机场航站楼等大型公建具有超大平面、超高落差、超大空间等特点；随着人们对公共建筑的舒适度及外观美观度提出越来越高的要求，机电建造技术面临越来越大的挑战。

随着时代的发展，虹吸式排水与建筑的发展，不管是工业厂房还是公共建筑，都在向“大面积”“大体量”方向发展，而在建筑屋面给排水系统中，由于传统工艺是按“重力式”设计的，所以确定雨水排出顺敞的主要依据是雨水管道数量和管径大小。

新建筑中，仅靠传统的施工工艺，屋面面积的增加，必然会引起雨水管道及管径的增加，从而影响建筑物的美观和实用性。传统的屋面排水系统已经显得越来越不适应，“大面积屋面排水系统设计”便成为现代建筑中的一个新课题。因此认为，利用“虹吸”原理，采用“雨水虹吸”方法可有效解决屋顶排水 问题。

1 项目概况

香港国际机场占地12.55km ² ，第三条跑道航站楼、停机坪等配套设施。T2C客运大楼总建筑面积约30万m ² ，建筑顶棚面积9.16万m ² ；分为西指廊（MC）区域、核心（ND）区域、北指廊（NW）区域以及南指廊（SW）区域，由于是超大跨度屋面，且是人流密集的公共场所，传统重力雨水系统已无法满足要求，此次设计施工中屋顶选用的是虹吸雨水 排水系统。

2 设计过程中需要考虑的特点及难点

（1）超大平面不规则自由曲面金属屋面雨水排放设计无法按常规方式进行管道路由设计及计算，需结合屋面与钢结构特点完成。

（2）超大屋面复杂钢网架及不规则马道给雨水管道施工、集水井安装带来困难。超大屋面雨水排水系统，需结合屋面工艺、工序安排（如板缝过水量、施工工序先后）等进行设计。

（3）材料及用料选型需具备防腐、防锈、耐磨等特点。同时需保证管道美观及实用性。

（4）管道沉降措施。本项目处于新填的人工岛上，目前沉降尚未稳定，而虹吸雨水系统对密封性要求也较高，故而要求系统管道不宜穿过沉降缝、伸缩缝和变形缝。当雨水管道需穿过沉降缝、伸缩缝或变形缝时，考虑到缝隙两侧沉降以及伸缩的不均匀性，应在此处增加补偿设施，采用波纹补偿器，配合相应的固定、防晃支架使用，消除相对位移对管道的影响，以保证管道的安全。补偿器应具有±40mm的轴向变形能力和±15mm的水平错动能力。直线管段超过50m时设置管道补偿器。

3 大型虹吸雨水排放系统的正向设计及计算

3.1 大型屋面雨水排水设计思路

依据雨水排水相关设计规范、工程所在地历年降雨数据，以及工程的重要级别，本工程屋面雨水采取了整体规划、分区组织、有序导流、划片汇集、虹吸排放的设计思路。 

（1）整体规划（整体排水策略及外排形式）根据屋面汇水分区及坡度，确定屋面排水采用向四周外排形式，将屋面天沟汇集的雨水通过管道收集，管道沿航站楼四周混凝土柱排放至航站楼周边雨水井内。如图1所示。

（2）分区组织（按屋面特征分区自成系统独立排放）屋面分区按照伸缩缝划分为MC、ND、NW、SW、HAW（酒店）5个区域，每个区域天沟之间设置挡水板，使各分区按照屋面特征形成独立排放。各分区按照规范要求屋面天沟坡度比例需大于1∶100，由于屋面整体高度限制，屋面天沟无法形成整体坡度，因此屋面每个区域还需分为多个双向坡度的排水分区，每个排水分区分为多段汇水面积收集雨水。

（3）有序导流及划片汇集（组织排水的实施与汇集）。雨水的分段收集通过设置挡水板和增大天沟蓄水容积来实现，使各雨水斗的实际流量和计算取值的汇水面积相匹配。在屋面坡度较大的情况下，天沟蓄水能力有限，因此需要分散在天沟低点位置设置集水坑，天沟及集水坑总的调蓄容积应结合结构荷载综合考虑，并保证不应小于虹吸启动时间的降雨量要求。

