减压水箱在广州塔重力流雨水排水系统的应用

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项目概况
广州塔高600m，分成5个功能段和4个透空段，最高屋面平台标高454.8m，以下各级平台标高分别为355.2m、168.0m、32.8m和6.8m，属于超限高层多平台构筑物不规则建筑（见图1）。

                               

按照《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003（2009年版）4.9.11条，高层建筑裙房屋面的雨水应单独排放；4.9.27条，建筑屋面各汇水范围内，雨水排水立管不宜少于2根。在设计中产生以下问题：
1）若不同标高屋面雨水立管单独设置，将导致核心筒雨水立管数量较大，管井占用面积大。
2）标高355.2m和454.8m屋面排水，按满流计算，压力很高，对管材和管道接口承压要求很高。
3）由于管道太长，接口太多，从安全度考虑，对建筑物安全有一定隐患。
4）由于建筑物太高造成排水口出水压力太大，需要做有效的消能措施。
减压水箱源自给水和消防系统，在超高层建筑中应用广泛，然而减压水箱应用于排水系统国内外尚未见报道。广州塔雨水系统设计，首次把减压水箱应用于超限高层构筑物多平台不规则建筑的雨水排放系统，6.8m以上平台创新地采用重力流雨水减压水箱系统，6.8m平台采用压力流（虹吸式）排水系统。
2重力流雨水减压水箱系统
2.1系统组成
重力流雨水减压水箱系统由雨水减压水箱、雨水立管、高位平台雨水斗、高位平台溢流口、低位平台雨水斗、低位平台溢流口组成。其中，雨水减压水箱由水箱箱体、上层转输立管进水口，下层转输立管进水口（可以安装雨水斗或格栅）、水箱溢流管组成。
2.2系统工作原理
重力流雨水减压水箱系统工作原理见图2，高位一个或几个平台雨水经过屋面平台雨水斗收集，通过立管转输至低位某一平台的雨水减压水箱，超出立管排水能力的雨水通过平台溢流口溢流。而低位平台排放的雨水由以下3部分组成：①高位平台转输的雨水；②高、低位平台之间建筑侧面收集的雨水；③本层平台收集的雨水。低位平台雨水斗与转输水箱合并立管再往下一级平台转输或排往市政管网，而超出合并立管转输流量的雨水通过本层溢流口溢流。

                               

雨水减压水箱箱体储存上一级转输立管转输流量，合并本平台雨水斗收集的流量，由下一级转输立管转输至下一级或排放市政管网，当上一级转输流量大于下一级转输流量，超出雨水减压水箱的储存容积时，通过减压水箱溢流管溢流。
2.3系统水量平衡
（1）重力流雨水减压水箱系统水量平衡。低位平台雨水排水量 低位平台溢流口溢流水量≥高位平台雨水转输量 高、低位平台之间建筑侧面收集的雨水量 高位平台溢流口溢流水量。
（2）雨水减压水箱的水量平衡。上一级转输水量≤下一级转输立管转输量 水箱溢流管水量。
3重力流雨水减压水箱系统在广州塔雨水系统的应用
3.1雨量计算及排水管布置：
雨水流量按广州市暴雨强度公式计算：

                              

屋面雨水设计降雨强度q=7.11升/（秒·100平方米）（设计重现期P=50年，降雨历时T=5分钟，屋面综合径流系数为0.9）。屋面雨水设计溢流降雨强度q=7.69升/（秒·100平方米）（设计重现期P=100年，降雨历时T=5分钟，屋面综合径流系数为0.9）。由于四周外立面有较多的立柱和横向连接的结构阻挡部分雨水（此部分雨水将沿立柱流至地面），中间屋面的雨水汇水面积按屋面面积的80%计算。
以454.8m平台到355.2m平台一段雨水量及雨水立管计算为例：
454.8m平台近似椭圆形，椭圆面积S=πab/4（其中a为椭圆长轴；b为椭圆短轴）,该层平台面积1325m2。按照设计重现期P=50年，降雨历时T=5分钟，屋面综合径流系数为0.9，雨水总流量为86.435L/s；按照设计重现期P=100年，降雨历时T=5分钟，屋面综合径流系数为0.9，雨水总流量为93.713L/s。
454.8m平台共设14个DN150、87型雨水斗，雨水斗均匀布置，每个雨水斗汇水面积视为平台面积的1/14。根据《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003（2009年版）4.9.16条，每个雨水斗最大泄流量为26.0L/s，14个雨水斗最大泄水量364L/s，满足P=50年和P=100年雨水量排水要求。平台共设6条DN150雨水立管，根据《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003（2009年版）4.9.22条，每条重力流DN150钢管最大泄流量65.50L/s，6条雨水立管总排水量393L/s，均满足P=50年和按P=100年复核的雨水量排水要求。考虑建筑物的重要性和由于塔身摆幅达到1m而造成平台雨水分布不均等因素，设计时把雨水斗和雨水立管均放大一号。
454.8m层到376.0m层为功能层。以两平台椭圆长轴投影为梯形上下两边，侧面投影两边为梯形两斜边，以上梯形形成的平面作为侧面雨水的计算面。侧面面积S=（a b）h/2，侧面受雨面积按一半计算约844m2。按照设计重现期P=50年，降雨历时T=5分钟，雨水总流量61.175L/s；设计重现期P=100年复核，降雨历时T=5分钟，雨水总流量66.326L/s。
376.0m层到355.2m层为透空段，按核心筒长轴与侧面投影形成的矩形侧面计算，侧面受雨面积约362.96m2。按照设计重现期P=50年，降雨历时T=5分钟，雨水总流量26.311L/s。设计重现期P=100年复核，降雨历时T=5分钟，雨水总流量28.526L/s。
355.2m平台面积372m2，扣除核心筒面积后按0.8倍面积计算。按照设计重现期P=50年，降雨历时T=5分钟，屋面综合径流系数为0.9，雨水总流量19.4136L/s。设计重现期P=100年，降雨历时T=5分钟复核，屋面综合径流系数为0.9，雨水总流量21.048L/s。
355.2m平台以上的雨水总流量为以上四部分组成。按照设计重现期P=50年，降雨历时T=5分钟，雨水总流量约193.5L/s。按照设计重现期P=100年，降雨历时T=5分钟复核，雨水总流量约210L/s。
复核355.2m平台雨水立管排水能力，设计2条DN200排水管，2条DN150排水管，根据《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003（2009年版）4.9.22条，每条重力流DN150钢管最大泄流量65.50L/s，每条重力流DN200钢管最大泄流量89.80L/s，总排水能力310.6L/s，满足355.2m平台及以上雨水总流量排水要求，且每个平台均设置溢流口，即使出现某个区域出现短时间积水，也能保证雨水能迅速排放，平台不受水淹。
3.2雨水减压水箱尺寸的确定及设置
以355.2m平台雨水减压水箱（见图3）为例进行计算。

