设计超高层建筑给水论文

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1超高层建筑的特点

对给排水设计而言，超高层建筑具有高度高，业态多样复杂，人员密集，火灾危险性大，疏散及火灾扑救困难，建设周期长、难度大，生活及消防给水系统竖向分区多，设备运行及管道系统承压要求高以及各系统管理维护难度大等特点。超高层建筑的给排水系统应根据建筑高度、用途、卫生安全、使用要求、材料设备性能、维护管理、经济节能等因素确定。

2生活给水系统

《民用建筑设计通则》（GB50352-2005）第3.1.2条对超高层建筑的定义做了明确规定：“建筑高度大于100m的民用建筑为超高层建筑。”对生活给水系统而言，100m的建筑高度并非划分系统的一个界限。高度接近100m的高层建筑与高度150m以内的超高层建筑在给排水系统设计上是类似的。而100m左右的超高层与200m或以上的超高层在给排水设计上则可能有很大不同。《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-952005年版）第1.0.5条规定：“当高层建筑的建筑高度超过250m时，建筑设计采取的特殊防火措施，应提交国家消防主管部门组织专题研究论证。超高层建筑可能是功能单一的住宅楼、办公楼，也可能是含有多种功能的带裙房的综合建筑群。根据不同的场所，我国的生活用水大致分为居民用水、行政事业用水、经营服务用水、特种行业用水等。设计应根据当地供水部门按不同的用水分类制定的收费标准，设置不同的给水系统，同时确定各个给水系统的供水方式。《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003（2009年版）（以下简称“建规）第3.3.6条：“建筑高度超过100m的建筑，宜采用垂直串联供水方式”。对不同功能或多功能组合的超高层建筑，应视具体情况具体分析，选择最合理的供水方式。建筑生活给水系统应按不同性质的用水区域分别设置。例一：某公寓楼共61层，8层及以下为汽车库及商业用途的裙房，建筑高度209m。生活给水分区如下：1区为－3～2层，由市政给水管网供水；2区为3～13层，由地下二层生活水箱+2区变频泵供水；3区为9～14层，由地下二层生活水箱+3区变频泵供水；4区为15～22层，由设在29层的中间水箱供水；5区为23～38层，由设在29层的中间水箱+5区变频泵供水；6区为39～51层，由设在29层的中间水箱+6区变频泵供水；7区为52～61层，由设在29层的中间水箱+7区变频泵供水。“建规”第3.3.4条规定：“卫生器具给水配件所承受的最大工作压力不得大于0.6MPa”；“建规”第3.3.5A条规定：“居住建筑入户管给水压力不应大于0.35MPa”。据此，给水压力大于0.45MPa的裙楼卫生间给水管，给水压力大于0.35MPa的塔楼入户管均设减压阀减压供水。本案所选供水方式主要考虑以下几点：⑴3～7区系统均为垂直串联供水方式；设在29层的中间水箱既作为4区的供水调节水箱，又作为5～7区水泵的取水水箱，担负了调节和转输双重功能。⑵向3～7区供水的中间水箱和变频泵则集中设置在28、29层，这样，既便于集中管理，又节省供水设备占用的空间。⑶各给水分区的管道及设备运行工作压力均小于1.6MPa，生活给水系统所选用的管材及设备的耐压等级与100m以下的高层建筑没有区别，供水可靠性高。例二：某住宅小区工程一期含4栋45层超高层纯住宅楼，层高为3.4m（1#、2#楼）及3.5m（3#、4#楼），建筑高度157m（1#、2#楼）及163m（3#、4#楼）。竖向设四个给水分区：1区负责地下二层及地上一层，2区负责二～十八层，3区负责十九～三十三层，4区负责三十四～四十五层。1区由市政管网经基地环状管供水；2～4区由生活水箱+变频供水设备联合供水。2～4每个给水分区设一组变频供水设备。各给水分区配水点水压如超出0.35MPa，则设减压阀减压供水。选择此种供水方式是考虑了以下因素：⑴变频供水较屋顶水箱的供水方式卫生条件好。⑵变频供水设备设在地下二层，对住户影响小。⑶供水泵组所负担的住宅层数受给水器具的承压能力的限制。“建规”第3.3.4条规定：“卫生器具给水配件所承受的最大工作压力不得大于0.6MPa”。⑷由于本工程无设备层，因此不具备串联给水方式实施条件。事实上超高层住宅项目，考虑设备层需占用一定建筑空间以及设备运行产生的噪音及震动对住户的影响，一般都不设。如何在没有设备层的超高层建筑中采用串联给水方式是一个尚待研究的课题。

