屋面雨水排水系统的设计方法、设计系统以及排水系统

摘要

本发明提供一种屋面雨水排水系统的设计方法，包括计算雨水斗内流过的水的体积流量；计算水流掺气后的质量流量；基于水流掺气后的质量流量计算各段管路的压力损失；计算悬吊管和立管在悬吊管末端与立管顶端的交界点处的负压力值；判断悬吊管与立管在交界点处的负压力值是否符合管系设计要求，若符合，则结束设计流程；若不符合，则需重新设定各管径值，之后再重新计算。因此，根据本发明提供的屋面雨水排水系统的设计方法设计出的排水系统以及提供的排水系统的管径要细且管道长度要短，可以减少管材的用量以及施工量，从而降低整个排水系统的成本。同时，该排水系统增加了排气装置，从而可以避免屋面雨水积水、漏水以及检查井冒水的隐患。

说明书

技术领域

本发明属于建筑物给水排水领域，具体涉及一种屋面雨水排水 系统的设计方法和设计系统，以及依据该设计方法或设计系统设计的 排水系统。

背景技术

随着全球能源危机以及原材料价格的上升，建筑物的成本也越 来越高，因此，就需要建筑设计单位尽量减少建筑材料的消耗，以降 低建筑成本。

屋面雨水排水系统是建筑物整体设计中不可或缺的部分，其用 于将建筑物屋面上的雨水及时排清，以避免因屋面积水而导致屋面漏 水等事故。在实际应用中，屋面雨水排水系统内的各管道的长度和直 径的大小是影响该排水系统建筑成本的重要因素之一，而上述各管道 直径的设计又与管道内雨水的流态存在着密不可分的关系。

众所周知，屋面雨水排水系统因雨水量的不同而存在三种不同 流态：即，重力流、两相流和压力流。请参阅图1，其中示出了屋面 雨水排水系统的流态随雨水流量变化所发生的变化，横坐标表示雨水 流量，具体表现为雨水斗单位时间内的泄流量q_w，单位为l/s；纵坐 标表示雨水斗前水位H₁，单位为cm。图1所示曲线中的O-A′区间表 示重力流区间，该区间中的雨水流量较小，并且水流不掺气形成了水 一相重力流；曲线B-C区间表示压力流(亦称虹吸流)区间，该区 间中的雨水流量较大，并且水流不掺气形成了水一相压力流；A′-B 区间表示两相流区间，该区间中的雨水流量介于重力流区间和压力流 区间之间，并且水流掺气形成了重力压力两相流。

尽管人们已发现屋面雨水排水因雨水量的不同而存在的三种不 同流态，但是迄今为止还未有人研究出针对前述两相流的理论模型， 因此，现有的屋面雨水排水系统的设计方案主要是针对前述重力流或 压力流而提出的。

具体地，重力流设计方案以图1所示曲线中的O-A′区间所表示 的流态为设计基准，其设计原理基于水流不掺气、水体以自身重力作 为水体流动的能量；压力流设计方案以图1所示曲线中的B-C区间 所表示的流态为设计基准，其设计原理基于水流不掺气、水体以管系 中产生的负压作为水体流动的能量，管系中的负压如图2屋面雨水排 水系统中的压力分布曲线所示。上述两种设计方案各自考虑了排水过 程中存在的其中一种能量，没有考虑两种能量同时存在的情况，因此， 按照上述两种方案设计出的排水系统的管道较长、管径较粗，材料消 耗较多，导致排水系统成本增加。而且，较长的管道和较粗的管径还 导致施工量增加，施工周期延长，增加了工程投资。

而且，在压力流设计方案中，管系中负压力差能量的产生要求 水流中不掺气且管系全部被水灌满等条件，因此，只有达到一定降雨 强度时才会发生这种流态。在实际工程应用中，按照排水设计规范， 满足压力流条件的降雨强度每5年甚至10年才可能发生一次，换句 话说，5年内甚至10年内所出现的绝大多数降雨过程都不会引起压 力流。因此，在大部分时间内，按照压力流设计方案而设计得到的排 水系统根本没有发挥其应有的作用。

