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【摘要】随着我国建筑业突飞猛进的发展，对建筑工程的要求也不断增加。建筑排水设计不断优化是适应时代发展的必然趋势。传统建筑排水系统在工程中仍存在一些短板，对于建筑的应用以及人们的生活造成了一定的影响。为了更好的提高排水系统运行质量，虹吸雨水系统的应用便显得非常重要。虹吸雨水系统，可以适应某些建筑的雨水排放条件，达到更为安全、顺畅、高效的排水目的。本文以湖南省益阳市某大型工业厂房的屋面雨水排水设计为例，分析虹吸雨水系统的原理，比较虹吸雨水系统较传统重力流雨水系统的优势，总结了虹吸雨水系统在应用中的常见问题与解决方法，希望可以为相关工作者提供帮助。
【关键词】虹吸雨水系统;实践应用;工业厂房
随着中国人民对建筑的要求越来越高：从最初满足建筑使用功能，到建筑不仅要实用，还要经济可靠，更要美观舒适。工程师们不断创新，将各种技术应用于现代建筑之中。虹吸雨水系统作为一种建筑高效雨水排放技术，探讨为什么应用，如何应用，具有显著实际意义。
1、虹吸雨水系统的原理
虹吸现象是一种普遍的自然现象。物理原理是液态分子间存在引力与位能差能，液体会由压力大的一边流向压力小的一边。虽然水两边大气压强相同，但由于存在水位差，水压大的一边受重力影响往下流，水压小的一边则受大气压向上流，直到两边的大气压力加水压相等，容器内的水面高度相同，水停止流动。从上个世纪60年代起，科学家们就开始了把虹吸的原理应用到现代建筑上的研究。虹吸雨水系统的技术原理就是虹吸现象：借助建筑物高度差异而形成不同高度的水面，通过虹吸雨水斗，实现气水分离，使雨水管内的雨水达到溢满的状态[1]。当雨水管中雨水在重力下落，处于压力流时，便会出现虹吸作用，应用虹吸现象可以加快雨水排水的速度。从目前的建筑设计来看，虹吸雨水系统已经大量应用在了现代各种大型工业厂房及公共建筑项目当中，这打破了以往传统重力雨水排放的一些桎梏，解决了雨水排放缓慢，排水流量小，立管数量多的问题。随着虹吸专用雨水斗的研制，进入虹吸雨水管道的雨水先气水分离，使管道在排水过程中，始终处于一个满流负压状态，进一步提升了雨水的流进速度及排水效率。
2、虹吸雨水系统较传统重力流雨水系统在工程应用中的优势
以湖南省益阳市某大型多层工业厂房为例。厂房占地面积为11987.58平方米。建筑为局部地下一层（设备用房），地上三层，结构形式为混凝土框架结构，屋盖采用现浇钢筋混凝土楼板，最大柱网尺寸10米*10米。厂房屋面长125.72米，宽95米，总面积约1.2万平方米。屋面找坡层为LC5.0轻集料混凝土，最薄处30mm厚，屋面坡度2%，屋面沿长边女儿墙设有2条1200mm宽的排水天沟，再沿短边从两端往中间，每隔23.5米设1条600mm宽的排水天沟。整个屋面共设有5条排水天沟。雨水排水設施的总排水能力按10年重现期的雨水量计，该厂房屋面5分钟雨水量为641.6L/s.
