美標體系國際工程給排水系統計算方法分析

謝春雨

（1.北京城建集團有限責任公司，北京 100088；2.北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037）

1 概要

近年來，隨著國家“一帶一路”倡議的實施，我國建筑設計、施工等領域企業在境外參與國際競標工程建設的業務量呈逐年上升趨勢。在東南亞、非洲等國家地區，存在建筑設計規范體系不夠健全的情況，工程設計中經常需要參考美國、英國、法國等國家的規范標準，其中美國的規范標準應用相對較為廣泛，但對于習慣使用我國國標規范的設計人員，美標規范體系及使用要求與我國的規范存在較大的差異，因此，準確掌握美標體系中主要參數的計算方法，成為涉外工程設計工作中的重點內容。設計流量是給排水系統設計的核心參數，能否準確計算系統設計流量，是給排水設計工作的關鍵環節，然而以國標規范中的方法計算得出的設計流量，通常難以獲得境外審圖人員的認可。因此，本文以孟加拉國某機場項目為例，介紹分析美國規范標準中給排水系統的設計流量計算方法以及與國標計算方法的差異。

2 工程概況

2.1 項目概述

本項目位于孟加拉國Sylhet市，是一座新建國際客運機場，包含國際客運航站樓、貨運航站樓、行政辦公樓、控制塔臺、助航燈光站、消防救援站等共計10個建筑單體以及跑道、滑行道、停機坪等室外附屬設施，總建筑面積約6萬m2，規劃遠期年客運量238萬人，項目無市政水源，采用自打井供水，原水處理后經配水泵站供應到全部單體，最高用水點為塔臺，高度為35 m，供水系統流程如圖1所示。

圖1 Sylhet國際機場供水流程示意圖

2.2 規范體系

美國現行有若干種建筑給排水設計規范，目前在國際上應用較多的，主要有以下3種：《國際建筑給 水 排 水 規 范》（International Plumbing Code）、《統一建筑給水排水規范》（Uniform Plumbing Code）和《美國標準建筑給水排水規范》（National Standard Plumbing Code），3種規范中，《國際建筑給水排水規范》在美國各州中應用最為廣泛，也是國際工程中其他國家借鑒最多的，本項目的設計同樣以此規范為主要依據，結合《美國標準建筑給水排水規范》對于給排水設計流量的確定進行分析介紹。

3 計算應用

在國際項目給排水系統設計工作中，設計流量是系統的重要參數，直接關系到水泵型號、系統規模的確定，在我國國標規范《建筑給水排水設計標準》GB50015-2019[1]中，對于不同建筑類型給水系統和排水系統的設計流量都給出了明確的計算公式和參數選擇依據，但本項目所在國家建筑設計規范僅有一本全專業匯編規范《孟加拉國家建筑規范》（Bangladesh National Building Code），對于給排水系統的計算僅給出了最高日最大時用水量計算方法，對于設計秒流量的計算并無描述[2]，因此結合當地的設計習慣，需要參照美國標準計算系統設計秒流量。

3.1 給水系統

美國規范體系在設計流量的計算中，與國標類似，也使用了當量的概念，根據當量計算給水設計流量的主要依據為亨特計算理論[3]，規范中并未給出計算過程，而是列出了不同當量值下對應的設計流量，下面以本項目國際客運航站樓為例，計算其給水總管的設計流量。

國際客運航站樓內主要用水點為公共衛生間與餐飲廚房用水，統計全部用水器具數量如表1所示：

表1 國際客運航站樓用水器具統計

類似于國內的規范，在《美國標準建筑給水排水規范》（National Standard Plumbing Code，以下簡稱NSPC）中對于不同的衛生器具和用水設備，給出了各自的給水當量，主要當量值詳見表2，在該規范中對于不同的建筑類型，分別定義了不同的當量，本文是以機場客運航站樓為實例，僅展示公共建筑一類的常用器具[4]。

結合表1統計值和NSPC給出的表2當量值，分項加和，得出國際客運航站樓的給水總當量數為2 113（由于未給出普通沖洗龍頭的當量，孟加拉當地每個大便器和每組小便器位置需設置沖洗水嘴，用水量較小，設計中參照洗手池的當量計算其水量）。國內的《建筑給水排水設計標準》對于給水設計流量的計算，針對住宅和公建給出了兩個不同的公式，由于普通的生活用水器具均為間歇性用水，所以設計流量的計算不是所有衛生器具流量的累加，國內規范中提出了同時出流概率的概念[4]，相應的，NSPC中也給出了多樣性因素（Diversity Factor）的概念，考慮到了器具同時使用的概率問題。可以看出，美國給排水設計流量的計算方法雖然與國內的計算方法有所區別，但是原理是相似的，二者的區別在于NSPC并未給出具體的計算公式，而是類似于《建筑給水排水設計標準》的附錄C，給出了當量與設計流量的對應關系，在設計工作中，直接按照對應關系選用即可，如表3所示。NSPC分別對以沖洗閥為主和沖洗水箱為主的兩類建筑列出了不同的當量－流量對應關系，本文按照項目實例的特點，僅展示以沖洗水箱為主的部分參數。

表2 常用衛生器具的給水當量值（公建）

表3 衛生器具給水當量數與設計流量對照表

按照表3中的對應關系，近似選取當量2 000與2 500之間的流量均值，計算得出衛生器具總當量數為2 113的條件下，國際客運航站樓的高峰用水量（Peak Flow）約等于337 gal/min，換算為21.23 L/s。

