超高層建筑給排水設(shè)計(jì)中幾個(gè)問(wèn)題的思考
1、供水方式的選擇
重力供水和變頻供水的節(jié)能性在學(xué)術(shù)界存在較大的分歧，目前為止沒(méi)有國(guó)家性的法規(guī)及權(quán)威資料表明哪種供水方式更有利于節(jié)能。就筆者所參與的幾個(gè)項(xiàng)目，筆者認(rèn)為辦公樓采用變頻供水更為合理。首先超高層建筑大概每隔15層會(huì)設(shè)置一個(gè)避難層兼設(shè)備層，可利用第一個(gè)避難層以及每隔一個(gè)避難層設(shè)置中間轉(zhuǎn)輸水箱，每?jī)蓚�(gè)避難層中間樓層分為一個(gè)大區(qū)采用一組變頻泵加壓供水，每個(gè)大區(qū)再采用減壓閥分為兩個(gè)小區(qū)，二轉(zhuǎn)輸水泵采用液位控制啟停的工頻泵，這樣基本上只用在第一個(gè)避難層及第三個(gè)避難層設(shè)置中間轉(zhuǎn)輸水箱，有效減少機(jī)房占用面積。此外，采用上述系統(tǒng)給水設(shè)備及管材最大承壓為一、三避難層中間的高度，系統(tǒng)承壓不會(huì)超過(guò)2MPa，目前的技術(shù)及設(shè)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(shí)變化系數(shù)為1.5，在變頻加壓水泵的選型上采用一個(gè)流量分配采用100%-50%-100%，其中最后一個(gè)100%為備用，其水泵的出水量基本可以和系統(tǒng)的用水量相吻合，同時(shí)轉(zhuǎn)輸水泵采用工頻泵，可以保證各水泵在高效區(qū)運(yùn)行，達(dá)到變頻節(jié)能的目的，并相應(yīng)減少了機(jī)房的面積以及二次污染的幾率。
對(duì)于酒店，由于其對(duì)壓力的穩(wěn)定性要求較高，為避免變頻加壓供水出現(xiàn)的用水忽冷忽熱，酒店采用屋頂水箱重力供水更加合理。對(duì)于屋頂水箱二次污染問(wèn)題，酒店一般有比較完善的物業(yè)管理，同時(shí)屋頂水箱設(shè)置為2個(gè)，可定時(shí)沖洗，并且酒店為24小時(shí)用水，水箱里的儲(chǔ)水可得到及時(shí)更新，有效避免出現(xiàn)二次污染。此外，酒店建筑的用水特點(diǎn)是用水變化比較大，時(shí)變化系數(shù)為2~2.5，如采用變頻給水其水泵配置很難與用水曲線吻合，因此水泵不能保證在高效區(qū)運(yùn)行，從而造成效率下降，能源浪費(fèi)。因此酒店建筑的超高層建筑建議采用屋頂水箱重力供水。
2、中間轉(zhuǎn)輸水箱的計(jì)算
超高層建筑中間轉(zhuǎn)輸水箱包括消防轉(zhuǎn)輸水箱和生活轉(zhuǎn)輸水箱兩部分。消防的中間轉(zhuǎn)輸水箱在《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施給水排水》（2003年）中規(guī)定：“采用水泵轉(zhuǎn)輸串聯(lián)時(shí)，中間轉(zhuǎn)輸水箱同時(shí)起著上區(qū)輸水泵的吸水池和本區(qū)消防給水屋頂水箱的作用，其儲(chǔ)水容積按15~30min的消防設(shè)計(jì)水量經(jīng)計(jì)算確定，并不宜小于60m3。”假如超高層建筑消火栓用水量為40L/s，自動(dòng)噴水用水量為30L/s，則中間轉(zhuǎn)輸水箱的容積=（40+30）*10*60+（40+30）*5*60=63000（L），其中10min水量為本區(qū)屋頂消防水箱的水量，5min為上區(qū)水泵吸水池的水量，如還有其他水消防系統(tǒng)則把有可能在火災(zāi)時(shí)同時(shí)啟動(dòng)的消防系統(tǒng)的水量疊加計(jì)算，作為中間轉(zhuǎn)輸水箱容積。而對(duì)于生活給水系統(tǒng)，《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50015??2003）3.7.8條規(guī)定：生活給水用中途轉(zhuǎn)輸水箱轉(zhuǎn)輸調(diào)節(jié)容積宜取5~10min轉(zhuǎn)輸水泵的流量。