關于超高層給排水設計的備忘錄

筆者有幸參與了幾個超高層項目，從中獲益良多。現將幾點心得和體會分享出來，因筆者水平有限，其中謬誤之處，還請指正海涵。

一、供水方式的選擇

目前來講，供水方式無非兩種：一是設置高位水箱的重力供水方式，二則是采用變頻泵的變頻供水方式。關于這兩種方式的節能性在學術界存在較大的分歧，就筆者所查找到的資料來看，目前為止并無國家性的法規或是權威資料表明哪種供水方式更有利于節能。而從筆者所參與的項目來看，筆者更傾向于在超高層辦公樓采用變頻供水的方式，其原因如下：按建筑設計防火規范，超高層每隔50m左右會設置一個避難層，國內普遍做法都兼用為設備層，這樣我們可以利用避難層設置中間轉輸水箱，每100m左右設置一組變頻泵加壓供水。采用上述系統給水設備及管材最大承壓為100m的高度，系統承壓不會超過2MPa，目前的技術及設備承受此壓力還是比較安全的，另外一方面由于辦公樓的用水量較小，時變化系數為1.5，在變頻加壓水泵的選型上采用一個流量分配采用100%-50%-100%，其中最后一個100%為備用，其水泵的出水量基本可以和系統的用水量相吻合，同時轉輸水泵采用工頻泵，可以保證各水泵在高效區運行，達到變頻節能的目的，并相應減少了機房的面積以及二次污染的幾率。

但是到了酒店時，情況又有不同，一般而言由于酒店對壓力的穩定性要求較高，為避免變頻加壓供水出現的用水忽冷忽熱，酒店采用屋頂水箱重力供水更加合理，此時可以通過同時設置冷、熱水箱，并通過對冷、熱水管道同程布置，達到對冷、熱水壓力平衡的要求。而對于屋頂水箱二次污染問題，酒店一般設有完善的物業管理，并經常對水箱沖洗，另外酒店為24小時用水，水箱里的儲水可得到及時更新，有效避免出現二次污染，值得注意的是，《城鎮給水排水技術規范》要求對生活給水水箱設置消毒設施。另一方面酒店建筑的用水特點是用水變化比較大，時變化系數為2.5～2，此處注意《建筑給水排水設計規范》新修訂稿明確冷水給水時變化系數也應插值法取值；如采用變頻給水方式，水泵數量少時不容易取到合適的變化曲線，為適應用水曲線就會造成水泵臺數過多的新問題，大多數情況都不能保證水泵運行在高效區，從而造成效率下降，能源浪費。因此酒店建筑的超高層建筑筆者認為以屋頂水箱重力供水方式為宜。

二、中間轉輸水箱的計算

超高層建筑中間轉輸水箱包括消防轉輸水箱和生活轉輸水箱兩部分。消防的中間轉輸水箱在《消防給水及消火栓技術規范》（GB50974-2014）【以下簡稱“消規”】中規定：當采用消防水泵轉輸水箱串聯時，轉輸水箱的有效容積不應小于60m3，轉輸水箱可作為高位消防水箱。同時消規也對高位消防水箱的容積做了如下規定：一類高層公共建筑，不應小于36m3，但當建筑高度大于100m時，不應小于50m3，當建筑高度大于150m時，不應小于100m3。值得注意的是，消規已經取消了原有規范中關于10分鐘水量的概念。而對于生活給水系統，《建筑給水排水設計規范》（GB50015——20032009年版）3.7.8條規定：生活給水用中途轉輸水箱轉輸調節容積宜取5～10min轉輸水泵的流量。作為生活給水系統的轉輸水箱，其作用有兩個：一為下區泵的調節容積，即保證水泵每小時啟動次數不大于6次的調節水量，此部分水量為轉輸水泵5～10min的出水量；二是防止上區水泵停泵，壓力回傳對下區水泵造成沖擊。如果采用重力供水方式，則中間轉輸水箱一般是當做上區水泵的吸水井和本區用水的調節水箱，一般吸水井容積為水泵3～5min的出流量，調節容積按水箱重力供水服務區域最大時用水的50%計，兩部分疊加為重力供水系統中間轉輸水箱的容積。

三、排水系統中勢能的消除

水流從300米多高處下落，對排水管系是否造成破壞，水流的沖擊是否破壞較低層的水封？由建筑高度引起的勢能如何消除？也許你還知道終限流速理論，但具體問題中如何應用這個理論？要解決這些問題，最終還要從排水管中的水流狀態分析中去找答案。

排水立管中的水流是斷續、非均勻的，帶有空氣，下落時極不穩定的水氣兩相流，流量時大時小，滿流與非滿流交替。立管中水流的具體變化過程為附壁螺旋流→水膜流→等速水膜流→柱塞流，而對排水管系造成破壞的水流狀態為柱塞流。如立管中的水流狀態為柱塞流而其中的氣流又不足以破壞水塞時，水塞造成有壓沖擊流，在其運動的前端為大于大氣壓的正壓，后端為小于大氣壓的負壓，隨著水塞得下落，管中的氣壓發生激烈變化，會形成正壓噴濺或負壓抽吸，對排水管系中衛生器具水封層的穩定產生嚴重影響，導致排水管道系統不能正常工作。