（4）虹吸排放（虹吸排放的放置）。雨水斗统一放置在每段汇水分区天沟集水井内，在每段汇水分区的天沟内先至少设置一个集水井，每个集水井设置两个雨水斗，通过虹吸水力计算，最终确定所需集水井数量和大小及雨水斗的数量是否满足要求。

3.2 邻海高温高湿高盐雾地区管道用料及选型

为保证美观虹吸系统所有雨水管在地面以上20?cm至屋面吊顶下（明漏部分）使用316不锈钢管，吊顶以上使用环氧铸铁管，地面以下使用球墨铸铁管。

（1）项目位于海边，室外明露管道需正常防腐外，更需要防盐雾腐蚀，因此明漏管道选用外观较好、对环境适应性好且耐腐蚀的316不锈钢管道。316不锈钢管道铸造时加入钼并严格控制杂质比例，使其耐腐蚀能力更强，且316不锈钢对环境的适应性更好，温度过高或过低，都不影响316不锈钢的耐腐蚀能力，同时外观较好，但316不锈钢管道的生产成本较高，价格也更高。

（2）吊顶上方管道为暗装管道，不属于明漏部分，因此不用保证美观，所以选用带环氧涂层的铸铁管，价格相对较低，不同种类管道连接采用焊接法兰盘连接。

（3）埋地部分使用球墨铸铁管。

3.3 屋面虹吸雨水排水系统设计

3.3.1 地理位置及气候概况

选用中国香港地区50年大雨再现期进行设计、核算系统排水力度，设定径流系数为1.0，根据公式计算五十年一遇大雨参数 q =255.25mm/hr，溢流以百年一遇大雨再现期进核准，利用虹吸溢流结构模式。 

3.3.2 管道路由及安装设计 

（1）根据屋面构造及以往经验先假定每个汇水分区的天沟内设置1个集水井，每个集水井内设置2个雨水斗，按照雨水斗的数量先进行管道路由设计，管道路由设计时应结合钢结构的构造考虑管道的安装为前提并以最短的路由来进行管道路由设计，管道路由应尽量贴近钢结构主梁设计，以便管道利用主梁安装固定，同时考虑未来检修管道需靠近屋面马道，保证管道路由在可安装的前提下，再与屋面其他各专业进行相互协调，使管道与其他各专业无碰撞。如图2、图3设计出管道路由后，若计算出的参数无法满足本系统要求，可适当的更改管道路由及管径来配合计算进行路由设计，直到计算结果满足本系统计算需求为止。在管道路由无法更改和管径变化有限制的情况下，如果还是无法满足计算要求，可与屋盖单位沟通增加集水井或调整集水井的容积调整系统设计。

（2）管道距离主结构梁位置较远的时候，可与钢结构设计提出需求，在主钢结构梁之间增加一些次结构梁用于水管安装固定，例如雨水斗下方立管。如图4所示。 

（3）屋面水平管道整体使用刚性固定，在水平管道转换为立管位置处设置管道柔性补偿器用来吸收虹吸冲击力产生的震动，防止长时间水流冲击对管道带来的损害。管道路由设计时，应尽量避免管道跨越伸缩缝，若管道穿越伸缩缝，也应设置柔性补偿器，防止管道因结构原因发生形变断裂。 

（4）屋面管道路由太长时需设计防晃支吊架，由于屋面钢结构跨度较大，吊架可利用生根点较少，管道防晃支吊架可采用钢丝绳拉索与钢结构进行拉拽。 

3.3.3 水利工程计算

虹吸是一种流体力学现象，可以不借助泵而抽吸液体。处于较高位置的液体充满一根倒U形的管状结构（称为虹吸管）之后，开口在更低的位置。虹吸管两端液体的重量差距造成液体压力差距，液体压力差能够推动液体越过最高点，向低端排放。屋顶与排水管之间的高度差提供了液压头，提供了将水从出口输送到排水管所需要的能量。水头损失和压力的计算和控制是通过对管径的仔细选择实现的，以达到排出一定流量所需的平衡。 

