1、指挥部办公楼给排水设计方案分析董 峰 大庆油田海拉尔石油勘探开发指挥部2010 年 10 月2010 年地面研讨会优化简化组01优化简化组01目 录一、高层建筑给排水工程简介 21、高层建筑的定义 .22、给排水工程的特点 .33、易出现的问题 .3二、给水方案分析 31、给水方式 .32、方案分析 .53、水力计算 .5三、消防给水方案分析 61、高层建筑消防的特点 .62、给水方式 .6四、指挥部办公楼排水方案分析 71、排水管材的选比选 .72、通气管的设置 .93、水力计算 10五、结论及建议 .111、结论 112、建议 112指挥部办公楼给排水设计方案分析董 峰(大庆油田海拉尔石油
2、勘探开发指挥部规划设计中心)摘 要 高层建筑给水排水设计中的给水、消防和排水对各个用水点或整个系统的压力都有一定的范围要求。如何合理的解决这些符合范围要求的压力问题是高层建筑给水排水系统合理运行的关键。本文从高层建筑的给水方式、消防增压设备的具体应用以及各种通气立管在排水系统中的综合运用三个方面来阐述高层建筑给排水设计的压力问题。并 结合指挥部办公楼 给排水系统的设计， 对设计 方案的合理性进行分析， 总结合理的技术措施。主题词 高层建筑 给排水 消防 压力 增压设备 通气管高层建筑的给排水系统不同于低层的建筑，有其特有的特点，其中如何解决压力问题是设计的关键，对于不同形式、不同功能的建筑，在
3、设计上都有很大不同，本文对于指挥部办公楼给水、消防、排水三个系统进行方案合理性的分析，通过对不同的给排水方式进行对比，论证最适合办公楼的方案。一、高层建筑给排水工程简介1、高层建筑的定义按照高层建筑混凝土结构技术规程规定：10 层及 10 层以上或高度超过 28m的钢筋混凝土结构称为高层建筑结构。从防火要求方面考虑，按照民用建筑设计通则 、 高层民用建筑设计防火规范 ，将 10 层及 10 层以上的住宅建筑和高度超过 24m的公共建筑和综合性建筑划称为高层建筑，因此高层建筑定义为 10 层及 10 层以上的居住建筑， （包括首层设置商业服务网点的住宅）或建筑高度超过 24m（不包含单层主体建筑
4、超过 24m 的体育馆、会堂、剧院等）的公共建筑。2、给排水工程的特点（1）净水压力大高层建筑给水、消防系统静水压力大，管道及配件容易被破坏，因此供水必须进行合理的竖向分区，采取减压措施降低静水压力，保证系统的安全运行。（2）排水量大，管道长，管道压力波动大高层建筑的排水量大，管道长，管道压力波动大，为提高排水系统的排水能力，稳定管道压力，保护水封不被破坏，排水应设置专用通气管系统或采用新型单立管系统，排水管道应采用机械强度较高的材料，并采用柔性接口。（3）易产生振动和噪声高层建筑动力设备多，管线长，易产生震动和噪声，给排水必须考虑设备和管道的防震动和噪音的技术措施。3、易出现的问题（1）最低
5、处静水压力问题高层建筑中给水、消防系统最低点的静水压力大，管道及配件容易被破坏，例如最低点卫生器具的静水压力最大，可能导致用水时水花飞溅，使用舒适度降低，增加安全隐患。应采取减压措施，保证供水点的压力不超过要求。（2）最不利供水点静水压力问题高层建筑中，最不利供水点是系统中最高点，最高点的净水压力最低，如给水、消防在设计在最低点压力上都有要求，应采取合理的措施保证最不利供水点的压力。（3）排水高层建筑排水系统由于排水管道长，故卫生器具排水到底层排水压力大，容易使底层卫生器具发生排水喷溅，又由于卫生洁具的排水属于间断性排水，会使排水方向的前行管道系统产生气体的正压，水流下降的过程中，水流方向的后
