武汉天河机场T3航站楼总建筑面积49.5万m², 建筑高度41.1 m, 地下一层, 地上四层, 由主楼、指廊、连廊组成, 内部设有庭院及天井, 建筑造型取“凤舞九天”之意 (见图1) 。T3航站楼屋面面积约22万m², 屋面板为铝锰镁合金直立锁边板。其中, 主楼为双曲屋面, 屋面标高从最高点往四周顺次降低, 外檐口标高各不相同;连廊与主楼衔接部位为坡向外檐口的双曲屋面, 连廊其余部位及指廊为单曲拱形屋面, 连廊与指廊外檐口标高均相同。

　　 T3航站楼使用部门众多, 功能复杂, 旅客及行李系统流程工艺性强, 设计需要满足各部门、各环节的使用需求, 设计周期较长, 但各深化设计公司 (包括虹吸雨水系统、屋面、幕墙、精装修等) 均进入较晚。本航站楼从2011年开始初步设计, 到2016年完成各种深化设计, 历时近6年的时间, 期间有很多设计规范进行了修编, 也出台了不少新的设计规范。仅在雨水系统设计方面, 2014年9月1日编制实施了《建筑屋面雨水排水系统技术规程》 (CJJ 142-2014) , 2015年8月1日修编实施了《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》 (CECS 183:2015) , 两本新规范均在虹吸雨水系统设计排水安全性上有较多新的规定。T3航站楼屋面虹吸雨水系统深化设计时上述规范已经实施, 必须作为设计依据, 以保障T3航站楼屋面排水安全, 但又要尽可能少突破预算, 节约造价。

　　 T3航站楼虹吸雨水系统深化设计由系统供应商在招标图基础上进行, 设计院积极配合虹吸雨水深化设计公司与屋面、幕墙、钢构、精装修等深化设计公司沟通, 多次组织召开会议, 协调解决深化设计过程中出现的各种问题, 对虹吸雨水系统深化设计图纸进行了多次校审, 并对最终设计成果进行了确认。

　　 T3航站楼共设置了215套虹吸雨水排水系统 (包含22套虹吸溢流管道系统) , 设置了约5 000 m长的不锈钢天沟及114个下沉式不锈钢集水井, 共采用不锈钢虹吸雨水斗493个, 不锈钢虹吸雨水管道近2.3万m, 还设置了800 mm×100 mm不锈钢溢流口共106处。

　　 T3航站楼初步设计及施工图设计时, 调研国内各大中型机场及各大中型高铁站房金属屋面的虹吸雨水系统设计及使用情况, 多数是按屋面雨水排水工程与溢流设施的总排水能力达到50年重现期设计的, 设计重现期取20～50年不等。事实上, 只要设计、施工及维护管理都严格执行规范要求, 50年设计重现期的总排水能力是能够满足屋面排水安全性要求的, 这点从已经实施近10年的高铁站房工程及机场航站楼工程得到了证实 (少数站房屋面出现的排水问题, 经现场调研是施工过程中出现了管道堵塞, 或者是管道接口出现了问题) 。考虑到国际航站楼工程的重要性, T3航站楼原设计重限期取50年, 按总排水能力为100年重限期设置溢流设施。表1为不同重现期下的雨水量比较。

　　 深化设计时, 鉴于新规范对虹吸雨水系统设计的安全性要求有了进一步的提高, 为了避免因设计、施工、维护管理各环节不能完全到位而使虹吸雨水系统的排水能力减小, 以及今后可能会发生超过100年重现期的特大暴雨但虹吸雨水系统的排水能力不足, 从而导致天沟溢水至室内造成严重损失, 设计院与深化设计单位沟通并报业主同意后, 确定T3航站楼设计重现期保持50年不变, 但需提高溢流 量, 使虹吸雨水排水系统加溢流设施的总排水能力满足新规范中的最不利状况下总排水量要求, 即10年重现期的排水量乘以1.5的汇水系数, 并附加50年重现期减10年重现期的溢流排水量。与新规范要求相比, 深化设计的设计流量有所减少, 但提高了溢流设施的排水能力, 这样使排水系统更容易形成虹吸, 溢流设施也能及时排除超重限期雨水, 更为合理。同时, 虹吸排水系统在1年重现期降雨时, 悬吊管也有足够的自净流速。