虹吸雨水系统是通过管道、管配件的管径变化而改变排水管道内的压力变化，形成满管流，在压力的作用下快速排水的系统。虹吸排水是利用伯努利方程进行排水管道内压力计算。   

虹吸式屋顶排水系统利用水头（虹吸式屋顶出水口水位与排水点垂直高度之差）将雨水从屋顶出水口高速输送到排水口。虹吸系统被设计成在全孔流量下工作。

依据伯努利公式，在满流量情况下进行虹吸雨水的水力核算。要依次对系统中每一管水力工况做精确的水力模型计算，得出每一管段的管径尺寸、长度数值、水流量、水流速、水压等参数。施工现场水力计算需满足以下要求。

（1）屋面的汇水面积是雨量计算的基础，本项目的屋面为双曲面的大屋面，流量的分界线的划分是一个非常重要的环节。 

（2）选用255mm/hr降雨强度（以50年为周期，持续时间为5min），由重力雨水排水系统收集和排放。 

（3）每个虹吸雨水斗连接至末端排水口需单独形成一段，连接共同落水管的各段，其出水口的计算水头损失与出水点的最大差异不应大于1.0m或可用水头的10%，两者以较小者为准，以保证系统平衡，且剩余压头必须为正值。 

（4）不同管道内径及配件摩擦阻力系数需单独列出。

（5）虹吸型顶面水排放管道雨水斗到过渡段共计损耗值加上过渡段处水头总量没达到雨水斗与过渡段之间的高度差。水平管段最小流速为0.7m/s，垂直管段规定水流速需超过2.2m/s已促进高效引液，虹吸管道最大流速不超过6m/s，最小流速不小于1m/s。 

（6）虹吸式管道顶面到过渡段下端水流速应超过2.5m/s，压力流转为重力流前流速过大时，应设置混凝土消能井来抵挡流速过大带来的冲刷，或在压力流转为重力流之前通过改变管径来减少流速。 

（7）管道系统中任何一点的压力都应高于水的蒸汽压，以防止汽蚀。在平均海平面以上500m，气压不应低于–9m。在高海拔地区，应单独计算水的蒸汽压，并相应地调整管道系统的许用负压。 

计算方法：整个管道系统被分成若干部分。每个部分的压力、速度和水头损失单独列出。管道水力计算以屋面MC区雨水排水区域一组为例：通过屋盖造型，此区域总面积为1587.11m ² ，5条天沟分为5段汇水分区，汇水面积分别为800m ² 、92m ² 、190m ² 、190m ² 、315m ² ，按照255mm/hr降雨强度计算，每组雨水斗流量分别为56.66L/S、6.52L/S、13.46L/S、13.46L/S、22.32L/S，每个雨水斗流量分别为28.33L/S、3.26L/S、6.73L/S、6.73L/S、11.16L/S。以此为基础进行计算，并最终确定管径大小、集水井的容积和数量、雨水斗的数量以及路由的可行性。 

该组虹吸雨水计算结果如下：有效屋顶面积：1587.11m ² 。有效总面积1587.11m ² 。设计降雨强度255.00mm/h；径流系数1.00；总流量112.42L/s；系统最大平衡误差0.385m；最大压力15.610mH ₂ 0；最低压力–4.711mH ₂ O；剩余水头6.642m/min；管道容积2658L。列举其中两段雨水斗，末端剩余水头差值小于1.0m。

11节：总扬程31.57m；剩余扬程6.740m；最大压力15.323m；最小压力–4.612m。

10节：总扬程31.47m；剩余扬程7.027m；最大压力15.610m；最小压力–4.326m。

按照规范BS8490当系统流速超过6m/s 时，需验证系统负压不低于最小设计压头hmin。 末端流速未大于2.5m/s，最大流速超过6.6m/s，但是不低于最小设计压头hmin。 两段雨水斗末端剩余水头差值小于1.0m，保证系统平衡。 垂直管段及水平管段流速均满足规范。 满足本工程要求。  

4 结束语  

相比传统重力流式雨水排水系统，虹吸式雨水排水系统可提高屋面雨水的排水效率，在建筑工程中得到越来越广泛的应用。虹吸雨水的正向设计应从实际角度出发，需先了解屋面整体造型、钢结构构造、当地气候和人文要求等因素，从而进一步确定设计思路，同时考虑管道的路由设计、安装、检修、选型、外观等多方面的需求。在满足当地规范的前提下，最后进行水利计算。从而保证使用功能，确定整体设计的可实施性。