6、续管道产生气体负压，形成抽吸，均可能使管道系统产生水的喷溅和水封水抽吸。二、办公楼给水方案分析1、给水方式高层建筑给水设计方式主要有高位水箱给水方式、气压罐给水方式、变频泵无水箱给水方式等。具体如下。（1）高位水箱给水方式高位水箱给水方式是较为普遍的一种给水方式，由底层的水泵将水送至屋顶水箱中，然后给整个楼供水。高位水箱给水方式主要由水池、水泵、高位水箱、配水管网组成。水箱的作用是贮水、稳压、调节水量，见图（a） 。（2）气压罐给水方式气压罐给水方式包括水泵和气压罐。气压罐为钢制密闭容器，供水时利用容器内空气的可压缩性存储和调节水量，并将罐内储水压送到建筑各供水点，见图（b） 。4（3）变频无
7、水箱给水方式变频无水箱给水方式是屋顶不设置水箱，由可调节水压和流量的变频泵为整个楼供水，在保持一定的压力下，根据用水量的变化随时调节泵的转速和排量。见图（c） 。（4）减压分区给水方式减压分区给水方式是在高位水箱给水方式基础上，将整个建筑用水量全部由底层的水泵提升至屋顶水箱，是然后经由设在各区的减压装置减压后将生活水送至各区的给水方式。避免直接水箱供给时产生的水锤影响。见图（d） 。（a） （b） （c） （d）以上四种供水方式各有利弊，具体分析见下表。给水方式比较表序号 给水方式 优点 缺点1 高位水箱给水1、 供水可靠、水压稳定2、 泵启动次数少，效率高3、 设备及运行费用低1、 水箱占用
8、建筑楼顶面积，增加荷载，增加结构复杂性，基建投资高2、 水质易污染3、 水箱进水时有震动和噪音4、 设备消耗能源较大2 气压罐给水1、 不设水箱，有效利用建筑面积、不增加荷载，结构简单，节省投资2、 水质不易受污染3、 便于集中管理，易实现自动控制1、 供水压力为一个范围，不稳定存在周期波动，储水和调节水量作用不明显，可靠性差2、 气压罐容积有限，储水少，泵启动频繁，降低泵效率和寿命3 变频无水箱给水 1、 不设水箱，有效利用建筑 1、 变频器价格较高面积、不增加荷载，结构简单，节省投资2、 全自动化调节，使用方便3、 便于集中管理，占地少4、 节能，保证设备运行可靠性，延长设备使用寿命2、
9、变频器易受干扰4 减压分区给水 同高位水箱给水方式 对减压装置要求较高，维护工作量大2、方案分析指挥部办公楼的供水设计采用的是分区恒压变频供水方式。由设置在动力站的 2组变频供水系统为楼内供水，1 组负责高区供水、1 组负责低区供水。具体分析如下。（1）如果采用水箱供给的方式，由于水箱供水压力有限，不能满足最不利供水点的压力要求，导致顶层供水量过小，尤其会影响热水器的使用。如果采用增加位差的方法来提高供水压力，则需增加水箱的位置高度，这样边破坏了建筑立面效果。（2）如果设置气压罐供水，一是气压罐供水压力不稳定，是一个范围，不能达到恒压供水，影响供水质量；二是泵机组启动频繁，影响使用寿命和效率；
10、三是气压罐体积大，占用空间大。（3）采用分区恒压变频供水，取消了屋顶水箱，不需对水箱进行定期清理，减少水质的二次污染，保证了水质；减少了结构荷载，减少了供水管道的长度，降低了结构复杂程度和施工难度，降低基建投资；可有效保证各层供水压力和供水量，提高供水质量。采取分区供水的形式是为了保证高层建筑供水的压力平衡，很容易满足最不利点和最高静水压力点的压力要求。3、水力计算办公部分给水设计秒流量计算公式：qg=0.2Ng 0.5+1.1(引自规范 GB50015-2003 中 3.6.5 公式) =1.5本设计采用延时自闭阀大便器，其给水当量以 0.5 计，有延时自闭阀大便器后的管段计算得到的流量附加