　　 T3航站楼主楼南、北两侧大悬挑屋面排水沟不在室内上空, 设计按100年重现期的雨水量设置溢流设施。

　　 T3航站楼屋面面积超大, 合理划分汇水面积、合理进行流量分配对虹吸雨水系统的设计至关重要。

　　 《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》 (CECS 183:2005) 中规定:对汇水面积大于5 000 m²的大型屋面, 宜设置不少于2套独立的虹吸式屋面雨水系统。

　　 《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》 (CECS 183:2015) 将此条修订为:汇水面积大于2 500 m²的大型屋面, 宜设置不少于2套独立的虹吸式屋面雨水系统。

　　 《建筑屋面雨水排水系统技术规程》 (CJJ 142-2014) 规定:单个压力流雨水排水系统的最大汇水面积不宜大于2 500 m²。

　　 从上述规范对最大汇水面积的修订看, 汇水面积划分不宜过大, 因为过大则排水安全性差。但汇水面积划分也不宜过小, 过小会使系统数量大幅增加, 存在很多不利方面:一是不能充分发挥虹吸雨水系统排水量大的优势;二是立管数量过多, 当在柱内暗敷或者在大空间内沿结构件明敷时, 增加了施工难度或有碍观瞻;三是雨水斗、管材、附件、消能井、检查井等数量大幅增多从而增加造价。

　　 当然, 汇水面积的划分受到很多其他因素的制约, 包括屋面形状、坡向、天窗分布、天沟布置、铝锰镁合金直立锁边板排布方向等等, 需要根据屋面的具体情况结合设计选用的暴雨强度、汇水面积上的雨水设计流量确定 (见图2) 。对于坡度很大的拱形屋面, 在中间设排水沟难以有效集水, 但直立锁边板 (见图3) 的导水沟因为流速大、通过能力强, 集水的距离可以长些, 天沟可相对集中布置在屋面的最低处, 在天沟内设置足够套数的虹吸雨水系统满足排水要求即可;但是对于坡度不是很大的屋面, 直立锁边板的导水沟因为流速小、通过能力也小, 集水面积过大、集水距离过长会使导水沟内水位过高而导致屋面漏水。

　　 因为T3航站楼性质重要不能溢水至室内, 屋面总雨水量计算时取了1.5的汇水系数, 因而单位汇水面积上的雨水量较大。设计时一般将汇水面积控制在2 000 m²以内, 但受天窗布置的影响, 主楼屋面汇水面积有少量在2 000 m²～2 500 m², 但都控制在2 500 m²以内, 使每套虹吸雨水系统承担的汇水面积都较为合理, 既充分利用了虹吸雨水系统排水的高效性能, 又保证了排水的安全性及建筑设计的整体性要求。图4为西侧屋面汇水面积分区示意。

　　 首先, 根据T3航站楼屋面1∶200等高线图 (见图5) 初步判断屋面雨水的流向, 与建筑专业一起初步拟定直立锁边板的排布方向, 结合屋面天窗的布置, 初步布置天沟。然后与建筑专业一起初步判断天沟的分缝情况 (一般30～60 m) , 根据规范限定的最大汇水面积要求, 初步划分各汇水面积, 作为招标图设计流量计算的依据。后期, 屋面深化公司进入后, 结合天窗的做法及屋面钢构公司的深化设计调整了部分天沟的位置, 并调整了部分天沟的分缝。在深化设计过程中, 设计院全程追踪配合, 组织协调深化设计公司及时调整雨水斗的布置, 复核各系统汇水面积、设计流量等, 根据配合成果, 增加了部分虹吸雨水系统及溢流口以保证屋面排水安全。

