能完全转化为动能,所排出的雨水流速是惊人的:假设一30m高的屋面,如不计阻力,系统中雨水至地面处的流速约为24m/s,远超出设计规范的要求。同时,雨水因检查井的阻挡,反作用于检查井,其冲击力也是巨大的。《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》(CECS 183-2015)3.7.5条规定,过渡段的管道压力不宜大于50kPa。这50kPa的规定主要出于以下考虑:势能转化而来的动能应尽可能通过局部阻力或沿程阻力消减,在进入检查井时完全转化为重力流,以免流速增大,造成系统负压超标。但排水系统水力计算时,很难计算管道在现场连接时可能产生的内壁基材细微凸起或其他原因造成的阻力增加,这部分阻力较为有限,可以控制在50kPa以内。如何消能是虹吸式屋面雨水排水系统设计的关键。

　　 项目进行过程中,同步进行了一种用于虹吸式屋面雨水排水系统的消能器的研究。

　　 虹吸式屋面雨水排水系统的消能器(以下简称消能器)由圆直管与内接特殊平面的旋转体(以下简称旋转体)组成(见图7),采用与雨水排水系统管材相同的材质,一次灌注或挤压成形。旋转体的剖面为类似两个直角三角形,三角形的斜边为最速下降曲线(或简化采用直线),旋转体的下边缘修圆。它是排水管的一部分。安装的方向为沿水流方向过水断面渐缩,与整个虹吸式屋面雨水排水系统管材采用相同的连接方式。

　　 圆直管便于与同类型的排水管连接,旋转体起到消能作用,消能率的大小取决于直径比(最小过水断面的直径与圆直管的内径比),直径比越小,消能率越大。一般直径比取值为0.7~0.9。用最速下降曲线可使雨水中的杂物顺利排出,防止堵塞。

　　 其有益效果是解决了虹吸式屋面雨水排水系统出口余压过高和排水管中流速过大的技术问题,同时也解决了排水系统负压超标的技术问题^[3] 。

　　 在满足设计规程的前提下,消能器的应用使虹吸式屋面雨水排水系统的设计与运行状态达到完全可控,保证了排水系统运行的稳定性,消除了对检查井的冲击影响。

　　 消能器通过计算设计得到了各组成部分的尺寸,在实验室自制了样品进行模拟试验,取得了预期的效果,于2014年11月提交申请,并于2015年4月获得实用新型专利授权。但由于国展中心项目设计和施工在短短3年内全部完成,而该专利产品尚未经过其他项目的正式使用,也未有厂家批量生产,因此来不及在项目中验证使用。

　　 由于计算出口余压较高,为避免对出口检查井造成冲击,设计中利用弯头的较大阻力系数,采用了增加4个弯头来消能的措施。如图8,安装位置在距离地面约2m处。考虑到弯头处水流方向变化所产生的冲击力,要求在弯头处增设相应的支架或管卡。在项目验收后经历的多次暴雨考验中,虹吸式雨水系统基本安全。

　　 受项目建筑设计对管井设置的限制,排出管相对较为集中,为此设计了出口消能井。如图9所示,消能井有如下特点:

　　 (1)消能井设有带固定防盗措施的检查井盖和透气格栅,可有效避免暴雨时跳盖。

　　 (2)虹吸雨水管道接入消能井时增加了顺水流方向且斜向下的弯头,可大大减小水流干扰。

　　 (3)透气格栅设于排出管的对侧,避免日常降雨时雨水通过透气格栅溅出。

　　 (4)消能井在排出管的对侧面贴有10mm厚的钢板,以避免虹吸式雨水出流时对对侧混凝土侧壁的冲刷和破坏。

　　 (5)消能井出水管应按屋面排水系统降雨历时匹配流量设计(不应按地面降雨历时计算)。

　　 (6)与消能器或消能弯头配合使用,效果更佳。

　　 大型展厅屋面虹吸式雨水系统设计,当采用管道溢流系统时,上海地区推荐常用系统设计重现期为5年,溢流系统流量为设计重现期100年和5年的雨量差值,其他地区可采用当地雨量公式用类似分析方法得到两个系统的最优设计流量分配。应保证严格按照规范要求设置支架,当有雨水管道不可避免穿越展厅时,建议加密设置支架。立管固定、尤其是底部固定措施非常关键,应特别关注。单个系统所带的雨水斗数量超过3个时,每个雨水斗的设计流量应考虑有安全系数。应设置必要的消能措施,使出口余压控制在50kPa以下。