裝配式住宅建筑給排水管線的設計探究

王國棟

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550016)

裝配式住宅給排水管線設計的工作中需按照給排水管線的特點和情況，制定完善的設計方案和體系，統一設計標準和模式，提升給排水管線的設計質量，為促使給排水系統的良好穩定運行夯實基礎。

1 裝配式住宅建筑給排水管線架構

裝配式住宅建筑的給排水管線架構通常采用模塊化設計和預制管道系統，以提高施工效率和質量，整體架構如圖1所示。

圖1 給排水管線架構

1.1 給水管線架構

主供水管道：從建筑物外部供水系統連接到住宅。通常通過地下或墻體中的進水管進入建筑物，并連接到水表或水箱。配水支管：主供水管道通過配水支管分支到各個供水點，如廚房、浴室、衛生間等。配水支管可以采用PVC、PEX或銅管等材料。熱水管道：在需要熱水的供水點，如浴室和廚房，安裝熱水管道。這些管道通常與熱水鍋爐或太陽能熱水系統連接，以供應熱水。

1.2 排水管線架構

排水管道：從住宅內的各個排水點，如廚房水槽、浴缸、馬桶等，通過下水管道將廢水引導到建筑物外部的下水道系統。排水管道通常采用PVC或鑄鐵管材。通氣管道：為了防止排水管道中的真空和負壓現象，需要安裝通氣管道。通氣管道通常連接到排水管道的高點，以允許空氣進入系統，維持正常排水。

2 裝配式住宅建筑給排水管線的設計措施

2.1 預留孔洞和預埋套管設計

2.1.1 預留孔洞設計

預留孔洞的設計需要做好以下3點工作：1)確定給排水設備的位置：在設計階段，確定各個給排水設備(如水槽、馬桶、浴缸等)的位置，并在相應位置預留孔洞。這些孔洞需要根據設備的尺寸和安裝要求進行大小和位置的合理確定；2)確保孔洞位置合理：預留孔洞的位置應考慮到設備的使用便利性和布局合理性。例如，廚房水槽的孔洞應預留在工作臺上方，衛生間設備的孔洞應預留在合適的位置，以方便使用和布置；3)孔洞防水處理：為了防止孔洞處漏水，可以在孔洞周圍涂抹防水涂料或安裝防水套管。這樣可以確保孔洞處的防水性能，避免漏水問題。同時還需按照工程具體情況設計預留孔洞，如表1所示。

表1 給排水預留孔洞設計的指標 單位：mm

2.1.2 預埋套管設計

1)預埋套管位置和數量：在設計階段，根據給排水系統的布局和管線走向，確定預埋套管的位置和數量。預埋套管通常位于墻體或地板內，用于將給排水管道引入到相應的設備位置；2)套管尺寸和材質：預埋套管的尺寸和材質應根據給排水管道的直徑和材質進行選擇。一般采用PVC或金屬材質的套管，尺寸應略大于管道的外徑，以確保管道的順利安裝和維修；3)套管固定和密封：預埋套管需要固定在墻體或地板內，并進行必要的密封處理，以防止漏水。可以使用固定夾或防水膠帶固定套管，并在連接處進行密封處理。

2.2 管道附件的設計

在裝配式住宅建筑中給排水管道附件的設計主要為：1)根據具體的使用環境和要求，選擇合適的材料。常見的給排水管道附件材料包括塑料、鑄鐵、不銹鋼等。確保所選材料具有耐腐蝕、耐磨損、耐高溫等特性，以滿足預期的使用壽命和性能；2)根據給排水系統的設計需求和管道尺寸，確定附件的尺寸和連接方式。附件的尺寸應與管道尺寸相匹配，連接方式可以采用螺紋連接、法蘭連接等，確保連接緊密、可靠；3)在設計給排水管道附件時，要遵循當地的建筑規范和相關標準。這些規范和標準通常包括管道的最大流量、水壓要求、安裝間距等方面的要求，確保設計滿足安全性、穩定性和功能性的要求；4)給排水管道附件的設計應考慮到維護和清潔的方便性。例如，可以設計易于拆卸的附件，方便日常維護和清潔工作；5)在給排水管道附件的設計中，要考慮防水措施，以確保水不會滲漏或進入建筑結構中。可以采用防水膠、密封膠、防水涂料等材料對附件進行密封處理。同時需要按照公式計算管道附件的流量需求，確保管道附件的合理設計。

