高层建筑雨水消能水箱研究与应用

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0引言

随着建造技术的飞速发展,超高层建筑在世界各地如雨后春笋般高耸入云。建筑屋顶雨水排水常规做法是采用雨水斗收集后由重力流雨水管道排至室外。当建筑高度超过300m时,雨水排水系统若不做消能处理,管材及管件承压等级不能低于2.5MPa,国内部分超高层案例如表1所示,不仅造价较高(主要是连接管件和连接方法承压等级受限),而且对管道施工要求也比较高。雨水管道在出户排水时对雨水井的冲击也相当大,当管道满流时,雨水可能冲开井盖,对建筑和周边人员造成安全隐患,南宁、重庆、长沙等多地均有雨水冲开井盖伤人的报道,故当建筑高度超过300m时,雨水排水不建议采用重力流直排,而是在建筑避难层设消能措施,从而降低雨水管道的承压等级,保证雨水安全顺利排放至室外。

1雨水消能水箱

传统的雨水消能措施如消能节、消能器等通过改变管道水流方向,增加水流阻力达到降低雨水流速来实现消能,在雨水管道满流(包括雨水管灌水试验)时失去消能效果。雨水减压消能水箱可以给重力流雨水系统消除动能和势能,消能装置前后管道水流压力和能量不连续,管道承压等级降低。对不同层均设有屋面(退台)的建筑来说,也可大幅减少雨水立管的数量。雨水减压消能水箱主要构成是一座敞开式消能水箱(顶部设通气管和呼气管),同时配以必要的控制措施以保证消能水箱的安全,以防排水溢流至建筑内部对建筑造成损害。系统同时设置应急消能装置,保证在消能水箱损坏或检修时可以排除一定水量的雨水,应急排水管道也具有一定的减压能力保证下部管道不会因承压过高而受损。雨水减压消能水箱具体构造可参考图1、图2、图3。图2、图3中消能水箱设隔板和连通孔洞且将进水管伸至水箱底部的主要作用是防止水箱水位波动太大影响水位控制器的监测精度。进水管上的控制闸阀常开,当水箱水位达到超高水位时,进水管电动闸阀关闭,停止进水,同时联动应急排水管控制闸阀开启,启动应急排水,屋面雨水超过溢流口底标高时可从溢流口溢流排出。应急消能装置构造如图4所示。各段管道尺寸选用如表2所示。消能减压水箱各部位尺寸及有效容积设计要求如下:(1)水箱长度和水箱宽度由设计根据设备房空间确定,水箱高度由设计根据设备房高度确定,水箱隔板设置在消能水箱中间位置。(2)水箱有效容积[计算公式为A×B×(F-E)],满足:水箱有效容积≥屋面排水量+新增退台雨水排水量-下部管道总排水量。(3)报警水位与最高水位之差不小于200mm,以防水流波动产生误报警。(4)超高水位与报警水位之差不小于100mm,距水箱箱体顶部不小于200mm,以防水箱内雨水从检修人孔溢出。图4和表1中应急排水管比下部排水管径小,保证在应急排水过程中流速突然降低形成局部负压,真空破坏器可以迅速补入空气形成气-液混合流,从而降低此处水流压力,不会对下部排水管的承压能力造成威胁。

2雨水回用措施

由于雨水减压消能水箱有效容积需求较小,可将其用作雨水回用原水箱或冷凝水回收水箱使用,从而减少回用原水箱的设置,在实际应用中需要注意以下几点:(1)确保雨水消能所需的有效容积,即雨水回用原水箱溢流管以上空间的有效容积不能小于雨水消能所需的有效容积。(2)在雨水回用清水箱有空余的情况下,尽量将原水箱放空,可用于缓存溢流的雨水。

3案例应用

深圳城建大厦项目是一栋以办公塔楼为主的超高层城市综合体,在裙房设置公交首末站、商业、公共文化活动室等配套服务功能。地上72层,地下5层,建筑高度331.80m,总建筑面积190217.08m2。由于该项目高度超过300m,如果按传统重力流雨水系统设计的话,雨水管承压超过3.0MPa,所以考虑在塔楼第三避难层(31层,137.60m)处设置雨水消能水箱一座,用于消除重力流雨水的动能,从而降低雨水管材承压等级。按深圳暴雨强度公式(100年重现期,考虑幕墙不好开溢流口,如果可以开溢流口则重现期可取50年)q=2097.854/(T+8.298)0.47计算,取降雨历时5min,可得暴雨强度q=621.72L/(s•hm2),塔楼屋面(327.9m)面积1660m2,67层(302.30m)退台屋面面积285.30m2,67层退台侧面面积2011.5m2,由于67层退台上方高度没有超过排水管总高度的1/3,故与屋面共用排水管道,总排水流量为Q=621.72×(1660+285.30+2011.5/2)×1.0/10000=183.47(L/s);共设3根DN200雨水排水钢管,每根管道泄流量为61.16L/s,可满足排水要求(DN200钢管最大设计排水量65.50L/s)。由于31层以下没有退台,也没有其他雨水排水量输入,所以在消能水箱上下部管道管径相同的情况下,对消能水箱没有特别的容积要求。本案例在塔楼31层设有效容积4.0m3(长2.0m,宽1.0m,高2.5m)SUS304不锈钢消能水箱1座。消能水箱本项目设计有空调冷凝水回收系统,回用的冷凝水用于绿化浇洒和车库冲洗,为了回收全部办公区域空调冷凝水,冷凝水回收水箱设在11层(45.9m),没有与雨水消能水箱合用,也没有再设置雨水回用系统。

4造价对比

以上述案例为基础,雨水排水管共3根,管径DN200,单根立管长度按330m考虑。考虑两种方案:方案一是不设减压水箱,管道和管件承压按2.5MPa设计,排出管管口需设减压措施,第一个检查井增设防冲刷措施;方案二是设4m3减压水箱,管道和管件承压按1.6MPa设计,排水管出口不设减压措施,检查井增设防冲刷措施。综合造价比较情况如表3所示。从表3可以看出除球墨铸铁管两种方案安装综合造价相关不多外,304不锈钢管和无缝钢管方案二造价明显低于方案一,因方案二的管道和管件承压等级降低,在安装精度、打压试压、灌水试验等方面要求低于方案一,从而降低了施工难度。

5结语

对于超过300m的超高层建筑,可通过在中间避难层设置雨水消能水箱的方式对雨水排水系统进行减压,消能水箱下部排水管承压等级大幅降低,不仅可以降低造价、降低施工难度,还可以保证雨水排入室外检查井时的高冲击风险。在条件允许的情况下,消能水箱与雨水回用系统或空调冷凝水回收系统兼用,不仅能提高消能水箱的缓冲能力,也能减少雨水回用原水箱或冷凝水回用水箱的容积。对退台较多的超高层建筑,不同高度接入核心筒的雨水立管数量众多,占用较多管井面积,如果在中间设有雨水消能水箱,则消能水箱之下部分可减少雨水排水立管数量,从而减少下部管井面积。

作者:刘智忠 王国明 刘明祥 单位:香港华艺设计顾问(深圳)有限公司 深圳市城建置地发展有限公司