此外，上述两种设计方案都是仅考虑到了水一相流的排水情况， 并未考虑出现两相流时的排水情况。然而，大量统计分析表明：在实 际降雨过程中，出现重力流、两相流和压力流的概率分别为6％、88％ 和6％，也就是说，在实际降雨过程中出现两相流的概率远远高于重 力流或压力流。而且，即便是在一场降雨过程中屋面雨水排水系统也 可能经历上述三种流态中的两种或三种。因此，在基于水一相流而设 计屋面排水系统中，当发生两相流时，由于水流掺气，因此，气体将 占据悬吊管、立管和埋地雨水管的部分过水断面，导致排水不畅，容 易造成屋面积水和/或埋地管检查井冒水事故。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种屋面雨水排水系统的设计方 法，该设计方法以水流掺气后的质量流量为排泄量，在设计中既考虑 了水体的重力能量，又考虑了管系中出现的负压力差能量，以此设计 出的排水系统的管径较细和管道较短，从而节省了管材用量，降低了 排水系统的成本。

为解决上述问题，本发明还提供一种屋面雨水排水系统的设计 系统，该设计系统以水流掺气后的质量流量为排泄量，同时考虑了水 体的重力能量和管系中出现的负压力差能量，利用该设计系统设计的 排水系统的管径较细和管道较短，从而节省了管材的用量，降低了排 水系统的成本。

为解决上述问题，本发明还提供一种屋面雨水排水系统，该排 水系统在设计时以水流掺气后的质量流量为排泄量，同时考虑了水体 的重力能量和管系中出现的负压力差能量，因此，该排水系统管径较 细和管道较短，节约了材料的用量，从而降低了排水系统的工程投资。

为此，本发明提供一种屋面雨水排水系统的设计方法，包括以 下步骤：

10)计算雨水斗内流过的水的体积流量q_w；

20)基于水的体积流量q_w而计算水流掺气后的质量流量Q_m；

30)基于水流掺气后的质量流量Q_m而计算各段管路的压力损失；

40)计算悬吊管和立管在悬吊管末端与立管顶端的交界点处各 自的负压力值；

50)判断步骤40)中得到的悬吊管和立管在悬吊管末端与立管 顶端的交界点处各负压力值是否大于该处的负压阈值，若是，则重新 设定各管段的管径值并使其大于前一次设定的相应管径值，而后转到 步骤30)；若否，则表明各段管径满足设计要求，并结束设计流程。

其中，在所述步骤20)中，水流掺气后的质量流量Q_m的计算步 骤具体包括：

100)根据公式以及步骤10)所得到的水的 体积流量q_w，计算雨水斗前水位H₁；

200)根据公式以及步骤100)所得到的雨水 斗前水位H₁，计算雨水斗掺气量q_a；

300)根据所述水的体积流量q_w、雨水斗掺气量q_a以及公式 Q_m＝S_wq_w+S_aq_a，计算水流掺气后的质量流量Q_m；

上述公式中：

H₁-雨水斗前水位m

D_r-雨水斗排出口管径m

g-重力加速度m/s²

q_w-水的体积流量m³/s

q_a-空气的体积流量m³/s

Q_m-水流掺气后的质量流量kg/s

S_w-水体质量密度kg/m³

S_a-空气质量密度kg/m³。

其中，在所述步骤30)中，利用公式以 及步骤20)中获得的水流掺气后的质量流量Q_m计算立管或连接管的 压力损失，利用公式h_w2＝9×10^-3Q_m^1.0545U_m^-0.0545D^-2.5545Ln以及步骤20)中 获得的水流掺气后的质量流量Q_m计算悬吊管或排出管的压力损失，