確定給排水系統的流量需求，即單位時間內通過管道的水量。根據具體情況，可以采用流量計算公式如Q = A × V，其中Q表示流量，A表示管道橫截面積，V表示流速。根據流量需求和所采用的管道材料，可以選擇合適的管道尺寸。一般來說，使用標準的管道尺寸能夠方便地找到對應的給排水管道附件。

2.3 管道支吊架的設計

裝配式住宅建筑中給排水管道支吊架的設計非常重要，其作用是支撐和固定管道，保證其穩定性和安全性。設計過程中需要做好以下5點工作：1)根據管道的材質、尺寸和重量，選擇合適的支吊架類型。常見的支吊架類型包括吊桿、吊架、支架等。確保支吊架的質量可靠，能夠承受預期的荷載；2)根據管道的材質、直徑、長度等參數，以及當地的建筑規范和標準，計算支吊架的安裝間距。安裝間距應合理，能夠提供足夠的支撐和固定，防止管道下垂或振動；3)根據管道的布置和管道系統的結構，確定支吊架的位置。支吊架應位于管道的高點、低點、轉彎處等需要固定的位置，以確保管道的穩定性和正常運行；4)選擇適合給排水環境的支吊架材料，如不銹鋼、鍍鋅鋼等，以防止腐蝕和損壞。對于特殊環境，可以采取防腐處理措施，如涂覆防腐漆等；5)在支吊架設計中考慮防振措施，如使用防振墊片、減震器等，以減少管道的振動和噪音。同時還需按照公式(1)和公式(2)進行支吊架防振計算。管道的自振周期：

T = 2π√m/K

(1)

其中T表示自振周期，m表示管道的長度，k表示重力加速度。

計算地震作用力：

F = m × a

(2)

其中F表示地震作用力，m表示管道的質量，a表示地震加速度。

比較管道的自振周期和地震作用力，以確定是否需要采取防震措施。如果地震作用力與管道的自振周期接近或超過一定比例(如1.5倍)，則需要采取相應的防震措施。

2.4 給水系統的設計措施

裝配式住宅建筑中給水系統的設計措施主要為：1)選擇適合裝配式住宅的給水管道材料，常見的有PVC、PEX、PPR等。這些材料具有良好的耐腐蝕性、耐壓性和耐熱性，同時也便于安裝和維護；2)根據住宅的平面布置和需求，合理布置給水管道。盡量縮短管道長度，減少管道的摩擦損失和壓力損失。同時，管道的走向應盡量避免彎曲和拐角，以減少阻力和壓力損失；3)根據住宅的用水量和需求，計算出合適的給水管道的管徑。管徑的選擇應保證足夠的供水能力，避免水壓過高或過低。可以根據當地的規范和標準進行計算；4)考慮給水的水質問題，如水垢、雜質等，可以采取相應的水處理設備，如過濾器、軟水器等，以保證供水的質量和安全性；5)采取相應的措施，如安裝熱水回流閥、熱水循環系統等，防止冷熱水交叉，提高供水的舒適度和節能效果。同時在給水系統設計過程中，需要按照公式計算分析。

管徑計算公式

根據最大瞬時流量和設計水壓，使用以下經驗公式(3)計算給水管道的管徑(單位為mm)：

D = 0.0077 × Q^0.63 / P^0.54

(3)

其中D表示管道的直徑，Q表示最大瞬時流量，P表示設計水壓。

流量計算公式

根據最大瞬時流量和設計水壓，使用以下經驗公式(4)計算給水系統的流量(單位為L/s或m3/h)：

Q = F × C

(4)