由于在設計中通常認為管道基本不具備儲水的功能，所以給水系統的設計秒流量近似等于衛生器具的高峰流量。在實際應用中，可以將常用的當量區間繪制成曲線圖，方便使用，如圖2所示，此部分內容在規范中并未給出，需要設計人員根據項目區間范圍需求自行完成。

圖2 設計流量曲線

由圖2也可以看出，給水總當量大約在1 000以下時，以沖洗水箱為主的衛生器具系統設計流量在相同當量下略高于以沖洗閥為主的衛生器具系統，當給水總當量超過1 000以后，兩種系統的差別對給水設計流量基本不產生影響，設計流量的大小取決于絕對當量總數的大小，同時需說明沖洗水箱和沖洗閥大便器的當量數是不同的（見表2），使用時應當注意區分。

3.2 排水系統

建筑排水系統設計工作中，需要根據排水量的大小來確定排水系統水平管道與立管的管徑。國標與美標體系關于排水系統的設計計算方法也存在一定差異。

在國標《建筑給水排水設計標準》中，分別給出了排水系統設計秒流量與排水橫管流速的計算公式，再通過Q=A·ν（式中：Q—流量，A—過水斷面面積，ν—流速）的流量-流速關系可計算出排水橫管管徑，并使用規范中的表4.5.7，按照不同的通氣方式與設計流量，選擇出合適的排水立管管徑[1]。在美標體系中，給出了不同的排水系統設計方法。排水系統計算需要參照《國際建筑給水排水規范》（International Plumbing Code，以下簡稱IPC），在IPC的相關章節中，同樣給出了衛生器具的排水當量，但此規范為了設計方便，不再進行排水設計流量計算，而是直接給出當量對應管徑的經驗表格，根據每一管段的排水總當量數選擇合適的排水橫管與立管管徑[5]，主要器具排水當量值如表4所示。

表4 衛生器具的排水當量值

IPC中對于排水系統管徑的確定，分別就水平干管、支管與立管給出了當量-管徑對應表格，如表5和表6所示，表5中詳細給出了建筑物排水管（Building Drain，表示立管底部的排水橫管，只有立管和底層的排水橫支管接入其中）在不同坡度下各個管徑對應的最大當量值，對于建筑物排水管，按照對應的當量數，結合管道坡度，即可選出合適的管徑。IPC排水系統水力計算的原理是曼寧公式，與《建筑給水排水設計標準》相同[1，5]，所以坡度的選擇可以參照國標規范選用。

表5適用于室內的排水橫干管和室外排水管道，表中空白處表示無效的坡度范圍，在該管徑-坡度下的管道流速偏小，不建議使用。表6中列出了排水系統中水平支管和立管的對應最大排水能力，其中水平支管的坡度對應不同管徑的最小坡度，IPC中未對管道的最小坡度做出約定，結合美標設計習慣，建議1.25～2.5英寸采用0.02，3～6英寸采用0.01，8英寸及以上采用0.005。排水立管的管徑同樣根據表6來確定，表中根據立管連接層數的不同分別給出3列管徑的對應排水能力，分別為單層可排入總數、2～3層可排入總數、以及大于3層的立管可排入總數，由此可見相同管徑下連接的層數不同，立管的排水能力也有區別。需要注意，在立管與橫支管管徑相同的條件下且當管徑大于3英寸時，立管的排水能力要小于橫支管，此時橫支管的排水能力應以下游連接的立管為準。例如，當一根5英寸的水平支管接入5英寸的立管時，此時水平支管可接入的排水當量總數應該是200，而不是360。此外，IPC中特別指出，對于馬桶排水連接管道的管徑單獨注明不小于3英寸[5]，即76.2 mm，不同于《建筑給水排水設計標準》中的相關要求為100 mm[1]。

表5 建筑物排水管最大排水能力

在實際工程設計中，不能單一的使用表6中的數據確定立管的管徑，應當結合通氣條件綜合考慮。按照表6的設計思路，排水立管隨著層數的變化將會產生變徑，雖然IPC中明確表示排水立管可以變徑，但結合實際工程經驗，仍建議排水立管按照統一管徑設計。

表6 排水橫支管及立管最大排水能力

3.3 局限性

由以上對比可以看出，美標體系下的給排水系統設計流量確定不需要設計人員進行計算，直接按衛生器具統計當量，查表即可得出，且得到的數據相對更為可靠，不易出現計算錯誤。

但是，由于NSPC與IPC對于給排水系統設計流量的計算均未給出基本的計算方法，在美標體系下的建筑給排水系統設計只能選擇表格中給出的管徑和坡度參數，在設計工作中雖然應用方便，但由于所列規格的精度不足，在使用過程中也具有一定的局限性。

4 總結

美標給排水設計規范種類較多，各個規范之間有較多重疊內容，規范的側重點也有所不同，因此在使用過程中，對規范的選擇尤為重要，需要了解各個規范的適用方向，以便更高效地開展設計工作。

對于給水和排水系統設計流量的計算，《美國標準建筑給水排水規范》和《國際建筑給水排水規范》兩本規范分別給出了區別于國標規范的選定方法，這兩本規范在國際工程上應用較為廣泛，可以作為可靠的設計依據。

美國標準與我國國標規范對于設計工作的指導作用存在較大的差異，且系統體系較為分散，與國標規范的匹配性不高，使用時更多需要設計人員的經驗和主觀判斷，在設計中應當與工程當地規范結合使用，并將國標規范作為參考和驗證的依據，以保障設計質量。