式中：

h_w1-垂直管(立管或连接管)的压力损失mH₂O

h_w2-水平管(悬吊管或排出管)的压力损失mH₂O

Q_m-水流掺气后的质量流量kg/s

U_m-水流掺气后的动力粘度kg-s/m²

D-管径m

n-管材的相对粗糙度

L-管道长度m。

其中，在所述步骤40)中，立管在交界点处的负压力值等于立 管中从压力零点到其顶端的压力损失；悬吊管在交界点处的负压力值 等于雨水斗排出口处的负压力值H₂以及连接管和悬吊管的压力损失 的和，所述雨水斗排出口处的负压力值H₂的计算步骤具体包括：

410)根据公式以及步骤10)所得到的水的 体积流量q_w，计算雨水斗前水位H₁；

420)根据公式以及步骤100)所得到的雨水 斗前水位H₁，计算雨水斗掺气量q_a；

430)根据所述水的体积流量q_w、雨水斗掺气量q_a、雨水斗前水 位H₁以及公式计算雨水斗排出口 处的负压力值H₂；

上述公式中：

H₁-雨水斗前水位m

H₂-雨水斗排出口处的负压力值mH₂O

D_r-雨水斗排出口管径m

g-重力加速度m/s²

q_w-水的体积流量m³/s

q_a-空气的体积流量m³/s

S_m-水流掺气后的流体质量密度kg/m³

S_w-水体质量密度kg/m³。

其中，在所述步骤50)中，所述的负压阈值为-8mH₂O。

此外，本发明还提供一种屋面雨水排水系统的设计系统，该设 计系统包括：

水的体积流量获取模块，其用于计算雨水斗内流过的水的体积 流量q_w；

水流掺气后的质量流量获取模块，其用于根据水的体积流量q_w来计算水流掺气后的质量流量Q_m；

压力损失获取模块，其用于根据水流掺气后的质量流量Q_m计算 各段管路的压力损失；

交界点负压力值获取模块，其用于计算悬吊管和立管在悬吊管 末端与立管顶端的交界点处各自的负压力值；

判断模块，其用于判断交界点负压力值获取模块获得的负压力 值是否大于该处的负压阈值，若是，则重新设定各管径值并使其大于 前一次设定的相应管径值，而后再由压力损失获取模块重新计算各段 管路的压力损失；若否，则表明各段管径满足设计要求，并结束设计 流程。

其中，所述水流掺气后的质量流量获取模块具体包括：

雨水斗前水位获取子模块，其基于公式以及 水的体积流量q_w而计算雨水斗前水位H₁，其中

H₁-雨水斗前水位m

D_r-雨水斗排出口管径m

g-重力加速度m/s²

q_w-水的体积流量m³/s；

雨水斗掺气量获取子模块，其基于公式以及 在雨水斗前水位获取子模块中得到的所述雨水斗前水位H₁而计算雨 水斗掺气量q_a，其中

H₁-雨水斗前水位m

D_r-雨水斗排出口管径m

q_w-水的体积流量m³/s

q_a-空气的体积流量m³/s；

水流掺气后的质量流量获取子模块，其基于公式Q_m＝S_wq_w+S_aq_a以及水的体积流量q_w、所述雨水斗掺气量q_a而计算水流掺气后的质 量流量Q_m，其中

Q_m-水流掺气后的质量流量kg/s

q_w-水的体积流量m³/s

q_a-空气的体积流量m³/s

S_w-水体质量密度kg/m³

S_a-空气质量密度kg/m³。

其中，所述压力损失获取模块包括：

垂直管压力损失获取子模块，其基于公式 L以及由水流掺气后的质量流量获取模块中 得到的水流掺气后的质量流量Q_m，计算出立管或各连接管的压力损 失；

水平管压力损失获取子模块，其基于公式 h_w2＝9×10^-3Q_m^1.0545U_m^-0.0545D^-2.5545Ln以及由水流掺气后的质量流量获取模 块中得到的水流掺气后的质量流量Q_m计算出水平管的压力损失h_w2，

