退台建筑是指在建筑内具有台阶式高低叠层, 同时又向一个或多个方向有逐层退让趋势的建筑^[1], 在结构上划分为不同进深的高低错层, 为各层提供了室外露台作为休息场所。北京某办公建筑 (以下又称示范中心) 项目即应用了该类建筑形式。该项目应用了较多的玻璃幕墙, 露台区为主要展示立面, 对外立面的完整度要求较高。同时, 为保证建筑内部层高, 开敞办公区内的所有机电管线均要求穿梁设置。由于排水管道穿梁所需梁洞较大, 开洞过多对结构安全影响较大, 故该项目雨水悬吊管不宜跨梁。

　　 因此, 示范中心对雨水排水系统设计的制约条件可以总结为: (1) 建筑立面完整度要求高; (2) 雨水管管径较大且不宜穿梁; (3) 幕墙及玻璃墙很多, 不能设置外排雨水立管; (4) 空间关系复杂, 水流汇集关系复杂; (5) 错台上设置有建筑楼梯, 兼顾一定的楼内人员疏散功能, 积水不宜过多, 会对行人造成影响。

　　 以下结合该示范中心项目对退台建筑的雨水汇排设计进行讨论。

　　 该示范中心项目为办公建筑, 地上15层, 建筑高度60m (建筑退台区见图1) , 各层退台与室内空间相通 (高程关系见图2) 。从雨水汇排分区考虑, 该项目可分为A区 (主楼, 共15层) 、B区 (退台区, 最高退台层为11层) 、C区 (篮球场, 位于2层) 、D (配楼, 最高3层) 共4部分 (汇水分区划分见图3) 。其中A区屋面雨水采用内排水, 对B区无影响, 而A区立面与B区衔接位置, 其立面高出B区部分均应按毗邻侧墙考虑其雨水, 并计入B区。C区作为B区下游, 可容纳B区楼梯逐层汇流至C区的超标雨水, 并通过篮球场内的排水沟汇流, 并以外排水方式排出。D区则与B区通过C区隔开, 雨水可以独立排放, 对B区无影响。

　　 为便于分析, 以下将退台区域 (B区) 的19个退台屋面编号为1~19号 (见图4) 。以下为3种雨水汇排的方案。

　　 方案一考虑在19个屋面均设置雨水斗。然后在室内将屋面1~3、4~7、8~11、12~13分别汇合, 屋面14~19雨水均单独排出。

　　 方案二考虑将1、2、4、6、8、10、12、14、16屋面作为第一分区, 通过各屋面设置的侧排雨水斗及外排雨水管逐级连接, 最终汇至屋面16, 再在屋面16通过雨水斗收集转为内排水;将3、5、7、9、11、13、15、17、18屋面作为第二分区, 通过侧排雨水斗及外排雨水管逐级连接, 最终汇至屋面18, 再在屋面18通过雨水斗收集转为内排水。屋面19单独排出。

　　 方案三综合考虑内外排的优势, 采用雨水内外排相结合, 分区汇流排放的形式。该方案考虑将退台区整体划分为6个汇水区域, 一区为屋面1~3, 二区为屋面4~9, 三区为屋面10~14, 四区为屋面15~17, 五区为屋面18, 六区为屋面19 (见图5) 。

　　 各区的屋面汇排方式如下:

　　 一区:屋面1、3雨水外排汇入屋面2, 在屋面2通过雨水斗汇流转为内排水。

　　 二区:屋面5雨水外排汇至屋面4, 再将屋面4、7的雨水外排汇入屋面6, 然后将屋面6、9的雨水外排汇入屋面8, 最后在屋面8通过雨水斗汇流转为内排水。

　　 三区:屋面10、11雨水外排汇至屋面12, 再将屋面12、13的雨水外排汇入屋面14, 最后在屋面14通过雨水斗汇流转为内排水。

　　 四区:屋面15、17雨水外排汇至屋面16, 最后在屋面16通过雨水斗汇流转为内排水。

　　 五区:设置雨水斗, 以内排水方式排出。

　　 六区:因屋面较小, 且无其他屋面的汇流, 较为独立, 所以设置外排水单独排出。

　　 方案一在各个屋面均设置雨水斗。优点是可以明显减少露台的地表径流, 将屋面雨水及时排入雨水管, 避免露台积水。缺点是:雨水悬吊管在室内大量挤占空间, 对相关专业影响较大。考虑汇合水量, 雨水管需选用DN100~150管径, 则需在预制钢结构的梁上制作较大的梁洞。大量的非标准化梁洞会大大增加预制钢结构构件的加工成本和未来的机电管线安装难度。