11、 1.10L/s。（1）高区给水设计秒流量为 3.72 升/秒 沿程水头损失=2019 毫米总水头损失=1.302019=262 米最不利点自由水头取 10 米，不可预见水头 5 米。6给水入口所需压力=45+2.62+10+5=62.62m 取 0.65Mpa（2）低区给水设计秒流量为 3.65 升/秒 沿程水头损失=2259 毫米总水头损失=1.302259=2.94 米最不利点自由水头取 10 米，不可预见水头 5 米。给水入口所需压力=21+2.94+10+5=38.94m 取 0.40Mpa根据压力选择变频泵额定压力分别为 0.4 Mpa 和 0.65Mpa。三、消防给水方案分析1、
12、高层建筑消防的特点（1）火势梦，蔓延快；（2）经济损失大，扑救难度大；（3）人员疏散困难。2、给水增压措施在高层建筑消防给水系统设计中，考虑到高位水箱设置过高不仅增加建筑立面处理难度，投资高且不利于抗震，所以，一般消防水箱设在电梯机房顶，不能满足最不利点消防用水的压力，因此必须设置增压措施。常用的有 4 种。（1）稳压泵增压稳压泵是一种小流量高扬程的水泵，设在屋顶水箱间，其作用是补充系统渗漏的水量，保持系统所需的压力。稳压泵主要是补充渗漏水量，一般流量按 1L/s。一旦初期火灾发生时，即使启动 1 支消火栓，流量也达到 5L/s，稳压泵就无法提供系统要求的压力和水量，无法满足高规要求。而任意增
13、大稳压泵的流量暂时会满足水量要求，但会导致稳压泵启动频繁，管网水击严重，还会使主消防泵迟迟无法启动，影响整个系统运行。（2）管道泵增压管道泵设于屋顶水箱间，火灾发生后，管道泵启动吸水加压后送至管网，与稳压泵相比，管道泵工作在在消火栓已经出水而消防水压不足的时候，提高了灭火的安全性，由于管道调节能力小，管道泵会频繁启停，因此对管道泵的质量要求很高。（3）气压罐增压气压罐相当于压力水箱，即可贮水又可维持系统所需压力，安装位置不受限制，并可以根据气压罐的压力控制自动启动消防泵，但是，由气压罐的工作原理可知，其有效贮水容积小，用它代替高位水箱 10min 用水量（12m 3）时，其容积必将很大，占用很
14、大空间，同时体积越大造价也越高。（4）变频调速恒压供水变频调速恒压供水是保证供水量的前提下，恒定在设计压力值的供水方式，通过变频达到节能效果，还可以节省屋顶水箱，该系统主要由主消防泵、稳压泵、气压罐、变频调速控制器，该系统能实现消防主泵的软启动，可以防止消防管网超压。但国内的变频装置产品质量不稳定，使用进口变频器的价格昂贵，维修管理也不方便，另外，消防给水具有偶然性和突发性，节能效果不明显。一般变频给水应用在生活给水系统上。3、办公楼消防给水设计方案分析办公楼消防给水系统采用的是临时高压给水系统，屋顶设消防水箱，增压设备采用稳压泵和小气压罐组合的增压方式，这种增压方式是由屋顶水箱担负初期火灾
15、10min的消防水量（12m 3） ，避免了单独使用气压罐而导致体积太大的缺陷，采用小气压罐（0.3m 3） ，能够满足 10-30s 时间内的消防水量和压力，保证了主泵的启动时间，还可以避免稳压泵的频繁启动，保证管网的压力和水量，避免了单独使用稳压泵而导致的无法满足用水压力和水量的缺点。这种联合增压系统比任何单一增压系统具有明显的安全性、经济性、可靠性。4、消防给水计算室外消火栓系统用水量: 20L/s，室内消火栓用水量：20L/s室内消火栓系统为环状，室内消火栓选用 SN65 型消火栓，消火栓的栓口直径为65mm，水枪充实水柱为 10m，水带长度为 25m，水枪喷嘴口径为 19mm，消火栓