      

首先考虑雨水减压水箱排水管的排水能力应大于转输流量与本层雨水排水量之和，不需要调节容积。355.2m平台设2根DN200及2根DN150排水立管，计算排水量时按6根DN150排水立管计。测算4条雨水排水管的汇水面积及收集范围，把355.2m平台雨水总量分为6份，每条DN150雨水管各占1/6。计算其中一条DN150雨水管，P=50年时，454.8m平台转输流量为14.4L/s，塔身及本平台收集雨水量为17.8L/s，两者相加为32.2L/s,小于DN150钢管最大泄流量65.50L/s，故雨水减压水箱不需要调节容积。
其次，计算雨水立管底部出水流速。初期为孔口自由出流，后期为淹没出流。根据孔口出流公式：

                         

初期孔口自由出流，μ近似取值1。计算得孔口出流流速v=Q/A=μ（2gH0）1/2=12m/s，后期为淹没出流，取μ=0.6，计算得出流流速v=7.2m/s。
考虑上区雨水立管的雨水泄入雨水减压水箱时的巨大冲击力造成水流涌动状态，兼顾减少占地及结构荷载的需求，最后按雨水减压水箱的上述构造要求，确定设置4个1.5m×1.2m×2m（高）的混凝土雨水减压水箱。
在出现极端气候时，即上层转输水量＞下层转输立管转输量时，水箱溢流管溢流排水。本项目各段屋面均设有雨水溢流口，雨水立管的排水能力也有安全余量。
根据以上计算及分析，下游管道排水能力足以满足转输流量和本平台的雨水量，雨水减压水箱的主要作用在于减压消能，抗冲击，而非储存雨水。
3.3广州塔各平台雨水立管布置
通过表1的计算分析可知，若不设雨水减压水箱，454.8m层雨水与355.2m层平台各自单独排放，386.4m层和376.0m层共用一根雨水立管，共12根。现355.2m层设置4个减压水箱，只用4条雨水立管（2条DN200、2条DN150）即可，大大节省核心筒管道井位置。同理，355.2m层雨水减压水箱雨水和平台本层雨水共同转输到168.0m层雨水减压水箱，雨水立管数目由18根减少到4根。

                                 

     另外从表1对雨水立管占用核心筒面积的分析可知，设置减压水箱后，塔身的中段和下段分别节省核心筒管井面积60%和77%。

      3.4广州塔各平台雨水立管接口数量计算
按常规设计，内涂塑钢管每根长6m，从454.8m排至±0.000m约需要76根，接口约75个。6根DN150排水管共有接口约450个。加上355.2m平台排至±0.000m的2条DN200和2条DN150的排水管，接口共约687个。设置减压水箱，454.8m~355.2m有6条DN150，加上355.2m～168.0m2条DN200和2条DN150，共有接口约326个。根据以上计算，设置雨水减压水箱后，管道连接构件减少约52.5%。
超限高层多平台构筑物通过合理设置雨水减压水箱，使管道数目，管道接口数目大大减少，节省了核心筒管井面积，降低接口承受的压力，有效达到消能作用，降低出水口的冲击力。同时大大减少了系统对管道的承压要求，减少了管道渗漏爆管的几率。
广州塔建成投入营运两年多，经历多次超百年一遇的暴雨的考验，重力流雨水减压水箱系统运行良好。证明重力流雨水减压水箱系统成功应用于超限高层多平台构筑物，为以后同类型建筑的雨水排放系统的设计提供借鉴和参考。超高层多平台建筑雨水排放系统若采用重力流雨水减压水箱系统，必须在方案和初步设计阶段决定，计算出水箱容积和摆放位置。建筑、结构专业配合。且雨水对水箱的冲击力很大，建议材质采用钢筋混凝土或承压钢板。 

                                                                              文章转载自给水排水杂志微信