3消防给水系统

3.1室内消火栓系统

对于不设设备层或避难层的超高层建筑而言，基于《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95（2005年)（以下简称“高规”）第7.4.6.5条“消火栓栓口的静水压力不应大于1.00MPa，当大于1.00MPa时，应采取分区给水系统”的规定，其消火栓系统大多采用临时高压给水系统的供水方式。超高层建筑消火栓系统，一般采用水泵、减压水箱及减压阀进行分区。用水泵分区是指每个分区分别设置消防泵，即并联系统。出于经济及减压阀产品功能质量不断提高的因素考虑，减压阀用于消火栓系统分区越来越广泛。民用专用消防泵的扬程一般都不大于2.0MPa。以61层的公寓楼为例，消火栓系统分区：-2～8层为1区，9～31层为2区，32～45层为3区，46～61层为4区。1区和2区分别由设在18层和38层的消防减压水箱供水；3区由屋顶消防水箱供水；4区由屋顶的消防水箱+固定消防水泵供水。屋顶2座342m3消防水箱由29层的中间水箱+7区变频泵供水；18层和38层的消防减压水箱由屋顶消防水箱供水。1、2、3区均属常高压给水系统，4区属临时高压给水系统。这样分区的优点在于：火灾发生时，1、2、3区由屋顶消防水箱直接或通过减压水箱供水，不需启动水泵，对控制系统要求不高；此外，消火栓泵扬程不至于过大，管道及设备的耐压等级也不会过高。它的不利因素是，需设中间设备层，设备分散，管理不便，设备运行产生的震动及噪音可能让生活和工作在建筑里的人感觉不适。以45层住宅楼为例，消火栓系统分区：地下层及1～19层为低区，由低区消火栓泵供水；20～45层为高区，由高区消火栓泵供水。其中高区的20～35层经减压阀减压供水。这样分区的优点在于管路和控制系统简单，所占管井较少，不需要占用设备层，但对减压阀的质量要求较高，减压阀需备用；此外，由于高区系统的几何高差接近170m（自地下二层底板面计），下部管道及设备的工作压力超过2.00MPa，对管材及设备的承压要求高，影响系统的可靠性。本案的消火栓系统均为临时高压给水系统供水方式。

3.2自动喷水灭火系统

“高规”第7.6.1条规定，建筑高度超过100m的建筑均应设自动喷水灭火系统。“喷规”第6.2.3.1条规定：“湿式系统及预作用系统一个报警阀组所控制的喷头数不宜超过800个，干式报警阀组所控制的喷头数不宜超过500个”，第6.2.4条规定：“每个报警阀组供水的最高与最低位置的喷头高差不大于50m”。自动喷水灭火系统的给水分区，除应考虑各系统配水管道工作压力符合《自动喷水灭火系统设计规范》GB50084-2001(2005年版)(以下简称“喷规”）第8.0.1条规定的“配水管道的工作压力不应大于1.20MPa”外，还要考虑在满足喷头需要工作压力的前提下，配水管入口的工作压力又不宜超过0.40MPa，以及每个报警阀所负担的楼层，并考虑使分区与生活给水系统及消火栓给水系统相适应，以避免横管过于分散。对于超高层建筑，按上述条件所确定的竖向分区最少也需要3个。由于报警阀的工作压力一般都不大于1.60MPa，且每个报警阀后都需要单独的立管，这就会在设计上给管路的排列及报警阀的设置带来限制。在无设备层的超高层居住建筑中应考虑报警阀的位置。以61层的公寓楼为例，自动喷水灭火系统分区如下：-3～8层为1区，9～21层为2区，22～41层为3区，42～61层为4区。由1区和2区分别由设在18层和38层的消防减压水箱供水；3区由屋顶消防水箱供水；4区由屋顶的消防水箱+固定消防水泵供水。18层和38层的消防减压水箱及屋顶消防水箱，与消火栓系统合用。这样分区的优点在于：火灾发生时，1、2、3区由屋顶消防水箱直接或通过减压水箱供水，不须启动水泵，控制系统简单。在以上4个分区系统中，对工作压力大于1.20MPa的配水管道及工作压力超过0.40MPa的配水管，采用用减压阀减压。以45层住宅楼为例，自动喷水灭火系统分区如下：-2～10层为1区，11～22层为2区，23～34层为3区，35～45层为4区。1、2区及3、4区分别合用一组固定式消防水泵，1、3区系统经水泵加压供水并经减压阀减压后供水。在大于0.40MPa的各区配水管入口均设减压孔板减压。这样分区的主要优点是，不需要在上部楼层中设设备层；缺点是3、4区系统对管道及设备的承压要求高，影响系统的可靠性。