式中

h_w1-垂直管(立管或连接管)的压力损失mH₂O

h_w2-水平管(悬吊管或排出管)的压力损失mH₂O

Q_m-水流掺气后的质量流量kg/s

U_m-水流掺气后的动力粘度kg-s/m²

D-管径m

n-管材的相对粗糙度

L-管道长度m。

其中，所述交界点负压力值获取模块包括：

立管负压力值获取子模块，其基于立管中从压力零点位置到其 顶端的压力损失而得到立管在悬吊管末端与立管顶端的交界点处的 负压力值；

悬吊管负压力值获取子模块，其基于悬吊管的压力损失、连接 管的压力损失以及雨水斗排出口处的负压力值H₂的和而计算悬吊管 在交界点处的负压力值，所述雨水斗排出口处的负压力值H₂基于公 式以及水的体积流量q_w、雨水斗掺 气量q_a和雨水斗前水位H₁而计算得到，

上述公式中：

H₁-雨水斗前水位m

H₂-雨水斗排出口处的负压力值mH₂O

D_r-雨水斗排出口管径m

g-重力加速度m/s²

q_w-水的体积流量m³/s

q_a-空气的体积流量m³/s

S_m-水流掺气后的流体质量密度kg/m³

S_w-水体质量密度kg/m³。

其中，所述判断模块中，所述的负压阈值为-8mH₂O。

另外，本发明还提供一种屋面雨水排水系统，包括雨水斗、连 接管、悬吊管、立管以及排出管，所述雨水斗通过所述连接管与所述 悬吊管连接，所述立管一端与所述悬吊管连接，另一端与所述排出管 连接，所述排出管与埋地管连通，所述雨水斗、连接管、悬吊管、立 管以及排出管的管径尺寸通过上述所述的屋面雨水排水系统的设计 方法计算获得。

其中，在所述排出管上设有排气装置，所述排气装置为中空的 管，其一端与所述排出管连通，另一端通向检查井内且接近检查井的 井口位置，借助检查井井盖上的通气孔将水流中的气体排出。由于在 排出管上设计了排气装置，因此，雨水中的气体在流入埋地管前已通 过排气装置排出，使雨水顺利地排出埋地管，从而避免了屋面漏雨以 及检查井冒水的事故。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

在本发明提供的屋面雨水排水系统的设计方法中，考虑了排水 过程中屋面雨水掺气后的两相流情况，并以水流掺气后的质量流量为 排泄量来计算各段管路的压力损失，而且，在计算过程中既考虑了管 系中水体的重力能量，又考虑了管系中的负压力差能量，挖掘了可利 用的所有能量，从而使得根据这样的设计方法而得到的排水系统不仅 能满足屋面排水要求，而且还具有比采用重力流或压力流设计方案而 得到的排水系统的管径要细的管径，同时，该方法在设计时还考虑了 雨水斗处的负压力可对雨水产生虹吸作用，大大提高了雨水斗的排水 能力，从而可以减少雨水斗的数量及与其配套的排水管(即缩短了管 道的长度)。因而，采用本发明提供的屋面雨水排水系统的设计方法 可以减少管材用量，进而降低整个排水系统的成本；同时，随着管径 以及管道长度的减小还可以减少施工量以及缩短施工周期，这进一步 降低了工程投资。

另外，在本发明提供的屋面雨水排水系统的设计系统中，考虑 了排水过程中屋面雨水掺气后的两相流情况，并以水流掺气后的质量 流量为排泄量，同时考虑了水体的重力能量、管系中出现的负压力差 能量以及雨水斗处的负压力的虹吸作用，从而使得由该设计系统所设 计出的排水系统不仅能满足屋面排水要求，而且还具有比采用重力流 或压力流设计方案而得到的排水系统的管径要细且管道长度要短。因 此，利用本发明提供的设计系统设计的排水系统，可以节省管材的用 量，进而降低整个排水系统的成本；同时，随着管径以及管道长度的 减小还可以减少施工量以及缩短施工时间，进一步降低了工程投资。