其中Q表示流量，F表示最大瞬時流量，C表示流量系數。流量系數C根據具體的給水系統和管道材料選擇而定。一般情況下，流量系數可以在0.02～0.08之間取值。

2.5 排水系統的設計

2.5.1 整體排水系統設計

裝配式住宅建筑中排水系統的設計如圖2所示。1)排水管道設計：根據住宅的平面布局和房間功能，合理布置排水管道。確保各個房間的排水設備(如馬桶、洗手盆、浴缸等)能夠順利連接到主排水管道；2)排水管道材料設計：選擇適合的排水管道材料，常見的選項包括PVC、PP、HDPE等。根據當地的規范和標準，確保選用的管道材料符合要求，并具有良好的耐化學性和耐腐蝕性；3)排水管道坡度設計：排水管道的坡度設計要合理，以確保排水暢通。一般情況下，主排水管道的坡度應在1%～3%之間，支線管道的坡度應在2%～5%之間；4)排水管道支承設計：在裝配式建筑中，給排水管道的支承設計需要注意以下3點：①采用合適的支吊架進行支承，確保管道固定穩定，防止產生振動和噪音；②根據管道的材料和直徑，選擇適當的支吊架間距，以確保管道的承重能力和穩定性；③考慮管道的熱脹冷縮問題，在管道連接處設置伸縮節或補償器，以避免管道變形或破裂；5)排水系統通氣設計：排水系統的通氣設計要合理，以防止污水管道產生負壓、排氣不暢或產生惡臭。通常采用通氣管道或排氣閥等設備，將排氣口與室外相連，確保排氣順暢。

圖2 排水系統的設計

為確保排水系統設計的準確性和可靠性，在裝配式住宅排水系統設計過程中，還需按照以下2個公式進行計算分析。

管道坡度計算如公式(5)：

坡度(%)= (總落差 / 管道長度)× 100

(5)

其中總落差是指排水管道起點與終點的高度差，管道長度是指排水管道的實際長度。排水管道的坡度設計應根據當地的規范和標準來確定，以確保排水暢通和防止積水。一般情況下，主排水管道的坡度應在1%～3%之間，支線管道的坡度應在2%～5%之間。

熱脹冷縮計算如公式(6)：

ΔL = α × L × ΔT

(6)

其中ΔL表示管道的冷縮長度，α表示管道材料的線膨脹系數，L表示管道的長度，ΔT表示溫度變化。不同材料的管道具有不同的線膨脹系數，需要根據具體的管道材料進行選擇。常見的管道材料如PVC、PP、HDPE等，它們的線膨脹系數可以在相關的材料手冊或技術資料中找到。且溫度變化ΔT需要以攝氏度(℃)為單位，并且需要考慮到管道所處的環境溫度變化范圍[1]。

2.5.2 自然降水排水設計

裝配式住宅設計中自然降水排水系統的設計需要做好以下4點工作。

(1)合理選址。選擇排水條件良好的地點，確保排水設施布置合理，避免積水現象。同時按照公式計算分析和選址。1)降水量計算：根據當地的氣象數據或歷史降水資料，計算平均年降水量。可以使用公式：P = A× R，其中P為平均年降水量，A為建筑物的接收面積，R為年降水強度；2)地面坡度計算：根據地面坡度和排水要求，確定合適的坡度。可以使用公式：S = H / L，其中S為坡度，H為高度差，L為水平距離[2]；3)土壤滲透性計算：根據土壤類型和滲透系數，計算土壤的滲透性能。可以使用公式：K = Q / (A× H)，其中K為土壤滲透系數，Q為單位時間內的滲透量，A為排水面積，H為土壤深度。

(2)雨水收集與利用。在設計過程中，盡量收集雨水并用于綠化灌溉、景觀用水等，從而減少對水資源的浪費。1)確定可收集雨水的面積，通常是通過屋頂表面積來計算。考慮到雨水收集效果和設備成本，可以選擇一部分屋頂區域作為收集面積。同時選擇適當的雨水收集設備，如雨水桶、雨水罐、雨水收集槽等。確保設備具備防蚊蟲、防臭味的功能，并具備便于清潔和維護的設計；2)采用適當的過濾和凈化設備，如過濾器、沉淀池等，以去除雜質、污染物和懸浮物，確保收集到的雨水的質量；3)將收集到的雨水儲存在適當的容器中，并與供水系統相連。確保儲存容器具備防漏、防滲透的特性，并設置適當的出水口和溢流口；4)將儲存的雨水用于合適的用途，如澆灌花園、沖洗馬桶、洗車等。根據實際需求和收集到的雨水量確定合理的利用方式。

(3)排水管道材質與規格。選擇耐腐蝕、抗老化、易維護的排水管道材料，如HDPE、PVC等。根據排水量和管道長度，合理選擇管道的規格和直徑。1)不同地區降雨量和降雨強度不同，需要根據當地的氣候條件確定管道的直徑和規格，以滿足排水系統的要求；2)根據建筑物的功能和使用情況，適當調整排水管道的規格。例如，廚房和衛生間的排水管道需要相對較大的直徑；3)排水管道的長度和坡度會影響排水效果，需要根據實際情況確定管道的規格和直徑。過長的管道需要相對較大的直徑，以保證排水效果；4)根據建筑物的面積和使用情況，確定排水量，以確定管道的規格和直徑[3]。