　　 后经建筑、结构、机电多专业协调, 为简化结构专业在预制钢梁上开洞的设计和计算, 同时便于机电管线的排布, 结构专业在开敞办公区的钢梁上设置尺寸为700mm×280mm的标准梁洞。机电各专业均参照此梁洞规格调整管线 (机电管道穿梁见图6) 。而雨水管作为重力流管道, 悬吊管需找坡, 雨水悬吊管会挤占大量有限的标准梁洞空间。该项目机电专业布线复杂, 梁内空间有限, 如此将极大增加管线综合排布的难度, 且后期施工安装过程中如发现问题将难以调整。

　　 方案二将退台区域分为2区, 将各屋面雨水以外排水方式分别汇合。优点是可最大程度减少穿入室内的雨水管, 降低穿梁的雨水悬吊管数量, 也降低了大量设置雨水管道带来的漏水风险。缺点是:此类汇排方式容易给下层露台带来较大的地表径流, 难以保证雨水及时排出, 容易导致露台屋面雨水漫入室内。而室外楼梯作为溢流通道累积较多雨水, 形成类似瀑布的径流, 也会对人员通行产生危险。

　　 方案三将屋面分区汇排, 优势在于通过优化对雨水斗位置、雨水立管位置的选取, 可以最大程度减少因汇合各屋面雨水而设置的悬吊管。同时, 保证了雨水的顺利排出, 减少因雨水汇流形成的露台地表径流, 避免雨水漫流进入室内, 防止通道的径流对人员通行造成危害。

　　 表1为针对本项目的3个主要技术考量标准对上述3个方案进行比选。

　　 从经济角度而言, 方案一大量设置雨水斗及排水管, 材料用量最多, 且由于室内空间限制, 排水管穿梁导致的施工现场机电管线安装困难将严重影响施工工期, 人员设备费用最多。方案三则在材料用量上降低约1/3, 排水管穿梁数量较少, 有利于现场施工安装, 对工期进度影响也较低, 人员设备费用可明显降低。方案二则完全保证了最大程度减少室内排水管设置, 并采用外排雨水斗及管线汇流, 对室内机电安装影响最小, 材料用量及人员设备费用均为最少。但由于建筑专业设计露台区域架设木制铺装地板, 未来使用中, 若退台区域雨水无法及时排出, 夏季长期泡水, 影响地板寿命。从项目的全生命周期而言, 频繁更换地板的代价更大。

　　 综合上述技术经济分析, 选定方案三作为最终的设计方案。

　　 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;

　　 F_w———汇水面积, m²。

　　 北京市暴雨强度公式如下:

　　 参数选取如下:

　　 重现期P:建筑专业出于节能等方面考虑, 通过设计室外楼梯对楼内使用者进行行为引导, 鼓励使用室外楼梯, 因此B区内连接不同层露台的室外楼梯是本项目重要的通行通道。所以, 综合考虑人行安全等因素, 选定B区的重现期为10年。

　　 降雨历时t:5min。

　　 径流系数:0.9。

　　 在退台类建筑中, 风驱雨作为降雨的重要一类应加以重点考虑。风驱雨 (wind-driven rain) 指雨在垂直坠落过程中受风力驱动影响而产生斜向飘落的自然现象^[2]。本项目退台区域屋面较为复杂。露台面积为平屋顶, 较容易统计面积, 此处不再讨论。但各露台屋面的毗邻侧墙, 考虑计算工况的合理性, 《建筑给水排水设计规范》 (GB50015—2003, 2009年) 4.9.7条所规定的最大受雨面正投影的一半作为有效汇水面积^[3]在本项目中不应直接应用。在本项目中, 虽然退台区的侧墙雨水和主楼的侧墙雨水可以找出各自的最大受雨面正投影的面积, 但从实际情况来看, 风驱雨在同一时刻不能达到各受雨面的正投影面积均为最大, 也即每一时刻的风驱雨落至建筑立面的来向应基本一致。