要保證排水管系安全可靠和經濟合理，首先要保證排水立管中的水流不形成柱塞流，應維持在等速水膜流，這就需要進行嚴格水力計算，控制立管設計流量的負荷極限值為在等速水膜流狀態下達到終限流速時的流量；此外在排水立管中采取一些消能措施，減小水流的下降速度，避免由于水流的沖擊對管系造成，試驗表明在立管上隔一定的距離設置“乙”字彎可以減小約50%的流速，工程中一般自頂層起每隔6層設置一套消能裝置；另一保證排水管系安全的重要措施就是設置專用的通氣立管與大氣相通，從而釋放排水管系中的正壓以及補給空氣減小負壓，使管內的氣壓保持接近大氣壓力，保證立管內的空氣流通，排除排水管道中的有害氣體，保護衛生器具的水封，在《建筑給水排水設計規范》（GB50015-20032009年版）給出的數據可以看出，設置專用通氣立管是，排水立管的排水能力增大一倍以上。以上措施可以保證在超高層建筑排水系統設計時由于建筑高度引起的排水勢能得到有效消除，保證系統安全。

四、雨水系統

由于降雨不可人為控制，雨水系統設計不安全對建筑尤其是超高層建筑的損害非常大，因此超高層建筑屋面雨水設計重現期的取值應慎重。《建筑給水排水設計規范》4.9.5條規定，重要公共建筑屋面雨水排水設計重現期不宜小于10年；4.9.9條規定，重要公共建筑的屋面雨水排水工程與溢流設施的總排水能力不應小于50年重現期的雨水量。超高層因其自身特點不可能設置溢流口，筆者認為設計雨水重現期應直接取50年，同時按100年校核雨水系統的排水能力。

除了設計重現期的取值問題外，還有一個問題需要考慮。由于建筑高度很高，目前常用的87型雨水斗設計流態為重力流但需要考慮排水壓力，因此在選用雨水系統管材時需要考慮由于建筑高度引起的靜壓力，一般采用無縫鋼管。超高層建筑屋面雨水排水采用純重力流雨水系統是比較經濟安全的，但重力流雨水斗沒有成型的產品可供使用，目前還是按87型雨水斗系統設計。尤其應注意的是室內雨水排入的第一個室外檢查井選用消能井，以防止由于排除管壓力過高引起噴濺事故。

超高層建筑雨水系統還有一個不容忽視的問題——雨篷的雨水排水。雨篷的面積雖然不大，其雨水設計重現期可按5年取值，但是雨篷所截留的上方側墻的面積（面積取值折減一半）遠大于雨篷的面積，一般也遠大于屋面的面積，因此雨篷的雨水排水量遠比屋面的排水量大。由于雨篷面積小，雨水斗多，立管也多，并且雨篷是建筑專業的門面，因此建筑專業對雨水斗、立管的設置有諸多限制，而雨篷下面是人員的出入口，安全性十分重要，因此在配合此部分的設計時要妥善處理，首先要做到安全可靠再考慮美觀因素。

五、地下車庫的排水

凡高層建筑均設有地下室，一方面是由于結構需要，另一方面，向地下要空間。由于地下汽車庫有汽車進出口，我們不可能也沒必要將其坡道完全遮蓋，必定有段露天部分，這些露天部分，除了投影平面有雨水外，還有側壁包括上部建筑側墻以及出入口的飄雨，按照規范要求，其雨量前者按100%計算，后者按最大墻面的50%計算，這些雨水由截水溝排至集水坑，再經由潛水泵提升排出。截水溝的設置，有的在上端、中端、下端各設置一條，有點在上端和下端各設置一條，不同的人有不同的設置方式。以筆者的觀點，綜合來看，在下端一條必不可少，并且僅設在地下一層的坡道上，地下二層及以下層就沒有必要再設了。上端的截水溝一般必要性不大，因為在上端處一般都設有反坡，正反坡相交處坡脊一般高于室外路面，具有擋水作用。一般坡脊高出室外路面10㎝為宜。

對于上層而言，排水可以直接采用地漏排至下層，而對于車庫內底層的排水一般有兩種方式：一是采用排水明溝，另一種則是采用地漏。溝設在地面找坡后的最低處，假設溝的起始高為200，溝底兩端相差100，若溝坡按0.5%考慮，則溝長可達20m，即兩集水坑之間的距離可達40m，若溝坡按0.3%考慮，則溝長可達33m，即兩集水坑之間的距離可達66m。另外在設置集水坑的位置時，要適當注意，設溝坡0.5%，若坑設在兩端，溝總長最長為40，若坑設在距兩端頭的1/4處，溝的總長剛可達80m，若溝長40m，坑設在中間，則可減少一個坑，從以上情況分析來看，坑設在中間較經濟，如果坡長有剩余，則可加大溝坡，以有利排水。一般而言，集水坑的設置按照經驗來看可以每1000平方設置1.5～2個。

六、結束語

總之，超高層建筑與一般建筑相比，具有層數多、高度大、功能復雜、用水要求高、排水量大等特點，對給排水設計者提出了較高的要求，我們應該熟練掌握相應規范條文才能保證設計過程中不出紕漏。