相应地，本发明提供的屋面雨水排水系统考虑了排水过程中屋 面雨水掺气后的两相流情况，并以水流掺气后的质量流量为排泄量来 计算各段管路的压力损失，而且，在设计过程中既考虑了水体自身的 重力能量，又考虑了管系中的负压力差能量。因此，该排水系统既能 满足屋面雨水排水要求，而且还具有比采用重力流或压力流设计方案 而得到的排水系统的管径要细、管道要短的管径，从而节约了管材的 用量，降低了整个排水系统的成本，响应了国家“节能、节材”的政 策。

此外，在本发明一个优选实施方式提供的屋面雨水排水系统中， 在排出管上设置了排气装置，利用水、气两相各自的比重相差悬殊的 特性，使雨水中的气体在排出管中分离并排出，从而使雨水顺利地从 埋地管排走，避免了检查井冒水的事故。

附图说明

图1为屋面雨水排水系统中雨水斗单位时间的泄流量；

图2为屋面雨水排水系统中产生的压力分布曲线；

图3为本发明屋面雨水排水系统的设计方法流程图；以及

图4为本发明屋面雨水排水系统示意图。

图中：1-雨水斗 2-连接管 3-悬吊管 4-立管 5-排出管 6- 排气装置 7-埋地管 8-检查井 9-雨水天沟

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合 附图和具体实施方式对本发明提供的屋面雨水排水系统设计方法进 行详细描述。

本发明的屋面雨水排水系统的设计方法中考虑了屋面雨水在排 泄过程中雨水斗掺气后发生的两相流情况，首先计算出两相流时水流 掺气后的质量流量，再根据水流掺气后的质量流量来计算各段管路的 压力损失，然后根据负压力值和压力损失确定管径值，由此设计整个 房屋雨水排水系统。

具体地讲，请参阅图3本发明屋面雨水排水系统的设计方法流 程图，本发明的屋面雨水排水系统的设计方法包括以下步骤：

10)计算各汇水面积的水的体积流量q_w

查阅当地的气象资料，获得降雨强度和重现期等有关气象资料， 然后计算排水屋面的水平投影和汇水面积并布置雨水斗，再根据气象 资料计算各汇水面积计算各个雨水斗承担的汇水面积的水的体积流 量q_w，这个计算过程与目前所采用的常规计算方法相同。

20)计算水流掺气后的质量流量Q_m

要计算水流掺气后的质量流量Q_m，首先要获得发生两相流时雨 水斗前水位H₁，再根据雨水斗前水位H₁计算雨水斗掺气量q_a，然后 计算水流掺气后的质量流量Q_m。具体计算过程如下：

100)计算雨水斗前水位H₁

将步骤10)中计算出的每个雨水斗所承担的排泄雨水的体积流 量q_w代入公式(1)，获得雨水斗前水位H₁，

$H_1=0.503D_r^{-0.1}{g}^{-0.2}{q}_w^{0.4}···\left(1\right)$

式中：

H₁-雨水斗前水位m；

D_r-雨水斗排出口管径m；

g-重力加速度m/s²；

q_w-水的体积流量m³/s。

200)计算雨水斗掺气量q_a

将步骤100)中计算出的所述雨水斗前水位H₁代入公式(2)，

获得雨水斗掺气量q_a，

$q_a=0.166q_w{\left(\frac{H_1}{D_r}\right)}^{-4.45}···\left(2\right)$

式中：

q_a-空气的体积流量m³/s；

q_w-水的体积流量m³/s；

H₁-雨水斗前水位m；

D_r-雨水斗排出口管径m。

公式(2)为雨水斗掺气量q_a的计算公式，其可以定量地确定屋 面雨水排水系统在单位时间内水流掺入的气体的量，从而克服了现有 技术中不能定量确定雨水斗掺气量的缺陷。