2.1根据建筑的屋面找坡及雨水天沟的设置，雨水排水设计方案如下
①传统重力流雨水排水系统，。设计需布置32个87型雨水斗，雨水立管靠近雨水斗布置，共设32根De160的雨水排水立管。雨水立管大部分设置在厂房中央，雨水出户管需在一层结构板下埋地敷设十几米甚至几十米才能接至室外雨水检查井。②采用虹吸雨水系统，根据屋面形式不同分为10个汇水区域，10个子系统。共采用40个雨水斗，10根De160的雨水排水立管，立管靠建筑外墙内侧柱边设置，雨水立管在一层埋地就近接入室外消能井。
2.2排水量比较
经计算，二者均满足10年重现期的雨水量的排水要求，配以屋面排水天沟两侧的雨水溢流口，可满足50年重现期的雨水量的排水要求。
2.3技术比较
首先，虹吸雨水斗单斗的排水量比普通雨水斗大，而屋面的开孔却小，可有效减少屋面漏水的风险，在一定程度降低了屋面的防水设计压力[2]。其次，虹吸雨水立管可根据实际需求布置。该厂房对外立面及内部的美观要求较高。布置立管时，避开了厂房的洁净区域和电气设备用房，同时结合工艺流程操作的要求，将管道对建筑的外观和使用功能的影响降至最低。采用虹吸雨水系统后，不仅大大减少了雨水立管数目，有效解决了厂房内部雨水管林立的现象，也解决了传统重力流雨水系统，埋地出户管过长难以维护的难题。最后，因为虹吸雨水系统同管径下排水量大，管路的直径比较小，整体长度较传统重力流雨水系统为短。系统的横管安装在屋面以下也更有利于后期管道的检修和维护。
3、虹吸雨水系统的应用中常见问题及在设计中的处理做法
3.1天沟溢水
安装虹吸雨水系统的建筑，排水天沟在雨水溢流方面出现问题的现象相比较普遍。特别是钢结构屋面，主因是钢结构天沟与屋面板之间存在间隙。即使有堵头封堵，在雨量较大时仍存在溢水的情况。对于采用轻钢结构形式的屋面，排水天沟的材料以钢板为主，和屋面连接起来。当钢结构屋面跨度比较大时，一体化的结构，在雨水和雪的荷载下，可能会出现曲挠现象[3]。在工程实例中，出现挠度变异的钢结构，有的排水天沟会出现局部塌落，形成天沟高低差。这时，虹吸雨水斗排水功能就会降低，甚至导致雨水收集功能下降。严重时雨水会通过天沟侧壁、屋面板连接件间的缝隙反流入室内。
本工程为钢筋混凝土屋面，排水天沟深度为300mm，做法参《平屋面建筑构造》（12J201）“卷材、涂膜防水屋面女儿墙内天沟雨水口”。钢筋混凝土结构梁不易出现挠性变异的现象。另外在排水天沟两端设500mmm*150mm的溢流口，溢流口底距天沟底150mm.整个屋面设10处溢流口，可防止屋面雨水集聚导致结构荷载过大及变形的情况。
3.2虹吸雨水斗漏水
虹吸雨水系统中雨水斗普遍是不锈钢的材质。大空间轻钢彩板的结构屋面，雨水天沟材料以钢板做主。雨水斗和天沟的连接为焊接方式。不锈钢、碳钢之间可能存在腐蚀电势的问题。两种金属材料借助导电连接体接触的同时，或者是两种材料之间存在业态导电体的情况下，焊接部位相对比较容易出现腐蚀的问题，从而导致雨水渗漏风险的发生。在温度相对比较高的环境下，尤其是南方地区，全年的降雨量比较大，在空气遭受氮氧化物或者是硫氧化物污染时，可能会形成酸雨，此时腐蚀的作用会加快，改变焊接部位的氧化情况[4]。另外，焊接部位的常见物理特性，如气孔、裂缝、没有融合或焊透等问题，都会导致焊接区域存在潜在的腐蚀源。 本工程虹吸雨水斗选用参《雨水斗选用及安装》（09S302）“虹吸式雨水斗外形图（YG型）”。虹吸雨水斗导流罩为铝合金，底盘采用304不锈钢材料制造，雨水斗出口尾管与管道为同类材质，也就是应用相同材质进行连接，避免了不同金属材料接触的电腐蚀现象。雨水斗与屋面采用法兰压板式防漏水连接，避免了电焊连接不当造成的潜在物理腐蚀源。
3.3检查井设置
在不少虹吸雨水系统运行中，出现了雨水出户管连接的雨水检查井的井盖被顶开的现象。此时会有大量的雨水喷出。检查后发现，在雨水量比较大的情况下，检查井与雨水排水横管会保持满流的状态。此时虹吸雨水系统为有压流，流速与流量都比较大，处于满流时检查井内的水体会形成水压，从而顶开井盖[5]。另外，雨水检查井和下游管段也需保持通畅。雨水检查井的直径、深度以及结构等都应当满足虹吸雨水系统的具体使用需求。传统室外检查井有砖砌检查井，混凝土检查井，塑料检查井三种。根据《室外排水设计规范》（GB50014-2006 2016版），检查井宜采用钢筋混凝土成品井或塑料成品井，不应使用实心黏土砖砌检查井，而虹吸雨水出户管在排水时，排出的高速雨水会直接冲击井壁，对检查井的内壁强度有极大的要求。同时高速雨水以相反速度在检查井中形成旋流。持续不断的旋流会引起下游雨水排水不通畅，最终在检查井中形成有压力的水体。
针对以往工程项目中出现的检查井问题，本工程对每一根虹吸雨水系统出户管设计了独立的混凝土消能井配以铸铁井盖，井盖设排气孔且消能井与下游的雨水检查井连接管放大两级，消能井井底比连接管管底低600mm，保证虹吸雨水系统在厂房使用过程中能良好的运行。
3.4管材的选用
传统多层建筑重力流排水系统多采用排水塑料管。而虹吸雨水排水管为满管压力流排水，根据《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003（2009年版），管材的抗环变形外压力应大于0.15MPa.
