高層建筑雨水消能水箱研究與應(yīng)用

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0引言

隨著建造技術(shù)的飛速發(fā)展,超高層建筑在世界各地如雨后春筍般高聳入云。建筑屋頂雨水排水常規(guī)做法是采用雨水斗收集后由重力流雨水管道排至室外。當(dāng)建筑高度超過300m時(shí),雨水排水系統(tǒng)若不做消能處理,管材及管件承壓等級(jí)不能低于2.5MPa,國(guó)內(nèi)部分超高層案例如表1所示,不僅造價(jià)較高(主要是連接管件和連接方法承壓等級(jí)受限),而且對(duì)管道施工要求也比較高。雨水管道在出戶排水時(shí)對(duì)雨水井的沖擊也相當(dāng)大,當(dāng)管道滿流時(shí),雨水可能沖開井蓋,對(duì)建筑和周邊人員造成安全隱患,南寧、重慶、長(zhǎng)沙等多地均有雨水沖開井蓋傷人的報(bào)道,故當(dāng)建筑高度超過300m時(shí),雨水排水不建議采用重力流直排,而是在建筑避難層設(shè)消能措施,從而降低雨水管道的承壓等級(jí),保證雨水安全順利排放至室外。

1雨水消能水箱

傳統(tǒng)的雨水消能措施如消能節(jié)、消能器等通過改變管道水流方向,增加水流阻力達(dá)到降低雨水流速來實(shí)現(xiàn)消能,在雨水管道滿流(包括雨水管灌水試驗(yàn))時(shí)失去消能效果。雨水減壓消能水箱可以給重力流雨水系統(tǒng)消除動(dòng)能和勢(shì)能,消能裝置前后管道水流壓力和能量不連續(xù),管道承壓等級(jí)降低。對(duì)不同層均設(shè)有屋面(退臺(tái))的建筑來說,也可大幅減少雨水立管的數(shù)量。雨水減壓消能水箱主要構(gòu)成是一座敞開式消能水箱(頂部設(shè)通氣管和呼氣管),同時(shí)配以必要的控制措施以保證消能水箱的安全,以防排水溢流至建筑內(nèi)部對(duì)建筑造成損害。系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置應(yīng)急消能裝置,保證在消能水箱損壞或檢修時(shí)可以排除一定水量的雨水,應(yīng)急排水管道也具有一定的減壓能力保證下部管道不會(huì)因承壓過高而受損。雨水減壓消能水箱具體構(gòu)造可參考圖1、圖2、圖3。圖2、圖3中消能水箱設(shè)隔板和連通孔洞且將進(jìn)水管伸至水箱底部的主要作用是防止水箱水位波動(dòng)太大影響水位控制器的監(jiān)測(cè)精度。進(jìn)水管上的控制閘閥常開,當(dāng)水箱水位達(dá)到超高水位時(shí),進(jìn)水管電動(dòng)閘閥關(guān)閉,停止進(jìn)水,同時(shí)聯(lián)動(dòng)應(yīng)急排水管控制閘閥開啟,啟動(dòng)應(yīng)急排水,屋面雨水超過溢流口底標(biāo)高時(shí)可從溢流口溢流排出。應(yīng)急消能裝置構(gòu)造如圖4所示。各段管道尺寸選用如表2所示。消能減壓水箱各部位尺寸及有效容積設(shè)計(jì)要求如下:(1)水箱長(zhǎng)度和水箱寬度由設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)備房空間確定,水箱高度由設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)備房高度確定,水箱隔板設(shè)置在消能水箱中間位置。(2)水箱有效容積[計(jì)算公式為A×B×(F-E)],滿足:水箱有效容積≥屋面排水量+新增退臺(tái)雨水排水量-下部管道總排水量。(3)報(bào)警水位與最高水位之差不小于200mm,以防水流波動(dòng)產(chǎn)生誤報(bào)警。(4)超高水位與報(bào)警水位之差不小于100mm,距水箱箱體頂部不小于200mm,以防水箱內(nèi)雨水從檢修人孔溢出。圖4和表1中應(yīng)急排水管比下部排水管徑小,保證在應(yīng)急排水過程中流速突然降低形成局部負(fù)壓,真空破壞器可以迅速補(bǔ)入空氣形成氣-液混合流,從而降低此處水流壓力,不會(huì)對(duì)下部排水管的承壓能力造成威脅。

2雨水回用措施

由于雨水減壓消能水箱有效容積需求較小,可將其用作雨水回用原水箱或冷凝水回收水箱使用,從而減少回用原水箱的設(shè)置,在實(shí)際應(yīng)用中需要注意以下幾點(diǎn):(1)確保雨水消能所需的有效容積,即雨水回用原水箱溢流管以上空間的有效容積不能小于雨水消能所需的有效容積。(2)在雨水回用清水箱有空余的情況下,盡量將原水箱放空,可用于緩存溢流的雨水。