　　 T3航站楼主楼屋面天沟纵向坡度较大, 一般都大于2% (顶部高处局部较小, 但也不小于0.4%) , 每条天沟均较长。因为热胀冷缩的原因, 屋面设计将其分为相对独立的多段天沟。对于坡度较大的天沟, 若直接在天沟内均匀布置虹吸雨水斗, 会导致同一系统中的雨水斗底部高度不同, 对形成虹吸不利。若根据规范在每个雨水斗底部设置下沉小井, 将会增加天沟的施工难度, 也难以解决天沟储存初期雨水量的需要。为解决上述问题, 设计将斜坡天沟仅作为导水沟, 在每段天沟末端设置集水井以储存初期雨水量, 每个集水井设置一套虹吸排水系统, 虹吸雨水斗集中设置在集水井内, 溢流则从天沟搭接处顺次下行, 在末端集水井处设置溢流管道系统或溢流口 (详本文第7节溢流设施设置) 。

　　 T3航站楼指廊及连廊屋面集水距离较短, 只在外侧设置水平天沟, 天沟内虹吸雨水斗均匀布置, 按每个分缝单元设置1套虹吸雨水系统, 每个单元设置1个溢流口。

　　 对于重力流雨水系统, 设计工况下来水量小于等于系统的排水量, 设置天沟的目的是满足集水、导水的功能需要, 天沟断面仅需满足通过设计流量、斗前水深、最小保护高度要求即可。但对于虹吸雨水系统, 在系统未形成虹吸满管流流态前, 其排水能力远小于虹吸满管流流态时的排水能力, 在强降雨的初期来水量大于排水量, 天沟的设置不仅要满足集水、导水、斗前水深、最小保护高度等要求, 还需要将虹吸启动前系统不能及时排除的雨水量储存起来, 以免溢水至室内, 造成重大损失或不良社会影响。

　　 《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》 (CECS 183:2015) 对天沟有效容积的计算引入了虹吸启动时间的概念:屋面初期雨水 (以水-气混合流态) 流经虹吸雨水斗、连接管, 在悬吊管与立管的转弯处形成能充满整个管段断面的水跃所需的时间。并规定了虹吸雨水系统的启动时间不宜大于60 s及如下计算虹吸启动时间的公式:

　　 ${\rm T}{}_{\text{F}}=1.2V{}_{\text{p}}/Q{}_{\text{i}\text{n},\text{F}}(1)$

　　 式中 T_F——虹吸启动时间, s;

　　 V_p ——过渡段上游管段容积, L;

　　 Q_{in, F} ——虹吸启动流量, 按本规程附录A.3测得;当悬吊管上接多个虹吸雨水斗时, 为悬吊管上所有虹吸雨水斗虹吸启动流量的总和, L/s。

　　 同时, 该规程还规定:天沟的有效蓄水容积不宜小于汇水面积雨水设计流量60 s, 且不宜小于虹吸启动时间的降雨量。当屋面坡度大于2.5%且天沟满水会溢入室内时, 经计算若虹吸启动时间大于60 s时, 天沟的有效蓄水容积不宜小于汇水面积雨水设计流量2 min, 且不应小于虹吸启动时间的降雨量。

　　 对于以上规定, 在工程设计时, 笔者认为还是应该按系统的实际情况计算虹吸启动时间。首先, 不宜有60 s和120 s的限定;其次, 计算管段容积时只需考虑连接管和悬吊管即可, 最多附加立管的容积, 而不必计算出户管的容积, 原因如下:

　　 (1) 很多虹吸雨水系统流量很大但系统管道较短, 即使按过渡段上游全部管段容积计算其启动时间也很短, 如果直接按60 s计算, 集水井容积很大;同理, 当系统启动时间计算值超过60 s不多但设计流量很大时, 如果按120 s计算, 集水井的容积更大。过大的保险系数使计算结果偏离实际值很多, 会对屋面钢结构增加较大的荷载, 大幅增加造价。

　　 (2) 有的系统悬吊管很短, 但出户管很长;有的系统悬吊管很长, 但出户管很短。在相同规模的虹吸雨水系统中, 前者与后者比, 初期雨水能快速充满悬吊管, 形成水跃的时间就会大大减少, 虹吸启动时间也将大大缩短。但若是按上述公式要求计算过渡段上游全部管段容积 (连接管、悬吊管、立管、排出管) , 则虹吸启动时间相差不是很大, 这很可能与实际情况出入较大 (因笔者没有参与试验, 也没有直接观察比较虹吸系统实际排水状况, 只是凭主持设计的项目运行结果作出判断) 。