300)计算水流掺气后的质量流量Q_m

将水的体积流量q_w和雨水斗掺气量q_a代入公式(3)，计算出水 流掺气后的质量流量Q_m，

Q_m＝S_wq_w+S_aq_a…………………(3)

式中：

Q_m-水流掺气后的质量流量kg/s；

S_w-水体质量密度kg/m³

S_a-空气质量密度kg/m³

q_a-空气的体积流量m³/s；

q_w-水的体积流量m³/s。

事实上，水流掺气后的质量流量Q_m才是屋面雨水排水系统的实 际排出量，当发生气-液两相流时，该质量流量Q_m相应地包含实际的 液体排出量和气体排出量。相比于现有技术，根据公式(1)、(2)、 (3)计算得到的水流掺气后的质量流量Q_m更能准确地反映屋面雨水 排水系统的实际排水能力。因此，将上述水流掺气后的质量流量Q_m作 为雨水的实际排出量而设计得到的屋面雨水排水系统更符合实际情 况，也更为合理。

30)以步骤20)中计算获得的水流掺气后的质量流量Q_m为排水 系统的泄流量来计算各段管路的压力损失。在计算各段管路的压力损 失时，首先要根据以往的设计经验以及排水系统的泄流量预先估计各 段管路的管径值，然后计算各段管路的压力损失。具体地计算过程为：

首先根据经验预估各段管径值D，如立管、悬吊管、连接管等， 再计算各段管路的压力损失。对于诸如连接管、立管等垂直管的压力 损失，可以利用垂直管的压力损失计算公式(4)来计算获得；对于 诸如悬吊管、排出管等水平管的压力损失，可以利用水平管的压力损 失计算公式(5)来计算获得，

$h_{w1}=4204n^{1.49}{Q}_m^{0.34}{U}_m^{0.66}{D}^{-1.85}L···\left(4\right)$

h_w2＝9×10^-3Q_m^1.0545U_m^-0.0545D^-2.5545Ln………(5)

公式(4)和公式(5)中：

h_w1-垂直管的压力损失mH₂O；

h_w2-水平管的压力损失mH₂O；

n-管材的相对粗糙度；

Q_m-水流掺气后的质量流量kg/s；

U_m-水流掺气后的动力粘度kg-s/m²；

D-管径m；

L-管道长度m。

上述压力损失计算公式(4)和(5)综合考虑了管系中水体的 重力能量和负压力差能量，因而，据此设计出的排水系统的管径相对 于依据重力流或压力流方案设计出的管径要细，这减少了排水系统管 材的用量，从而降低了整个排水系统的成本。

40)分别计算悬吊管和立管在悬吊管末端和立管顶端的交界点 处各自的负压力值

立管在悬吊管末端与立管顶端的交界点处的负压力值等于根据 公式(4)计算得出的立管中从压力零点位置到其顶端这一段管段上 的压力损失。这里，压力零点位置是指立管中压力值从立管顶端所对 应的负压力值逐渐向立管底端所对应的正压力值过渡的过程中，压力 值为零时所对应的立管上的相应位置，请参阅图4。

悬吊管在悬吊管末端与立管顶端的交界点处的负压力值等于雨 水斗排出口处的负压力值H₂、连接管的压力损失和悬吊管的压力损 失的和，具体的计算过程如下：

首先，根据公式(4)分别计算出各段连接管的压力损失，根据 公式(5)计算出每段悬吊管(悬吊管是用于将多个连接管以及立管 连通的管路，因此，可以认为，多个连接管将悬吊管分隔为若干段) 的压力损失，同时计算出各雨水斗排出口处的负压力值H₂，雨水斗 排出口处的负压力值H₂的计算过程为：

