深圳大鹏半岛国家地质公园(见图1)位于深圳市大鹏半岛中南部,与市区相距约50km。园内的古火山遗址、海岸地貌和生态环境,是探索深圳地址演变发展的天然窗口和实验室,是体现深圳生态、旅游、滨海三大特征的主要载体。该园区于2009年开始设计,2013年正式竣工并投入使用,现免费向市民开放参观。

　　 深圳大鹏半岛国家地质公园内地质博物馆的屋面是一个异形屋面,标高关系比较复杂,见图2。根据屋面标高关系,可将此屋面分隔为I~V号5个小屋面(I号和V号屋面的4个角标高虽不同,却是共平面的),其中V号屋面标高差最大,本文便取此屋面做为目标屋面进行分析。

　　 目标屋面最高点标高为15.500m,最低标高为9.960m,标高差达5.540m,倾斜度非常大,一般而言雨水进行有组织排水是比较困难的,宜散排处理。然而本屋面低面一侧是博物馆主出入口,该侧屋面下方墙面是内收的,如雨水散排,在雨天时出入口落雨量较大,且会将内收墙面浸湿,所以该屋面雨水需要有组织排放。

　　 将目标屋面4 个角分别定义为A、B、C、D,可知,A点最高(15.500 m),D点最低(9.960 m),如图3所示。

　　 初步排水方案为在BD和CD两条较低的边上设置排水沟,以收集整个屋面V的雨水,并在这两条边上设置雨水斗排水。然而,如何确定各个雨水斗的位置,如何确定各个雨水斗的汇水面积,各个雨水斗的雨水量是多少呢?下面用流体力学和数学知识进行分析。

　　 众所周知,雨水排水是重力流,会从高点往低点流,即A点的雨水,会流向这个面的最低点D(前提是目标屋面必须是一个平面,不能是曲面或折面),也就是AD连接线是这个屋面的水流方向线。

　　 运用数学几何知识可知,从B点做AD的垂直线,交于E点,则E点的标高与B点是相同的,均为14.000m。同理从C点做AD的垂线,交AD于F点,则F点与C点的标高也是相同的,均为12.000m,即BE和CF线都是等高的(即为等高线),且BE与CF是平行的,雨水会从垂直等高线从高点向低点流动。

　　 将等高线细化,如图4所示,然后便可以确定每个雨水斗的汇水面积并计算排水量。

　　 假定在BD边上的G点设一个雨水斗,从G点做等高线的垂线,交AB与H点,不难看出,H点的雨水刚好可汇集至G点,则可确定,G点处雨水斗汇水面积为BHG三点围合的面积。同理,I点的雨水斗,汇水面积为IJHG四点围合的面积。其他雨水斗以此类推,计算方法相同。

　　 在计算汇水面积时并不可以直接利用以上围合区域的面积,而是要用其投影面积,需先确定该面的倾角(直接利用围合面积会大于投影面积,计算结果会偏保守),然后套用雨水量计算公式,即可计算出该汇水面积的雨水量。

　　 (1)根据建筑屋面造型确定设置排水沟的位置,然后根据屋面做法确定排水沟的宽度和深度,再根据排水沟的宽度选用合适口径的雨水斗(参见《全国民用建筑工程设计技术措施给水排水》第5.3.3条第7款)。

　　 本项目屋面做有钢挂石材,沟面顶部石材开过水孔,雨水沟深度和宽度均为350mm,最大可选用87型DN150规格的雨水斗。

　　 (2)查询《建筑给水排水设计规范》(GB 50015-2003,2009年版)第4.9章得出雨水斗的泄流量,并将泄流量作为设计流量以及当地50年一遇暴雨强度(此处考虑溢流排水量,一般建筑可以按10年一遇设计)推算出每个雨水斗的汇水面积。

　　 本项目位于深圳,50 年一遇暴雨强度q_j=577.13L/(s·hm²)(如天沟溢流水有可能进入室内,则该值需乘上1.5的系数);径流系数 Ψ=0.90;设计雨水量取DN150雨水斗泄流量,即q_y=26L/s,可计算出汇水面积F_w=500m²。

　　 (3)根据本文第3节所述方法和每个雨水斗的汇水面积划分屋面,并布置雨水斗。

　　 (4)考虑到雨水斗位于斜沟内,收集雨水能力有限,需在每个雨水斗前设置挡水板,挡水板顶部宜低于沟顶不小于50mm且高出雨水斗不小于200mm(可通过调节挡水板与雨水斗的距离来确定)。

　　 挡水板与沟顶留出50mm为溢流空间,当雨水量超出雨水斗排水能力时,由此溢流至排水沟下游。挡水板顶高出雨水斗不小于200mm是参照平屋面结构荷载200kg/m²(即雨水积水厚度200 mm)来取值的,此值越大对雨水斗的排水越有利。

　　 (5)由于坡屋面排水较平屋面更急更快,雨水斗处积水量有限,溢流到沟下游的水量较多,所以需要在屋面最低点做排水加强。

　　 本项目在屋面最低点将两侧排水沟连通在一起,雨水斗也做了加密,此处雨水斗的排水能力是目标屋面50年一遇水量与10年一遇水量的差值。超出50年一遇的水量则通过沟顶进水孔溢流出屋面,散排出屋面。

　　 (6)屋面石材之间接缝如有松动或者接缝不严,有可能导致雨水直接渗漏到屋面结构板上,此部分雨水会直接汇流到屋面最低点处,所以在屋面最低点处还要考虑渗水排水。

　　 本项目在屋面最低点处额外加装了2个排渗水的雨水斗,并且在排水沟边加开过水孔,在雨水量特别大时,沟内来不及排出的雨水可以通过过水孔进入渗水排水区,通过排渗水的雨水斗排出室外。过水孔是应急排水的一种措施,所以过水孔尽量开得高一些,本项目过水孔贴排水沟顶。

　　 经过加强处理的最低点,不仅考虑了正常排水量,还考虑了溢流雨水和渗流排水,见图5。

　　 本文利用简单的流体力学和几何数学知识分析了异形屋面雨水排水设计的计算方法,化繁为简,化整为零,将异形屋面排水分块计算,为后续设计提供计算依据,以供参考。