　　 所以, 各侧墙面积不应简单叠加, 而应考虑各朝向受雨面中受雨面面积最大的一个方向作为设计受雨来向, 并将其他不同方向的受雨面面积应折算为该受雨面上的投影面积, 并以该投影面积计为有效汇水面积。

　　 在本项目中, 考虑主楼的侧墙总面积较大, 选取垂直于主楼与退台区相连面的方向作为设计受雨来向。退台区的北侧侧墙面积均乘以sin27.5°折算为有效汇水面积, 退台区的东侧侧墙面积则均乘以cos27.5°折算为有效汇水面积 (见图7) 。由此可统计出较为贴近实际工况的有效汇水面积。

　　 退台区域内各屋面的平面、侧墙汇流的雨水汇水面积见表2。

　　 退台区域各分区的雨水流量设计计算见表3。

　　 经以上计算, 选定各分区最末屋面设置雨水斗规格 (见表4) , 与建筑专业协商后, 最终雨水斗设置位置见图8, 雨水系统见图9。

　　 退台区域的超标雨水可通过各级露台间的室外楼梯溢流排入下一级, 最终可通过屋面16连通至C区, 通过篮球场场地外围的线性排水沟汇流, 从排水沟内设置的位于篮球场两端中间的雨水斗外排, 最终排至至室外地坪 (设计雨水流量见表5, 雨水斗设计见表6) 。C区雨水排水系统的设计重现期为50年。如仍有超此设计标准雨水时, 从B区篮球场女儿墙上的溢流口排出 (位置见图10) 。

　　 该项目各露台的最大地表径流产生在三区的屋面14, 按10年重现期计算的设计雨水流量即有35.84L/s, 露台设置有架空地板。因此, 为保证雨水及时排出, 保证退台区的通行安全性, 架空地板的支墩设计为柱形基础, 而非条带状基础。柱形基础可有效减少露天区地板基础对雨水的阻碍, 保证雨水的顺利排除。

　　 作为该项目主立面, 建筑专业要求退台区域内不能设置明露的雨水管。而各层露台的面积较小, 立面又设置了较多玻璃幕墙, 雨水管也难以通过装饰手段藏进立面整体。

　　 经与建筑、幕墙专业协商, 设计最终考虑将外排至下一级屋面的雨水通过侧排雨水斗和方形的幕墙龙骨汇流。考虑到以轻钢龙骨作为雨水管, 防腐、防锈性能较差, 所以, 改做雨水管的钢龙骨还应经热浸镀锌加工, 保证使用寿命。

　　 本项目采用钢结构, 而建筑专业对室内的机电管线又提出穿梁要求。为减少管线排布的问题, 就需要排水管在设置时应尽可能减少跨梁悬吊管。所以, 设计在2、8、14、16、18这5个屋面设置雨水斗时, 将雨水斗与雨水立管均设置在同一梁格内, 并尽量将雨水斗靠近雨水立管, 从而最大限度地减少了室内悬吊管穿梁的问题。

　　 本项目难点在于建筑外立面的效果要求高, 屋面复杂, 而室内又不适合雨水管大量穿梁设置。在施工图的设计过程中, 通过改造幕墙龙骨汇排雨水保证建筑外立面效果, 通过减少各分区内汇合的雨水管保证雨水悬吊管尽量不穿梁, 较为合理地解决了该项目雨水汇排。

　　 对于类如退台式建筑等有较复杂屋面的建筑, 雨水汇排设计应着重考虑: (1) 建筑受雨面积的计算; (2) 内外排系统的选择及系统分区; (3) 建筑一体化的考虑, 与建筑、结构等专业的协调; (4) 技术经济性。

　　 随着技术的进步, 不断突破传统的建筑日益增多, 其丰富的建筑造型既是创造力的展现, 也对设计人提出了更多的要求。机电专业作为建筑设计中重要的一部分, 理应重视建筑一体化的理念。在考虑各自专业完成自己使用功能的同时, 也应考虑与其他专业的平衡与衔接。从单专业的角度考量某系统的合理性并不能达到整栋建筑的最佳, 只有重视建筑一体化, 各专业适度做出让步, 才能达到整栋建筑的最优。以技术经济为核心, 寻求使用功能与建筑效果的平衡是机电专业在设计过程中的一个使命。