本工程虹吸雨水管采用了高密度聚乙烯管（HDPE），热熔焊接或电熔套管连接。高密度聚乙烯管（HDPE）具有承压、耐腐蚀、抗冲击等特性，降低了管道易老化、破损、渗漏等风险。
结语：
综上所述，在建筑排水设计过程中，应当结合建筑的结构特征、使用途径等因素，注重不合理设计的控制，在重力流系统与虹吸系统中进行比较方案比较。选定后，再结合虹吸雨水系统在其他工程使用过程中出现的常见问题，进行针对性改进和优化，提升虹吸雨水系統的设计合理性，确保建筑正常使用。
参考文献：
[1]杜金娣，吴永强，涂正纯，等.武汉天河机场T3航站楼屋面虹吸雨水系统设计及思考[J].给水排水，2018，54（12）：66-73.
[2]罗岚兮，归谈纯，李学良，等.虹吸式屋面雨水排水系统单斗虹吸启动数值模拟研究[J].给水排水，2019，55（01）：87-93.
[3]吴显，汪磊，孙红月.斜孔虹吸排水管内泥沙起动流速方程的推导及应用[J].自然灾害学报，2018，27（05）：56-64.
[4]王慧莉.虹吸式屋面雨水系统非稳态工况水力测试研究[J].给水排水，2019，55（03）：101-106.
[5]于佳鑫，杨昊晟，王文娥，等.基于排雨管道的雨水分段蓄能发电系统[J].水力发电学报，2018，37（12）：104-113.
【关键词】虹吸雨水系统;实践应用;工业厂房
随着中国人民对建筑的要求越来越高：从最初满足建筑使用功能，到建筑不仅要实用，还要经济可靠，更要美观舒适。工程师们不断创新，将各种技术应用于现代建筑之中。虹吸雨水系统作为一种建筑高效雨水排放技术，探讨为什么应用，如何应用，具有显著实际意义。
1、虹吸雨水系统的原理
虹吸现象是一种普遍的自然现象。物理原理是液态分子间存在引力与位能差能，液体会由压力大的一边流向压力小的一边。虽然水两边大气压强相同，但由于存在水位差，水压大的一边受重力影响往下流，水压小的一边则受大气压向上流，直到两边的大气压力加水压相等，容器内的水面高度相同，水停止流动。从上个世纪60年代起，科学家们就开始了把虹吸的原理应用到现代建筑上的研究。虹吸雨水系统的技术原理就是虹吸现象：借助建筑物高度差异而形成不同高度的水面，通过虹吸雨水斗，实现气水分离，使雨水管内的雨水达到溢满的状态[1]。当雨水管中雨水在重力下落，处于压力流时，便会出现虹吸作用，应用虹吸现象可以加快雨水排水的速度。从目前的建筑设计来看，虹吸雨水系统已经大量应用在了现代各种大型工业厂房及公共建筑项目当中，这打破了以往传统重力雨水排放的一些桎梏，解决了雨水排放缓慢，排水流量小，立管数量多的问题。随着虹吸专用雨水斗的研制，进入虹吸雨水管道的雨水先气水分离，使管道在排水过程中，始终处于一个满流负压状态，进一步提升了雨水的流进速度及排水效率。
2、虹吸雨水系统较传统重力流雨水系统在工程应用中的优势
以湖南省益阳市某大型多层工业厂房为例。厂房占地面积为11987.58平方米。建筑为局部地下一层（设备用房），地上三层，结构形式为混凝土框架结构，屋盖采用现浇钢筋混凝土楼板，最大柱网尺寸10米*10米。厂房屋面长125.72米，宽95米，总面积约1.2万平方米。屋面找坡层为LC5.0轻集料混凝土，最薄处30mm厚，屋面坡度2%，屋面沿长边女儿墙设有2条1200mm宽的排水天沟，再沿短边从两端往中间，每隔23.5米设1条600mm宽的排水天沟。整个屋面共设有5条排水天沟。雨水排水設施的总排水能力按10年重现期的雨水量计，该厂房屋面5分钟雨水量为641.6L/s.