作為生活給水系統(tǒng)的轉(zhuǎn)輸水箱，其作用有兩個(gè)：一為上區(qū)加壓水泵的吸水井，此部分水量為上區(qū)水泵3~5min的出水量；二為下去轉(zhuǎn)輸泵的調(diào)節(jié)容積，即為保證初級(jí)水泵每小時(shí)啟動(dòng)次數(shù)不大于6次的調(diào)節(jié)水量，此部分水量為轉(zhuǎn)輸水泵5~10min的出水量，如上區(qū)水泵的流量為8L/s，轉(zhuǎn)輸水泵的流量也為8L/s，則轉(zhuǎn)輸水箱容積=8*5*60+8*10*60=7200（L）。此為采用變頻供水系統(tǒng)時(shí)的計(jì)算方法。如系統(tǒng)為重力供水系統(tǒng)，則中間轉(zhuǎn)輸水箱作為上區(qū)水泵的吸水井外，還需有儲(chǔ)存本區(qū)用水的調(diào)節(jié)容積，一般此部分調(diào)節(jié)容積按水箱重力供水服務(wù)區(qū)域最大時(shí)用水的50%計(jì)，兩部分疊加計(jì)算為重力供水系統(tǒng)中間轉(zhuǎn)輸水箱的容積。
3、排水系統(tǒng)中勢(shì)能的消除
由建筑高度引起的勢(shì)能如何消除？水流從300米多高處下落，對(duì)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？要解決這些困擾問(wèn)題需從排水管系中的水流狀態(tài)分析入手。
排水立管中的水流是斷續(xù)、非均勻的，帶有空氣，下落時(shí)是水氣混合的兩相不穩(wěn)定流，流量時(shí)大時(shí)小，滿流與非滿流交替。立管中水流的具體變化過(guò)程為附壁螺旋流→水膜流→等速水膜流→柱塞流，而對(duì)排水管系造成破壞的水流狀態(tài)為柱塞流。如立管中的水流狀態(tài)為柱塞流而其中的氣流又不足以破壞水塞時(shí)，水塞造成有壓沖擊流，在其運(yùn)動(dòng)的前端為大于大氣壓的正壓，后端為小于大氣壓的負(fù)壓，隨著水塞得下落，管中的氣壓發(fā)生激烈變化，會(huì)形成正壓噴濺或負(fù)壓抽吸，對(duì)排水管系中衛(wèi)生器具水封層的穩(wěn)定產(chǎn)生嚴(yán)重影響，導(dǎo)致排水管道系統(tǒng)不能正常工作，
要保證排水管系安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理，首先要保證排水立管中的水流不形成柱塞流，應(yīng)維持在等速水膜流，這就需要進(jìn)行嚴(yán)格水力計(jì)算，控制立管設(shè)計(jì)流量的負(fù)荷極限值為在等速水膜流狀態(tài)下達(dá)到終限流速時(shí)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(duì)管系造成，試驗(yàn)表明在立管上隔一定的距離設(shè)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(shè)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(shè)置專(zhuān)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(bǔ)給空氣減小負(fù)壓，使管內(nèi)的氣壓保持接近大氣壓力，保證立管內(nèi)的空氣流通，排除排水管道中的有害氣體，保護(hù)衛(wèi)生器具的水封，試驗(yàn)表明設(shè)置專(zhuān)用通氣立管可使立管排水能力提高一倍。以上措施可以保證在超高層建筑排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)由于建筑高度引起的排水勢(shì)能得到有效消除，保證系統(tǒng)安全。
4、雨水系統(tǒng)
由于降雨不可人為控制，雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)不安全對(duì)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(shè)計(jì)重現(xiàn)期的取值應(yīng)慎重�！督ㄖo水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》4.9.5條規(guī)定，重要公共建筑屋面雨水排水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期不宜小于10年；4.9.9條規(guī)定，重要公共建筑的屋面雨水排水工程與溢流設(shè)施的總排水能力不應(yīng)小于50年重現(xiàn)期的雨水量。超高層監(jiān)護(hù)不可能設(shè)置溢流口，建議屋面雨水的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期取50年，同時(shí)按100年校核雨水系統(tǒng)的排水能力。