3案例應(yīng)用

深圳城建大廈項(xiàng)目是一棟以辦公塔樓為主的超高層城市綜合體,在裙房設(shè)置公交首末站、商業(yè)、公共文化活動(dòng)室等配套服務(wù)功能。地上72層,地下5層,建筑高度331.80m,總建筑面積190217.08m2。由于該項(xiàng)目高度超過300m,如果按傳統(tǒng)重力流雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的話,雨水管承壓超過3.0MPa,所以考慮在塔樓第三避難層(31層,137.60m)處設(shè)置雨水消能水箱一座,用于消除重力流雨水的動(dòng)能,從而降低雨水管材承壓等級(jí)。按深圳暴雨強(qiáng)度公式(100年重現(xiàn)期,考慮幕墻不好開溢流口,如果可以開溢流口則重現(xiàn)期可取50年)q=2097.854/(T+8.298)0.47計(jì)算,取降雨歷時(shí)5min,可得暴雨強(qiáng)度q=621.72L/(s?hm2),塔樓屋面(327.9m)面積1660m2,67層(302.30m)退臺(tái)屋面面積285.30m2,67層退臺(tái)側(cè)面面積2011.5m2,由于67層退臺(tái)上方高度沒有超過排水管總高度的1/3,故與屋面共用排水管道,總排水流量為Q=621.72×(1660+285.30+2011.5/2)×1.0/10000=183.47(L/s);共設(shè)3根DN200雨水排水鋼管,每根管道泄流量為61.16L/s,可滿足排水要求(DN200鋼管最大設(shè)計(jì)排水量65.50L/s)。由于31層以下沒有退臺(tái),也沒有其他雨水排水量輸入,所以在消能水箱上下部管道管徑相同的情況下,對(duì)消能水箱沒有特別的容積要求。本案例在塔樓31層設(shè)有效容積4.0m3(長(zhǎng)2.0m,寬1.0m,高2.5m)SUS304不銹鋼消能水箱1座。消能水箱本項(xiàng)目設(shè)計(jì)有空調(diào)冷凝水回收系統(tǒng),回用的冷凝水用于綠化澆灑和車庫(kù)沖洗,為了回收全部辦公區(qū)域空調(diào)冷凝水,冷凝水回收水箱設(shè)在11層(45.9m),沒有與雨水消能水箱合用,也沒有再設(shè)置雨水回用系統(tǒng)。

4造價(jià)對(duì)比

以上述案例為基礎(chǔ),雨水排水管共3根,管徑DN200,單根立管長(zhǎng)度按330m考慮。考慮兩種方案:方案一是不設(shè)減壓水箱,管道和管件承壓按2.5MPa設(shè)計(jì),排出管管口需設(shè)減壓措施,第一個(gè)檢查井增設(shè)防沖刷措施;方案二是設(shè)4m3減壓水箱,管道和管件承壓按1.6MPa設(shè)計(jì),排水管出口不設(shè)減壓措施,檢查井增設(shè)防沖刷措施。綜合造價(jià)比較情況如表3所示。從表3可以看出除球墨鑄鐵管兩種方案安裝綜合造價(jià)相關(guān)不多外,304不銹鋼管和無縫鋼管方案二造價(jià)明顯低于方案一,因方案二的管道和管件承壓等級(jí)降低,在安裝精度、打壓試壓、灌水試驗(yàn)等方面要求低于方案一,從而降低了施工難度。

5結(jié)語

對(duì)于超過300m的超高層建筑,可通過在中間避難層設(shè)置雨水消能水箱的方式對(duì)雨水排水系統(tǒng)進(jìn)行減壓,消能水箱下部排水管承壓等級(jí)大幅降低,不僅可以降低造價(jià)、降低施工難度,還可以保證雨水排入室外檢查井時(shí)的高沖擊風(fēng)險(xiǎn)。在條件允許的情況下,消能水箱與雨水回用系統(tǒng)或空調(diào)冷凝水回收系統(tǒng)兼用,不僅能提高消能水箱的緩沖能力,也能減少雨水回用原水箱或冷凝水回用水箱的容積。對(duì)退臺(tái)較多的超高層建筑,不同高度接入核心筒的雨水立管數(shù)量眾多,占用較多管井面積,如果在中間設(shè)有雨水消能水箱,則消能水箱之下部分可減少雨水排水立管數(shù)量,從而減少下部管井面積。

作者:劉智忠 王國(guó)明 劉明祥 單位:香港華藝設(shè)計(jì)顧問(深圳)有限公司 深圳市城建置地發(fā)展有限公司