2.1根据建筑的屋面找坡及雨水天沟的设置，雨水排水设计方案如下
①传统重力流雨水排水系统，。设计需布置32个87型雨水斗，雨水立管靠近雨水斗布置，共设32根De160的雨水排水立管。雨水立管大部分设置在厂房中央，雨水出户管需在一层结构板下埋地敷设十几米甚至几十米才能接至室外雨水检查井。②采用虹吸雨水系统，根据屋面形式不同分为10个汇水区域，10个子系统。共采用40个雨水斗，10根De160的雨水排水立管，立管靠建筑外墙内侧柱边设置，雨水立管在一层埋地就近接入室外消能井。
2.2排水量比较
经计算，二者均满足10年重现期的雨水量的排水要求，配以屋面排水天沟两侧的雨水溢流口，可满足50年重现期的雨水量的排水要求。
2.3技术比较
首先，虹吸雨水斗单斗的排水量比普通雨水斗大，而屋面的开孔却小，可有效减少屋面漏水的风险，在一定程度降低了屋面的防水设计压力[2]。其次，虹吸雨水立管可根据实际需求布置。该厂房对外立面及内部的美观要求较高。布置立管时，避开了厂房的洁净区域和电气设备用房，同时结合工艺流程操作的要求，将管道对建筑的外观和使用功能的影响降至最低。采用虹吸雨水系统后，不仅大大减少了雨水立管数目，有效解决了厂房内部雨水管林立的现象，也解决了传统重力流雨水系统，埋地出户管过长难以维护的难题。最后，因为虹吸雨水系统同管径下排水量大，管路的直径比较小，整体长度较传统重力流雨水系统为短。系统的横管安装在屋面以下也更有利于后期管道的检修和维护。
3、虹吸雨水系统的应用中常见问题及在设计中的处理做法
3.1天沟溢水
安装虹吸雨水系统的建筑，排水天沟在雨水溢流方面出现问题的现象相比较普遍。特别是钢结构屋面，主因是钢结构天沟与屋面板之间存在间隙。即使有堵头封堵，在雨量较大时仍存在溢水的情况。对于采用轻钢结构形式的屋面，排水天沟的材料以钢板为主，和屋面连接起来。当钢结构屋面跨度比较大时，一体化的结构，在雨水和雪的荷载下，可能会出现曲挠现象[3]。在工程实例中，出现挠度变异的钢结构，有的排水天沟会出现局部塌落，形成天沟高低差。这时，虹吸雨水斗排水功能就会降低，甚至导致雨水收集功能下降。严重时雨水会通过天沟侧壁、屋面板连接件间的缝隙反流入室内。
本工程为钢筋混凝土屋面，排水天沟深度为300mm，做法参《平屋面建筑构造》（12J201）“卷材、涂膜防水屋面女儿墙内天沟雨水口”。钢筋混凝土结构梁不易出现挠性变异的现象。另外在排水天沟两端设500mmm*150mm的溢流口，溢流口底距天沟底150mm.整个屋面设10处溢流口，可防止屋面雨水集聚导致结构荷载过大及变形的情况。
3.2虹吸雨水斗漏水
虹吸雨水系统中雨水斗普遍是不锈钢的材质。大空间轻钢彩板的结构屋面，雨水天沟材料以钢板做主。雨水斗和天沟的连接为焊接方式。不锈钢、碳钢之间可能存在腐蚀电势的问题。两种金属材料借助导电连接体接触的同时，或者是两种材料之间存在业态导电体的情况下，焊接部位相对比较容易出现腐蚀的问题，从而导致雨水渗漏风险的发生。在温度相对比较高的环境下，尤其是南方地区，全年的降雨量比较大，在空气遭受氮氧化物或者是硫氧化物污染时，可能会形成酸雨，此时腐蚀的作用会加快，改变焊接部位的氧化情况[4]。另外，焊接部位的常见物理特性，如气孔、裂缝、没有融合或焊透等问题，都会导致焊接区域存在潜在的腐蚀源。 本工程虹吸雨水斗选用参《雨水斗选用及安装》（09S302）“虹吸式雨水斗外形图（YG型）”。虹吸雨水斗导流罩为铝合金，底盘采用304不锈钢材料制造，雨水斗出口尾管与管道为同类材质，也就是应用相同材质进行连接，避免了不同金属材料接触的电腐蚀现象。雨水斗与屋面采用法兰压板式防漏水连接，避免了电焊连接不当造成的潜在物理腐蚀源。
