建筑給排水工程的設計優化研究

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由于建筑給排水系統較為復雜，選擇經濟、合理的給排水方案已經成為設計人員需要解決的關鍵問題。鑒于此，許多學者通過理論推導、現場調研等方法對建筑給排水工程的設計開展了研究，并提出了一些有價值的研究成果。例如，陶源[1]分析了給排水管線的布置原則、布置方式及優化設計措施，指導了建筑給排水工程的施工；梁俊彥[2]以某高層建筑為研究對象，總結了建筑排水系統優化設計的基本步驟，并針對室內生活排水和室外生活排水進行了具體優化；韓松[3]從管道鋪設和自動放氣閥設置兩個方面研究了建筑給排水管道設計的重難點，同時建立了排水管網水力優化模型。

1 建筑給排水系統的特性及設計影響因素

1.1 建筑給排水系統的特性

建筑給排水屬于給排水工程中的一部分，與市政給排水、工業給排水共同組成系統的給排水體系。但是建筑給水排水又有其自身特點，與建筑結構、建筑供暖與通風、建筑電氣等工程共同組成建筑物，其設計質量的好壞不僅會直接影響建筑物的正常運行，還是評價建筑標準等級的關鍵因素之一。同時，建筑給排水系統十分復雜，由若干個給水、排水子系統連接而成，并與系統邊界或外環境合理對接，如圖1所示。

圖1 建筑給水排水系統連接

一個優秀的建筑給排水系統設計方案應當具有以下特性：（1）耐久性。在建筑物使用年限內，給排水工程的各種組成部件，如管道、儀表、加壓（熱）設備等，能維持較好的性能，與建筑物壽命相匹配。（2）安全性。設計給排水方案時應確保管道安裝牢固，設備具有良好的抗震性能、耐腐蝕能力，消防給水系統響應迅速等，以保障排水工程在正常使用期間不影響使用者的人身安全與結構安全。（3）經濟性。設計給排水工程時要深入地開展技術性和經濟性比選，從而選擇造價最低、效果最優的方案。（4）衛生性。供水水質標準和排放水質標準要滿足相關國家規范的要求。（5）協調性。給排水管道的布置應和周圍建筑物環境、市政管線等相互協調。

1.2 建筑給排水系統設計的影響因素

（1）給水系統設計。建筑給水系統的主要作用是提供洗滌用水和飲用水，與人體健康密切相關，其影響因素主要包括水質、水壓、水量及各種儀表器具等。①水質。水質直接決定了建筑給水方案的適用性與安全性，如采用屋頂水箱直接供水時，水箱內的儲存水出現二次污染的可能性會大幅度提高，如果選擇市政管網直供或無負壓設備供水，則外部污染源較少，可以改善水質。②水量。進行建筑給水設計時必須確保水量能滿足人們的用水需求，否則會降低整個給水系統的適用性。但是，水量也不宜過大，否則儲水、加壓設備偏大，會占用過多的建筑空間，經濟性不好。③水壓。供水設備提供的水壓應滿足用水設備的出水大小及力度要求。水壓過小，供水設備無法工作；水壓過大，造成能量損失、水資源浪費。

（2）排水系統設計。建筑排水系統的主要作用是收集排放生活污水、廢水、屋面雨水等，其影響因素包括管道、排放方式及相關構筑物等。①管道。管道是建筑結構排水的主要通道，對排水方案的影響程度最大。建筑排水管道應盡可能采用耐腐蝕性能好的管材，這樣不僅能減輕污水、廢水對排水管道的腐蝕作用，延長其使用年限，還能降低管道破裂滲水的可能性。同時建筑排水應選擇內壁光滑、摩擦系數小的管道，以避免排水堵塞，提高排水速度。②排放方式。排放方式包括排水方式和排氣方式。建筑物內的污、廢水應排入相應的市政管道，在與市政管道相接時要注意核查兩者的標高是否一致，否則水流難以排出。同時，建筑排水管道中的污水、廢水等會產生難聞氣體，應當在排水管道上設計通氣口，以免污染環境，導致人的感官不適。③局部構筑物。對于普通的建筑項目，排水系統中應設計化糞池、隔油池等構筑物，對排水管道中的生活污水、廢水進行簡單處理，使其達到排放標準，減少對外部環境的干擾。