4污废水系统

“建规”第4.4.11条：表4.4.11注：排水层数在15层以上时，排水能力宜乘以0.9；“建规”第4.6.2条：建筑标准要求高的公共建筑、10层及10层以上高层建筑应设置通气立管，或设置特殊配件单立管排水系统。基于改善排水条件，提高排水能力方面考虑，应采用双立管排水系统，或采用设置特殊配件的单立管排水系统，对标准高的或环境要求安静的建筑及部位，宜设置环形通气管或器具通气管。

5屋面雨水系统

建规”第4.5.5条：重要公共建筑屋面雨水排水设计重现期不宜小于10年；“建规”4.9.9条：重要公共建筑、高层建筑的屋面雨水排水工程与溢流设施的总排水能力不应小于50年重现期的雨水量。设计重现期：雨水系统如果设计不当，会留下安全隐患。因此，超高层建筑屋面雨水设计重现期的取值应慎重。屋面溢流设施：基于安全及美观要求考虑，超高层建筑不宜设置溢流口。如屋面雨水的设计重现期取50年，则屋面无需设置溢流设施。雨篷：雨篷是建筑专业的门面，雨篷面积虽然不大，但其所截留的雨水还包括上方侧墙的面积，虽然侧墙面积按一半计算，但仍远大于雨篷自身的面积，也可能大于屋面的面积。因此，雨篷的雨水排水量可能比屋面的排水量大。雨篷如果设置过多的雨水斗及立管，会受到建筑专业的诸多限制，而雨篷下方往往是人员的出入口，安全性十分重要，因此，在设计时一定要妥善处理。首先要做到安全可靠，其次考虑美观因素。雨水立管排出管：室内雨水立管排出管管径宜放大1～2号，第一个检查井宜选用消能井，以防止由于排出管压力过高引起喷溅事故。

6中间转输水箱

6.1生活中间转输水箱容积计算

《全国民用建筑工程设计技术措施给水排水》(2009年)（以下简称“技术措施”）要求，生活给水系统采用串联供水方式时，如中间转输水箱除供本区用水外，还供上区提升泵抽水用时，该水箱的有效容积为本区最大小时用水量的50%加上上区提升泵3~5min设计流量。若为中途转输专用时，“建规”第3.7.8条规定，生活用水中途转输水箱的转输调节容积宜取转输水泵5～10min的流量。

6.2消防中间转输水箱

“技术措施”规定，当采用水泵转输串联时，中间转输水箱同时起着上区输水泵的吸水池和本区屋顶消防水箱的作用，其储水有效容积按15~30min消防水量计算，并不宜小于60m3。计算举例：消火栓用水量40L/s，自动喷水用水量30L/s，则中间转输水箱的容积=(40+30)1060+(40+30)560=63000(L)，其中10min水量为本区屋顶消防水箱的水量，5min为上区水泵吸水池的水量。如还有其他水消防系统，则应将火灾发生时时同时启动的消防系统的水量叠加计算，作为中间转输水箱容积。上海市地方标准《民用建筑水灭火系统设计规程》规定：当建筑高度大于120m时，消防给水竖向分区宜采用多台消防泵直接串联或设中间水箱转输的串联消防泵给水系统。采用中间水箱转输的串联消防泵给水系统，其消防转输泵应独立设置，且不应少于2台；室内消火栓给水系统和自动喷水灭火系统的消防转输泵应分别设置，但备用泵可以兼用；消防转输泵的供电应符合消防泵的供电要求。。转输给水管不应小于2条。上海市地方标准《民用建筑水灭火系统设计规程》规定：各区重力消防水箱的数量不应少于2个，且每个水箱的有效容积不应小于100m3。