3.3检查井设置
在不少虹吸雨水系统运行中，出现了雨水出户管连接的雨水检查井的井盖被顶开的现象。此时会有大量的雨水喷出。检查后发现，在雨水量比较大的情况下，检查井与雨水排水横管会保持满流的状态。此时虹吸雨水系统为有压流，流速与流量都比较大，处于满流时检查井内的水体会形成水压，从而顶开井盖[5]。另外，雨水检查井和下游管段也需保持通畅。雨水检查井的直径、深度以及结构等都应当满足虹吸雨水系统的具体使用需求。传统室外检查井有砖砌检查井，混凝土检查井，塑料检查井三种。根据《室外排水设计规范》（GB50014-2006 2016版），检查井宜采用钢筋混凝土成品井或塑料成品井，不应使用实心黏土砖砌检查井，而虹吸雨水出户管在排水时，排出的高速雨水会直接冲击井壁，对检查井的内壁强度有极大的要求。同时高速雨水以相反速度在检查井中形成旋流。持续不断的旋流会引起下游雨水排水不通畅，最终在检查井中形成有压力的水体。
针对以往工程项目中出现的检查井问题，本工程对每一根虹吸雨水系统出户管设计了独立的混凝土消能井配以铸铁井盖，井盖设排气孔且消能井与下游的雨水检查井连接管放大两级，消能井井底比连接管管底低600mm，保证虹吸雨水系统在厂房使用过程中能良好的运行。
3.4管材的选用
传统多层建筑重力流排水系统多采用排水塑料管。而虹吸雨水排水管为满管压力流排水，根据《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003（2009年版），管材的抗环变形外压力应大于0.15MPa.
本工程虹吸雨水管采用了高密度聚乙烯管（HDPE），热熔焊接或电熔套管连接。高密度聚乙烯管（HDPE）具有承压、耐腐蚀、抗冲击等特性，降低了管道易老化、破损、渗漏等风险。
结语：
综上所述，在建筑排水设计过程中，应当结合建筑的结构特征、使用途径等因素，注重不合理设计的控制，在重力流系统与虹吸系统中进行比较方案比较。选定后，再结合虹吸雨水系统在其他工程使用过程中出现的常见问题，进行针对性改进和优化，提升虹吸雨水系統的设计合理性，确保建筑正常使用。
参考文献：
[1]杜金娣，吴永强，涂正纯，等.武汉天河机场T3航站楼屋面虹吸雨水系统设计及思考[J].给水排水，2018，54（12）：66-73.
[2]罗岚兮，归谈纯，李学良，等.虹吸式屋面雨水排水系统单斗虹吸启动数值模拟研究[J].给水排水，2019，55（01）：87-93.
[3]吴显，汪磊，孙红月.斜孔虹吸排水管内泥沙起动流速方程的推导及应用[J].自然灾害学报，2018，27（05）：56-64.
[4]王慧莉.虹吸式屋面雨水系统非稳态工况水力测试研究[J].给水排水，2019，55（03）：101-106.
[5]于佳鑫，杨昊晟，王文娥，等.基于排雨管道的雨水分段蓄能发电系统[J].水力发电学报，2018，37（12）：104-113.