将水的体积流量q_w以及根据公式(2)、(3)得到的雨水斗前 水位H₁和雨水斗掺气量q_a代入(9)可以计算出雨水斗排出口处的负 压力值H₂，

$\sqrt{S_m}(q_a+q_w)=0.8\frac{\pi }{4}{D}_r^2\sqrt{2g{S}_w(H_1+H_2)}···\left(9\right)$

式中：

H₁-雨水斗前水位m；

H₂-雨水斗排出口处的负压力值mH₂O；

D_r-雨水斗排出口管径m；

q_w-水的体积流量m³/s；

q_a-空气的体积流量m³/s；

g-重力加速度m/s²；

S_m-水流掺气后的流体质量密度kg/m³；

S_w-水体质量密度kg/m³。

然后，将距离立管最远的雨水斗排出口处的负压力值以及与该 雨水斗对应的连接管的压力损失相加，获得距离立管最远的连接管与 悬吊管交界处的负压力值，即节点a处的负压力值(请参阅图4)。 将a-b段悬吊管的压力损失与节点a处的负压力值相加，获得节点b 处的第一负压力值；同时，将与节点b处对应的连接管的压力损失和 与该连接管对应的雨水斗排出口处的负压力值相加，获得第二负压力 值；之后，将第一负压力值与第二负压力值比较，以较大值作为节点 b处的负压力值。之后继续计算节点c、d处的负压力值，计算过程 与节点b处的计算过程相同。

最后将节点d处的负压力值与d-e段悬吊管的压力损失相加，得 到节点e处的负压力值，即悬吊管在悬吊管末端与立管顶端的交界点 处的负压力值。

上述计算过程是悬吊管上连接有多个雨水斗的情况。如果悬吊 管上只连接有一个雨水斗，则只需将雨水斗排出口处的负压力值H₂、 连接管的压力损失以及悬吊管的压力损失相加即可获得悬吊管在悬 吊管末端与立管顶端的交界点处的负压力值。

在上述排水系统的计算过程中，由于考虑到雨水斗排出口处的 负压力对雨水可以产生虹吸作用，大大提高雨水斗的排水能力，因此， 在设计排水系统时，可以减少屋面雨水斗的数量以及与之配套的排水 管路(如与雨水斗相对应的连接管及悬吊管)，从而缩短排水系统的 管道长度，减少管材的用量以及施工量，进而降低整个排水系统的成 本。

50)根据步骤40)中计算获得的悬吊管和立管在悬吊管末端与 立管顶端的交界点处各自的负压力值判断各段管径值的预估值是否 符合以下的水力设计要求：首先，悬吊管与立管在它们的交界点处各 自的负压力值都不能大于该处的负压阈值，如-8mH₂O，否则，悬吊 管与立管的交界点处会因空气的压力而变形(如管瘪回去)，导致系 统排水能力降低。其次，立管所能提供的能量(负压力值)要大于悬 吊管上的压力损失，即立管在交界点处的负压力值要大于悬吊管在交 界点处的负压力值，否则，立管所能提供的能量不能满足悬吊管排水 所需的能量，导致系统排水能力降低，造成屋面积水，甚至造成漏水 事故。

在计算过程中，若悬吊管与立管交界处各自的负压力值大于负 压阈值，则表明在步骤30)中预估的各段管径值较小，需重新设定 各段管路的管径值，而且，重新设定的管径值要大于前一次预估的相 应管径值，再按步骤30)重新计算；若悬吊管与立管交界处各自的 负压力值小于或等于负压阈值，而立管在交界点处的负压力值小于悬 吊管在交界点处的负压力值，则需提高立管在交界点处的负压力值， 如增大排出管的管径；若悬吊管与立管交界点处各自的负压力值小于 负压阈值，而且立管在交界点处的负压力值大于悬吊管在交界点处的 负压力值，则表明预估的各段管路的管径值符合水力设计要求。