2 建筑給排水工程優化設計流程

建筑項目給排水優化設計的目的是設計出效率高、能耗少、造價低、可靠性高的給排水系統。建筑給排水系統較為復雜，要想將其從工程問題簡化為能模擬優化的模型難度較大。同時，由于各項目均有其特點，不可能有完全一樣的優化方法。當遇到新項目時，只能先依據以往工程經驗和統計調查資料，制訂常規性的優化方案，隨后再結合該項目的具體特點進行優化。建筑給排水系統的優化流程如下：分析給排水系統中存在的問題→明確系統優化目標→建立優化模型→模型計算和驗證。

（1）分析問題。弄清楚建筑給排水系統中存在的問題是對其進行優化的首要步驟，直接影響系統優化結果的準確性。給排水系統中的問題分析可采用逐級分解的辦法，即先將給排水系統分解成若干層次和子系統，再針對每個子系統特點去分析問題，從而建立問題層次模型。

（2）明確優化目標。設計人員應根據每個層次問題提出相應的優化目標。建筑給排水系統功能優化目標包括技術、經濟、社會三個方面，具體指標見表1。

表1 建筑給排水系統優化總目標

（3）建立優化模型。建立數學模型的目的是定量表示建筑給排水設計方案，以便對多個方案進行對比分析。建立數學模型的最基本要求是表達出給排水系統的基本屬性，此時可忽略其次要的特征因素。同時，應確保優化模型簡單，便于與其他專業模型相互銜接。建筑給排水系統優化模型的內容包括三個方面：第一，明確優化模型的邊界條件、約束條件；第二，建立系統內部各變量間的關系模型；第三，建立系統內各變量與相應優化目標間的目標函數。

（4）模型求解檢驗。建筑給排水系統優化模型建立后，可采用數學規劃法或靈敏度分析法等方法求出最佳設計方案，并將計算結果與各層次優化目標進行對比，以檢驗優化結果是否滿足預期要求。

3 建筑給排水工程優化設計要點

3.1 給水系統優化

建筑給水系統優化的關鍵是選擇合適的給水方案，傳統的給水系統主要采用市政水源→水池→加壓泵→高位水箱或氣壓罐→用戶的模式。隨著技術的進步，越來越多的建筑工程開始采用變頻調速加壓泵或二次供水前置設備為用戶供水，但是通常以單一的供水方案為主。筆者認為可根據建筑結構類型選擇合適的供水方案并組合使用。以高層建筑為例，可采用二次供水前置設備+常速泵組+高位水箱供水方案，其中高位水箱可放在建筑物避難層，一部分水流可充分利用重力供給低樓層，另一部分通過加壓方式給高樓層供水；水泵房選擇二次供水前置設備，以充分利用市政水壓。

3.2 排水系統優化

（1）污、廢水分離。為了提高建筑結構物的衛生標準，改善化糞池處治能力，排水系統應盡可能將污水、廢水分流。如果建筑單物體量較小，也可將生活污水經化糞池直接排進市政管網，再通過污水廠處理。（2）通氣管設置。設置通氣管是為了避免建筑排水系統中出現負壓虹吸與正壓噴濺現象，改善排水管道中的空氣循環。建筑排水系統的通氣管按照通氣方式分為伸頂式、雙立管式、環形通氣式及器具通氣式，雙立管排水系統應優先選擇雙立管式，這樣可以有效平衡立管內的正負氣壓，減少“氣塞”現象。（3）管材選擇。目前建筑排水系統中多采用價格低、重量輕、水流阻力小的塑料管來取代傳統鑄鐵管，但塑料管水流噪聲較大，易老化。在噪聲控制嚴格的建筑區域，可參考建筑物功能及檔次，選擇柔性接口的鑄鐵管或U-PVC螺旋管。

4 結論

（1）建筑給排水系統是由若干子系統連接而成，受水質、水量、水壓、管道、排放方式、局部構筑物等因素的影響；（2）建筑給排水系統優化流程包括分析問題、明確優化目標、建立優化模型、計算和檢驗模型等內容；（3）給水系統優化可根據建筑結構類型選擇合適的供水方案進行組合，排水系統優化可從污廢水分離、通氣管設置、管材選擇等方面著手。