　　 (3) 设置过渡段的目的, 主要是为了避免高速出流的水头对室外排水系统造成破坏, 这是当出户横管很短、过渡段难以设置时需要特别注意的一个问题。但是当出户横管很长时, 规范中过渡段长度不小于3 m的规定很容易实现, 过渡段设置在靠近出口处主要是充分利用系统的动能, 减小出户管管径。虹吸启动前系统内都是重力流状态, 因此, 过渡段设置在靠近立管底部就不计算出户管的容积、而设置在室外就要计算的说法不能成立。

　　 (4) 规程中的虹吸启动流量测试装置没有排出管, 虹吸启动流量测试结果也没有考虑排出管的影响。

　　 (5) 式 (1) 已经有1.2倍的折算系数, 可以计入虹吸启动前重力排出的雨水量, 该系数可以根据情况酌情增大。

　　 (6) 规程条文解释中说, 当一套虹吸雨水系统接有多个雨水斗时, 式 (1) 可用于估算系统的虹吸形成时间。可见式 (1) 也只是起估算作用。

　　 鉴于上述原因, T3航站楼深化设计时, 虹吸启动时间按新规范中的计算公式式 (1) 核算, 但只计入了连接管、悬吊管和立管的容积, 并据此核算天沟的有效储水容积。如图6a所示, 指廊及连廊屋面水平天沟尺寸为800 mm×400 mm (宽×高) , 能满足虹吸启动前的储水要求;主楼屋面斜坡天沟尺寸也是800 mm×400 mm, 可满足导水的功能需求, 但天沟末端的集水井容积偏小, 则需要进行调整。调整的原则为:集水井首先必须满足储存虹吸启动前的设计雨水量;其次结合结构对荷载的限制, 分内天沟和外天沟分别考虑余量。外天沟各系统管道较短, 虹吸启动时间也短, 并且可以设置排水量较大的溢流口直接对外排出多余来水量, 将集水井容积设置为满足计算值即可, 故集水井容积较小;内天沟各系统管道较长, 虹吸启动时间相对较长, 在计算值的基础上适当放大集水井容积以保证排水安全性, 故集水井容积较大。考虑结构设计简便, 集水井统一为2种型式:外天沟不小于3 m³, 内天沟不小于6 m³ (见图6b) 。

　　 为了保证耐久性, 屋面工程中的不锈钢天沟及集水井壁厚采用3 mm。

　　 T3航站楼体量超大, 但建筑要求空间效果轻盈通透, 外围为整片的玻璃幕墙, 幕墙均由挡风桁架支撑, 结构柱尺寸不能过大, 并且不能外包, 全部裸露喷涂氟碳漆。鉴于T3航站楼主楼入口大厅的美观性要求, 建筑师要求虹吸雨水立管不能露明设置。而大厅以外的部分由于结构柱均在楼板处设置了尺寸很大的环板, 致使雨水立管无法靠柱敷设。因此, T3航站楼的雨水管道特别是立管的设置是一件较困难的事情。经过与建筑及结构专业反复磋商, 并调研国内同类机场的做法, 最后确定将航站楼主楼入口大厅内的虹吸雨水立管暗敷在钢管混凝土柱内, 其他部分全部沿建筑外侧、天井或庭院的挡风桁架敷设。

　　 应该说明的是, 上述管道敷设方法原则上是不满足规范要求的, 但鉴于建筑空间表达的需要以及结构特殊构造的要求, 设计必须采取相应技术措施以减少不利影响。结构柱内敷设的不锈钢雨水立管全部按国标普通钢管的厚度选用, 以保证焊接方便及使用的耐久性, 并且对焊缝进行超声波探伤检测以保证施工质量。为了使系统管道能够适应结构构件柔性连接的变形要求, 在管道通过挡风桁架与屋面钢结构双铰连接变形较大处设置各方向变形量均较大的复式自由型补偿器 (小拉杆补偿器, 见图7) , 在管道通过挡风桁架与底部楼板连接的单铰接处设置满足角度位移的补偿器, 并在每个补偿器的两端设置固定支架与缝两侧结构构件牢固固定, 以使各补偿器充分发挥补偿效应, 要求补偿器耐负压均不小于-90 kPa。