除了設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的取值問(wèn)題外，還有一個(gè)問(wèn)題需要考慮。由于建筑高度很高，目前常用的65型、87型雨水斗設(shè)計(jì)流態(tài)為重力流但需要考慮排水壓力，因此在選用雨水系統(tǒng)管材時(shí)需要考慮由于建筑高度引起的靜壓力，建議雨水管材在普通鋼管壓力范圍內(nèi)選用普通鋼管，承壓比較高的部分采用無(wú)縫鋼管。超高層建筑屋面雨水排水采用純重力流雨水系統(tǒng)是比較經(jīng)濟(jì)安全的，但重力流雨水斗的研制和標(biāo)準(zhǔn)圖目前還在進(jìn)行當(dāng)中，沒(méi)有成型的產(chǎn)品可供使用，目前還是按87型雨水斗系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此外室內(nèi)雨水排入的第一個(gè)室外檢查井選用消能井，以防止由于排除管壓力過(guò)高引起噴濺事故。
超高層建筑雨水系統(tǒng)還有一個(gè)不容忽視的問(wèn)題??雨篷的雨水排水。雨篷的面積雖然不大，其雨水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期可按5年取值，但是雨篷所截留的上方側(cè)墻的面積（面積取值折減一半）遠(yuǎn)大于雨篷的面積，一般與遠(yuǎn)大于屋面的面積，因此雨篷的雨水排水量遠(yuǎn)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(zhuān)業(yè)的門(mén)面，因此建筑專(zhuān)業(yè)對(duì)雨水斗、立管的設(shè)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(shè)計(jì)時(shí)要妥善處理，首先要做到安全可靠再考慮美觀因素。
5、水泵接合器的設(shè)置
《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50045-95，2005年版，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“高規(guī)”）7.4.5.2條規(guī)定，消防給水為豎向分區(qū)供水時(shí)，在消防車(chē)供水壓力范圍內(nèi)的分區(qū)，應(yīng)分別設(shè)置水泵接合器。其條文說(shuō)明明確提出：只有采用串聯(lián)給水方式時(shí)，上區(qū)用水由下區(qū)水箱抽水供給，可僅在下區(qū)設(shè)水泵接合器，供全樓使用�！蹲詣�(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50084-2001，2005年版，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“噴規(guī)”）10.4.2條規(guī)定，當(dāng)水泵接合器的供水能力不能滿足最不利點(diǎn)處作用面積的流量和壓力要求時(shí)，應(yīng)采取增壓措施。其條文說(shuō)明提出：根據(jù)某些省市消防局的經(jīng)驗(yàn)，規(guī)定在當(dāng)?shù)叵儡?chē)供水能力接近極限的部位，設(shè)置接力設(shè)施�？梢钥闯觯鶕�(jù)“高規(guī)”，在消防車(chē)供水范圍之外的消防分區(qū)，無(wú)論是消火栓系統(tǒng)還是自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，均可不再設(shè)置水泵接合器；但是根據(jù)“噴規(guī)”，在超出消防車(chē)供水范圍之外的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的消防分區(qū)需要設(shè)置接力設(shè)施。