(4)雨水口和檢查井的設置。合理設置雨水口和檢查井，確保雨水排放暢通。雨水口和檢查井的數量、位置、尺寸需根據實際情況確定。1)雨水口設計。選擇合適的雨水口類型，例如方形雨水口或圓形雨水口，根據排水需求和美觀考慮。確保雨水口具備防臭味、防蚊蟲的功能，可以采用密封設計或安裝防蟲網。設置雨水口的位置應考慮到排水效果和安全性，通常應位于地勢低洼處或排水方向轉折點。根據設計流量和管道直徑，可以使用公式：A = Q / V，其中A為雨水口面積，Q為設計流量，V為允許的流速。雨水口的寬度和長度可以根據所選雨水口類型和設計要求進行確定；2)檢查井設計。確定檢查井的數量和位置，通常根據排水管道的長度和轉折點進行設置，以便于檢查和清理排水系統。檢查井的尺寸和深度應根據排水管道的直徑和深度要求進行設計，以確保人員可以安全進入進行維護和清理工作。安裝檢查井蓋時，應選擇耐壓、耐腐蝕的材料，并確保蓋板與地面平齊，以防止人員和車輛的意外傷害[5]。

3 裝配式住宅建筑給排水管線設計的關鍵技術

3.1 BIM技術

為進一步提升整體的給排水管線設計效果和水平，需要科學合理應用BIM建模技術，改善管線設計效果，如圖3所示。

圖3 BIM技術在管線設計中的應用

使用BIM軟件進行三維建模，將給排水管線、設備和附件等元素以三維模型的形式進行表示，能夠直觀地展示管線的布置和連接關系。1)碰撞檢測。利用BIM軟件進行碰撞檢測，將給排水管線與其他構件(如結構、電氣等)進行空間沖突檢查，避免設計沖突和施工問題[6]；2)材料和尺寸調整。通過BIM軟件，可以對給排水管線所使用的材料和尺寸進行管理和調整，實現管線的標準化和統一性；3)數據管理。BIM技術可以將給排水管線相關的數據整合到一個中心數據庫中，并進行版本控制和數據共享，方便設計團隊的協作和溝通；4)設備參數和性能分析。BIM軟件可以將給排水設備的參數和性能與管線模型進行關聯，實現設備的模擬和分析，以評估系統的性能和效果。

3.2 人工智能技術

近年來隨著人工智能技術的快速發展，為裝配式住宅給排水管線設計帶來了創新和優化的支持，因此，建議在相關管線設計工作中重視人工智能技術的應用。1)智能模型生成：利用機器學習算法，可以基于已有的設計數據和規范，自動生成給排水管線的初步設計模型，并根據設計要求進行優化；2)數據分析與決策支持：通過對大量的設計、施工和運維數據進行分析，人工智能技術可以提供對給排水系統的性能和效果進行預測和評估的決策支持；3)碰撞檢測與沖突解決：利用深度學習和計算機視覺技術，可以進行自動化的碰撞檢測，快速發現給排水管線與其他系統構件之間的沖突，并提供解決方案；4)節能與優化設計：人工智能技術可以分析建筑的能源消耗和給排水系統的運行數據，通過優化設計和節能策略，提供更高效的給排水系統設計方案；5)自動化工程量計算與報價：利用人工智能技術，可以基于給排水管線的設計模型，自動進行工程量計算和報價，提高計算速度和準確性；6)自動化施工與運維支持：人工智能技術可以結合機器人和傳感器，實現給排水管線的自動化施工和運維支持，提高施工效率和系統維護的準確性[7]。

4 結語

裝配式住宅建筑設計的工作中，需要做好給水管線架構和排水管線架構的分析，按照具體的情況，科學合理設計相關的預留孔洞和預埋套管，準確設計管道附件與支吊架，科學設計給水系統和排水系統的部分，確保能夠提升整體系統設計效果，同時，還需采用BIM技術和人工智能技術，提升設計工作的質量和水平，達到預期的設計目的。