　　 虹吸雨水系统悬吊管在屋面板下沿桁架敷设以便固定, 出户管在外围部分直接出户进入消能井, 但主楼大厅柱内的立道出柱后因为楼前设有地下停车楼, 管道无法就近接出, 只能在地下一层顶板下分别往东、西向悬吊出户, 最远悬吊距离约230 m, 在东、西庭院内相对集中设置大型消能井以接纳这部分出户管。

　　 除钢柱内采用与普通钢管等厚的不锈钢管外, 其余不锈钢管按《建筑屋面雨水排水系统技术规程》 (CJJ 142-2014) 里规定的最小壁厚上浮0.5 mm确定管道壁厚, 并且采用耐腐蚀性能牌号不低于S40808的材料。不锈钢管道采用对接氩弧焊接, 惰性气体保护, 不锈钢管道与支吊架接触处设置三元乙丙橡胶垫。

　　 在深化设计之前, 设计院为了配合招标设计并做好管线综合及预留预埋所出的招标图纸不能作为施工虹吸雨水系统的依据, 因为不同系统供应商的虹吸雨水斗性能参数不同, 包括虹吸雨水斗的最大流量、最大设计流量及虹吸启动流量各不相同, 对应的斗前水深也不一样, 加上各系统供应商的计算软件不同, 同一系统最终计算结果也可能不同。

　　 虹吸雨水系统在系统供应商确定后, 应根据设计暴雨强度、汇水面积、设计雨水流量、雨水斗布置、管道路由进行精确水力计算, 以确定雨水斗选型及系统的最佳管径配置, 并控制系统的流速和负压值。由于虹吸雨水系统的水力计算充分利用了雨水水头, 后期管路的任何调整都需要重新进行水力复核计算, 以保证虹吸雨水系统的排水能力满足要求。

　　 根据规范要求, 虹吸雨水系统的水力计算还应包括校核计算, 一是按系统内所有虹吸雨水斗以校核流量运行的工况, 复核系统的最低负压;二是当虹吸雨水系统设置场所有可能发生虹吸雨水斗堵塞时, 应按任一个虹吸雨水斗失效, 其设计流量均分给该系统的其他雨水斗的运行工况, 复核系统的最低负压值和天沟 (或屋面) 的积水深度。

　　 笔者认为, 不能简单地按虹吸雨水系统“校核流量-斗前水深曲线”中的校核流量进行校核计算。因为经过严谨水力计算确定一个特定的系统后, 尽管超重现期发生溢流时可能出现的斗前水深超过了最大斗前水深, 但系统能接纳的富余水量并不一定就大, 这与设计计算时系统的余量有关, 余量大则接纳的富余水量才大。T3航站楼的系统供应商用雨水斗的最大流量代入水力计算软件进行校核计算时, 不少系统计算结果表面上看负压值是超标了, 但此时系统总阻力损失已经大大超过了雨水水头, 这是无法实现的, 系统会自动平衡调节运行工况, 使实际负压值不超标。建议以系统水力计算后还略有富裕水头[至少是v²/ (2g) ]来反算可能增加的富裕流量及系统的负压值。

　　 对于一个雨水斗失效后其他雨水斗平均分配流量的校核计算, 在雨水斗排水量不大且一套系统的雨水斗数量较多时是可行的。但是当雨水斗排水量较大且一套系统雨水斗数量不是很多时, 就难以达到排水能均摊的目的。建议此时设置不锈钢网罩加强保护, 避免虹吸雨水斗失效, 并适当增大溢流量。

　　 根据规范, 虹吸雨水系统应设溢流排水, 溢流排水不应危及行人和地面设施。

　　 T3航站楼的指廊、连廊屋面均设置了水平外天沟, 主楼屋面除了建筑外侧及庭院、天井处设置了斜坡外天沟外, 还设置了很多斜坡内天沟。外天沟设置溢流口, 内天沟设置虹吸溢流管道系统。