根據(jù)上述規(guī)定首先可以得到一個(gè)結(jié)論，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)在消防車(chē)供水范圍之外的分區(qū)也需要設(shè)置水泵接合器。那消火栓系統(tǒng)在消防車(chē)供水范圍之外的消防分區(qū)是否有必要設(shè)置水泵接合器呢？“高規(guī)”1.0.5條規(guī)定，當(dāng)高層建筑的建筑高度超過(guò)250m時(shí)，建筑設(shè)計(jì)采取的特殊防火措施，應(yīng)提交國(guó)家消防主管部門(mén)組織專(zhuān)題研究、論證。從中可以看出，當(dāng)建筑高度超過(guò)250m，目前的“高規(guī)”僅作為設(shè)計(jì)參考，所有的消防系統(tǒng)均需通過(guò)消防局組織的專(zhuān)題消防論證會(huì)論證。而“高規(guī)”1.0.2條規(guī)定，高層建筑的防火設(shè)計(jì)，必須遵循“預(yù)防為主，消防結(jié)合”的消防工作方針，針對(duì)高層建筑發(fā)生火災(zāi)的特點(diǎn)，立足自防自救，采用可靠的防火措施，做到安全使用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。從消防的原則可以看出，對(duì)于超高層建筑更應(yīng)立足于自救，從超高層建筑火災(zāi)的危害和影響以及火災(zāi)的撲救難度考慮，更應(yīng)加強(qiáng)消防設(shè)施的設(shè)計(jì)。雖然沒(méi)有規(guī)范明確規(guī)定消火栓系統(tǒng)在超出消防車(chē)供水范圍之外的分區(qū)也需要設(shè)置水泵接合器，但是筆者建議此種情況也設(shè)置水泵接合器，以保證消防系統(tǒng)的安全可靠。
因此在消防車(chē)供水范圍之外的消防分區(qū)無(wú)論消火栓系統(tǒng)還是自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)均需設(shè)置水泵接合器。如何設(shè)置？首先要了解水泵接合器的作用。“高規(guī)”7.4.5條文說(shuō)明提出：水泵接合器的主要用途，是當(dāng)室內(nèi)消防水泵發(fā)生故障或遇大火室內(nèi)消防用水不足時(shí)，供消防車(chē)從室外消火栓取水，通過(guò)水泵接合器將水送到室內(nèi)消防給水管網(wǎng)，供滅火使用。一般消防水泵采用1用1備或2用1備，備用泵為電力泵，一般2臺(tái)水泵同時(shí)發(fā)生機(jī)械故障的概率較小，只有電力故障情況下2臺(tái)水泵均不會(huì)投入工作，因此建議設(shè)置柴油泵作為消防系統(tǒng)的備用泵，以避免在電力故障時(shí)消防加壓泵不能工作。采用柴油泵作為備用泵時(shí)，一般設(shè)計(jì)人員都會(huì)考慮柴油泵所使用燃料的儲(chǔ)存和日常維護(hù)。柴油泵的國(guó)家制造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定柴油泵本身的油箱儲(chǔ)存燃料為柴油泵運(yùn)行3小時(shí)的燃料，因此不必要考慮另外再儲(chǔ)存燃料。柴油泵的日常維護(hù)很簡(jiǎn)單，可定期由物業(yè)檢查柴油泵的燃料是否充足，電瓶電量是否足夠，定期啟動(dòng)柴油泵檢查其運(yùn)行情況。對(duì)于超高層建筑的消防系統(tǒng)，為節(jié)省投資，在消防車(chē)供水范圍內(nèi)的消防分區(qū)的消防加壓泵采用電力泵作為備用，在消防車(chē)供水范圍之外的消防加壓泵設(shè)置柴油泵作為備用泵。在超高層建筑消防車(chē)供水范圍之外的火災(zāi)發(fā)生且室內(nèi)用水量不足時(shí)，首先由消防車(chē)在室外消火栓取水加壓送水至中間轉(zhuǎn)輸水箱，再由消防加壓泵加壓供水滅火，如此電力泵發(fā)生故障，則柴油泵即可投入滅火工作。以上措施可解決高區(qū)水泵接合器的設(shè)置問(wèn)題，保證消防安全。