16、实际流量为 4.6L/s。消防管网水头损失计算：流量(L/s)管径(mm)流速(m/s)i(mmH2O/m)长度(m) 水损(m)20 DN150 1.18 18.1 180 3.2610 DN100 1.15 26.9 40.5 1.09消火栓入口所需压力：1、h q=qx2/B=52/1.577=15.85m，h q=A ldqx2=0.001722552=1.075m栓口最低水压=15.85+1.075+2=18.925，管网的水头损失：4.351.2=5.22m8水带的水头损失：3m，消火栓入口需压力： 3+18.925+5.22+50=77.15m 消火栓入口所需压力取 0.80MP
17、a，一层五层消火栓使用 20mm 减压孔板减压。四、排水方案分析办公楼采用污、废水为合流制双管式排水系统，一层及以上污水自流排至室外，经化粪池处理后排入市政排水管网。排水管道采用机制铸铁管，柔性卡箍连接，通气方式采用专用通气立管。高层建筑排水的主要存在排水管的排水能力及产生的压力波动和噪音问题。下面针对管材和通气方式的选用做详细分析。1、排水管材的比选目前国家建委推荐常用的新型排水管材主要有 UPVC 排水管、UPVC 螺旋排水管、机制铸铁管三种。（1）UPVC 塑料管UPVC 塑料管指未加增塑剂的聚氯乙烯管，管材和管件的连接方式一般采用承插口粘结，具有良好的耐腐蚀性，质量轻，安装也方便，过水
18、能力是普通铸铁管的 1.26 倍，造价也较低，但强度不如铸铁管，膨胀和收缩的变化较大，约为铸铁管的 6-8 倍，安装上需要伸缩节，过水产生的噪音较高，比普通铸铁管高 4-6 分贝。（2）UPVC 螺旋管UPVC 螺旋排水管与普通 UPVC 排水管性能基本相同。主要是结构有所不同，一是管道内壁有与管一起加工成型的数条三角形螺旋肋，起导流作用，使水流形成较稳定密室的水膜旋流，降低了压力波动，改善了通气效果，可以节省与立管配套的专用通气管道，节省投资；二是管件不同，即横支管与立管连接使用侧向进水专用三通或四通管件，专用管件可少用或不用伸缩节，安装方便；三是排水噪音要稍低于普通 UPVC 排水管，比普
19、通 UPVC 排水管低 5-7 分贝，起到一定消音作用。（3）柔性连接机制铸铁管机制铸铁管是采用卡箍式或承插式连接、采用离心浇注工艺生产的柔性接口铸铁排水管。目前卡箍式离心铸铁管较受欢迎，主要有无承口离心铸铁管、无承口管道配件、不锈钢卡箍、橡胶密封圈 4 部分组成。高层建筑一般受风荷载较大，由于风力、地震等因素引起结构的层间位移，管道都会随之变形，采用柔性连接可避免变形引起的接口破裂、漏水；卡箍式连接施工方便，占地小，管道可以用多长截多长，节省管材。在防火性能、抗震性能、抗伸缩性能方面要优于塑料管；在过水能力方面，机制管内壁光滑，要优于传统的铸铁排水管，和塑料管相差无几；在降低噪声方面，由于机
20、制铸铁管质量比塑料管大，更难引起震动，柔性连接更有效减少了震动的传递，所以在降低噪声性能方面是所有管材中最好的。管材的比较情况序号 管材类型 特点 投资（元/米） 备注1 UPVC 管优点：耐腐蚀、质量轻、过水能力好、安装容易缺点：线膨胀系数大、伸缩节设置多易漏水，噪音大、强度低、防火性差43（DN100）2 UPVC 螺旋管优点：对于高层，不需要专用通气立管，节省材料，降噪能力及过水能力较普通 UPVC 管稍有改善缺点：同上47（DN100）3 机制铸铁管优点：防火、抗震、抗变形能力强，强度高耐久性好，噪音低缺点：质量大、价格较高、过水能力不如螺旋管70（DN100）从以上的比较可以看出，从