需要说明的是，利用上述设计方案设计出的排水系统经可靠地 计算模型模拟计算证明，完全能够满足屋面雨水排水要求，不会造成 屋面积水。而上述计算模型经模仿现场屋面雨水排水系统1∶1全尺寸 模型的验证试验证明，模拟计算值与实测值的比值在0.9～1.1之间， 因此，表明上述计算模型是可靠的、安全的、经济的。

本实施例中的屋面雨水排水系统的设计方法以排水系统出现两 相流为设计基础，给出发生两相流时水流掺气量的计算公式，以及根 据掺气量计算水流掺气的质量流量的计算公式，并以水流掺气的质量 流量为基础计算管系中压力损失，然后再验证排水系统管径设计是否 合理。若悬吊管和立管在悬吊管末端与立管顶端的交界点处各自的负 压力值大于负压阈值，或悬吊管和立管在悬吊管末端与立管顶端的交 界点处各自的负压力值小于负压阈值、而悬吊管在交界点处的负压力 值大于立管在交界点处的负压力值，则表明管径设计不合理，需重新 设计各管径；若悬吊管和立管在悬吊管末端与立管顶端的交界点处各 自的负压力值小于负压阈值，且悬吊管在交界处的负压力值小于立管 在交界点处的负压力值，则表明管径设计合理。这种以质量流量为泄 流量来设计排水系统的方法既考虑了管系中水体的重力能量，又考虑 了管系中的负压力差能量，使得根据这种设计方法得到的排水系统相 对于以重力流或压力流设计方案设计的排水系统的管径要细，而且， 该方法利用了雨水斗处产生的负压力对雨水的虹吸作用，大大提高了 雨水斗的排水能力，从而减少了雨水斗的数量及与其配套的排水管， 缩短了管道的长度，减少了管材的用量，降低了排水系统的成本。同 时，随着管径和管道长度的减小还可以减少施工量并缩短施工周期， 进一步降低了工程投资。此外，由于排水系统在发生两相流时的排水 过程中，同时存在重力能量和压力能量，因此，即使管径相对于按照 重力流或压力流设计方案设计的管径较细，也不会影响排水的速度。

下面详细描述利用上述设计方法设计的屋面雨水排水系统，请 参见图4所示的本发明屋面雨水排水系统示意图，该排水系统包括雨 水斗1、连接管2、悬吊管3、立管4以及排出管5，雨水斗1设置在 雨水天沟9的底部，并通过连接管2与悬吊管3连接；立管4一端与 悬吊管3连接，另一端与铺设在地面下的排出管5连接；排出管5 与检查井8连通，雨水从排出管5流入检查井后，通过与检查井8 连通的埋地管7流走。

在降雨过程中，当排水系统以两相流流态排水时，气体会占据 悬吊管3、立管4以及埋地管7内的部分过水截面，导致排水不畅， 而且，当雨水流入检查井8后，由于水、气短时间内难以分离，部分 气体会进入埋地管7，而气体的比重比较小，会占据埋地管7的部分 过水断面，造成排水不畅，导致检查井8冒水事故的发生。为此，本 实施例中，在排出管5上设置排气装置6。该排气装置6的一端与排 出管5连通，而且位于立管和检查井之间；其另一端通向检查井的内 部且靠近井盖的位置。当雨水流入排出管5后，由于水、气两相比重 不同，雨水中的气体会上升至排出管的顶部，并通过排气装置6排出。 如果雨水较大，也会有雨水从排气装置6流出，而排气装置6的排出 口设置在检查井8内，雨水会回流到检查井8内，气体从井盖上的通 气孔排出，因此，可以避免检查井冒水事故。排气装置6可以是中空 的水泥管、钢管或塑料管，也可以是用砖砌的通道。

本实施例中的屋面雨水排水系统以排水系统出现的两相流为重 点，并以水流掺气后的质量流量为泄流量来设计排水系统，设计时既 考虑了水体具有的重力能量，又考虑了管系中产生的负压力差能量， 因此，该排水系统的管径较细、管道长度要短，节约了材料，降低了 排水系统的成本。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而 采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的 普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做 出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。