　　 对于水平天沟, 每段天沟设置1个800 mm×100 mm的溢流口;对于斜坡天沟, 则分组设置溢流设施。雨水首先汇集至集水井内, 集水井与下游天沟搭接处采取顺搭方式, 上游汇水面积溢流的雨水从搭接处流入下游天沟, 再依次往下溢流, 在末端集水井内设置800 mm×100 mm的溢流口 (外天沟) 或虹吸溢流管道系统 (内天沟) , 将上游溢流雨水排至室外。图8为天沟溢流塔接安装及溢流口安装示意。

　　 采用规范中薄壁堰的设计流量计算公式, 按通过上游溢流水量的要求计算天沟伸缩缝挡板处堰顶高度, 并按上游溢流水量和下游相应汇水面积上的来水量复核堰下部排水沟断面能否满足要求, 计算时各断面处均预留50 mm的保护高度, 以免雨水溢入室内。

　　 根据建筑专业要求, 溢流口不能在立面上出现。经过各专业协调配合, 将溢流口出口均设置在屋面檐口与幕墙之间的衔接处下方。

　　 虹吸雨水系统的排水效率非常高, 流速很大, 而且在形成稳定的虹吸流态前是重力和虹吸交替运行状态, 管道的受力状态不停转换, 会引起管道剧烈的震动, 因此管道的固定非常重要。管道支吊架应固定在承重结构上, 位置应正确, 埋设应牢固。金属管道支吊架可按不小于规范中规定的最大间距设置;但对于HDPE塑料管道, 应采用与该系统管材配套的专用固定系统, 悬吊管宜采用方型钢导管进行固定, 方型导管应沿悬吊管悬挂在建筑承重结构上, 悬吊管宜采用导向管卡和锚固卡连接到方型导管上。当虹吸雨水管设置在金属网架或桁架内时, 应与结构专业紧密配合, 确定管道的固定位置, 必要时还需要请结构专业根据管道的作用力复核支吊架的强度。

　　 虹吸雨水系统出口动能很大, 难以消减到真正的重力流态, 如果直接接入室外排水系统, 将会严重影响室外排水管网内的水流流态, 甚至造成对室外排水系统的破坏。因此设置带排气功能的消能井非常必要, 消能井后的排出管应完全按重力无压流设计。

　　 T3航站楼室外设置有数座消能井, 指廊、连廊出户管相距较远, 每根出户管设置1个1 500 mm×1 500 mm的消能井;主楼出户管较密集, 特别是东、西庭院有大量的管道出户, 采取相对集中的方式设置不同尺寸的消能井。各消能井顶盖与侧壁现浇为一个整体, 在出户管一侧设置重型铸铁箅子盖板排气, 铸铁箅子与消能井壁牢固固定。图9为消能井大样。

　　 由于虹吸雨水系统排水量很大, 接纳虹吸雨水系统的室外排水系统规模必须与之相适应。室外排水管渠起端至少需要按2套虹吸雨水系统同时发生满管压力流的流量叠加作为设计流量, 其后至少按叠加屋面汇水区域10年重现期的雨水量作为设计流量, 以保证室外排水管网通畅, 避免对虹吸排水系统产生影响。T3航站楼起端按2套虹吸雨水系统的设计流量进行叠加, 其后按叠加屋面汇水区域20年重现期的雨水量进行室外雨水管渠的设计。

　　 (1) 在超大型复杂金属屋面的虹吸雨水系统设计中, 需要在设计重现期选取、汇水面积划分、天沟 (包括集水井) 布置、管道布置、溢流设施设置、雨水出户消能、室外雨水管渠的设计等方面进行深入细致的探讨和研究, 以确定合理、完善的虹吸排水方案, 再通过精确的水力计算, 使虹吸雨水系统高效、安全地排除屋面雨水。

　　 (2) 在设计内部功能复杂的超大型公共建筑金属屋面虹吸雨水系统时, 需要全面了解建筑内部的空间特点和结构做法, 需要与参建各方全过程紧密地协调配合, 制定解决问题的办法, 使系统设计与建筑本体相协调, 达到和谐统一的设计效果。

　　 (3) 需要了解规范要表达的本意, 从工程的实际情况出发做出最合理的设计方案, 既能保障虹吸雨水系统实施后金属屋面排水安全, 又能减少工程造价。

　　 (4) 设计单位必须全程参与虹吸雨水系统深化设计工作, 积极推进深化设计, 审核深化设计图纸。