21、经济性、适用性两方面考虑，UPVC 螺旋管排水管材更合理一些，也较适用于高层建筑。结合指挥部办公楼的排水设计，以 PL-3 为例，最大立管排水当量 4.62L/s，如果采用螺旋管排水，仅需要一根主立管就能达到 6L/s，而按照设计采用铸铁管，则需要增加 1 根通气管才能满足过水量，增加了管线的用量。但是办公楼内只有公共卫生间的排水设置了通气立管，增加了 2 根通气立管，在管道材料和安装费用上只增加 7.01万元。铸铁管虽然一次性投资较塑料管高，但对于整个建筑的投资来说只占了非常小的比例，考虑到指挥部办公楼为高层办公建筑，从抗震性、防火性、安全性、降低噪音能力来看，还是首选机制铸铁管，塑料管是无
22、法比拟的。2、通气管的设置国内外高层建筑排水采用的常用通气方式有三种，即专用通气、环形通气和器具通气。这三种通气方式为排水系统合流制时通气系统的基本形式。（1）专用通气立管系统由专用通气立管、伸顶通气管、和结合通气管组成。专用通气立管是为平衡排水10立管内的正负气压设置的通气立管，达到排水负荷的要求。专用通气立管与排水管并列设置和连通，可使整个系统空气进行循环，这种方式对于高层建筑排水横支管承接少量卫生器具时，能起到很好的保护水封的作用。见图（a） 。（2）环形通气系统由环形通气管、主通气立管、伸顶通气管、和结合通气管组成。环形通气管是连接于横支管与主通气立管之间的通气管道，对连接较多卫生器具
23、或超过允许符合的横支管进行通气。一般用于公共卫生间和盥洗室等地方。见图（b） 。（3）器具通气系统由器具通气管、主通气立管、伸顶通气管、和结合通气管组成。器具通气管是指自卫生器具存水弯出口端接出，在高于卫生器具上边沿一定高度处与主通气立管连接的起透气效果最好，也称“小透气” ，一般用于标准较高的高层饭店、宾馆中。见图（c） 。（a） （b） （c） 办公楼公共卫生间排水每个横支管最多连接 4 个卫生器具，承接较少，且横支管长度短，针对这种情况，通过以上分析，宜采用专用通气立管，这样即达到了通气要求，也使管线数量最少，最为合理。3、水力计算排水设计秒流量计算公式：q=0.12Np 1/2+Qma
24、x =2.0 （1）排水立管的确定以 PL-3 为例，最大立管排水当量： (20.3+30.3+21.0034.5)10=170q=0.122.01701/2+1.5=4.62L/s设专用通气管 DN100 的铸铁排水立管排水能力为 9L/s4.62L/s。立管管径 DN150能够满足要求。（2）排水横干管的确定排水横干管最大排水当量：(40.3+30.3+2 1.0064.5)10=311q=0.122.03111/2+1.5=5.73L/sDN150 的铸铁排水横干管，当 i=0.010 h/d=0.6 时排水能力为 10.10L /s 5.73L/s，排水横干管管径为 DN150 符合要求。五、结论1、高层建筑采用分区恒压变频供水，取消了屋顶水箱，不但保证了水质、减少了结构荷载，降低基建投资，而且可有效保证各层供水压力和供水量。2、考虑高层建筑消防的特殊性，采取消防水箱、稳压泵、小气压罐组合的增压方式，比任何单一增压系统具有明显的安全性、经济性、可靠性。3、选择铸铁管做为指挥部办公楼排水管线是合理的，同时设置专用通气立管，达到了通气要求，也使管线数量最少，最为合理。12作者简介 董 峰，男，1981 年生，助理工程师。2003 年毕业于黑龙江科技学院工民建专业，现在海拉尔石油勘探开发指挥部规划设计中心土建室从事矿区建设工作。电话：0459- Email：h_。