7给排水系统噪声控制

各类建筑物或场所的允许噪声级，在《民用建筑隔声设计规范》（GB50118-2010）中有详细的规定。由于超高层建筑多为高级写字楼及高标准的旅店和住宅，因此，其对允许噪声级的要求更高。超高层建筑给排水系统主要包括生活、消防的给水系统、热水系统、污水系统、雨水系统、水景等。这些系统产生的噪声来源主要有：水泵机械性等综合噪声、管道及器具噪声、水锤噪声及气蚀噪声。超高层建筑给排水系统产生的噪声控制，在设计上，应做到科学合理布局，措施到位，注重细节。以下是降低或减少建筑给排水系统噪声的主要措施。

7.1水泵房：

①泵房选址应尽量远离要求环境安静的场所。

②选择低噪音、低转速的水泵；每台水泵均设置独立的基础，水泵与基础连接采用弹簧隔振器。

③水泵进出水管设可曲绕接头，可隔绝泵组通过管道传递震动转速。

④管道采用弹性支吊架；管道穿楼板、墙处用柔性材料填充孔洞与管道间空隙，可有效降低固体传声。

⑤泵房内墙体及天花采取隔音吸音处理。

⑥采用隔音效果好的门、窗，消除声音传播的途径。

7.2管道及器具：

①流速过快会引起金属管道震动产生噪声，尤其是管道转弯处因弯曲震动产生的噪声非常明显，故在管道转弯处设置有效的固定支架和减震支架是十分重要的，同时适当放大管道管径，以控制管道流速不致过大。

②排水管采用隔声效果好的柔性接口铸铁排水管，并采用双立管排水系统，在有条件的情况下，设置环形通气管或器具通气管，这样可稳定排水管内气压，从而改善排水条件，降低排水噪声。排水立管不宜布置在与卧室或要求安静的房间相邻的内墙。

③器具及阀门宜采用节水消音型产品，不宜采用快速启闭的阀门、水嘴。

④高扬程水泵宜采用缓闭式消音止回阀、水锤消除器或安全泄压阀，防止停泵产生水锤和噪声。

⑤较大口径的水箱水力液位控制阀，其随水箱水位升降，时而开启向水箱注水，时而关闭。在向水箱放水时，如压力、流速过大，会产生较大的噪声，设计可采取降水压、减流速的措施，并对水箱进水管牢固固定，必要时水箱进水管采用淹没出流进水。

7.3气蚀噪声的控制

管网中的液体与气体，在一定压力和温度作用下形成气蚀。气蚀会对管道和设备造成水力冲击，从而产生噪声甚至损坏管道和设备。由于气体积聚在管道或设备中的相对高点及管网末端，故应在这些部位设置自动排气阀，水泵进水管异径管采用偏心异径管，以避免气蚀发生。此外，可调式减压阀的前后压差过大时，也会发生气蚀，并产生噪声，损坏阀件。“建规”规定，可调式减压阀的阀前与阀后的最大压差不宜大于0.40MPa，要求安静的场所不应大于0.30MPa。对于超高层建筑，无论是可调式还是比例式减压阀，其前后压差均应按不大于0.30MPa设计。

8管材及设备选择

因超高层建筑管路系统所承受压力及运行可靠性要求较高，要求的建筑使用寿命更长，故对管材及设备的选择要求更高。设计人员如果不重视，可能留下事故隐患。

8.1管材

①给水管给水管应优先使用具有足够强度的金属管，如厚壁镀锌钢管、无缝钢管、不锈钢管、铜管等，还可选用衬塑或涂塑金属管。塑料管因其强度不如金属管，且线性膨胀系数比金属的大很多，热胀冷缩使其在轴向方向上的变形量大。此外，其接口的耐压强度一般要比管材自身的强度低，因此，不建议使用塑料管，尤其在高压管道系统中应避免使用。管材的连接方式：焊接、法兰、沟槽等连接方式可以达到或超过管材本身的抗压强度，是高压管道连接优先考虑的方式。螺纹连接一般用于口径100以下较小的管道，其承压能力略低。

②排水管超高层建筑的排水管有多种选择。使用较多的有机制铸铁排水管及HDPE排水管等。PVC-U排水管因其本身强度稍差，如接口为粘接剂粘接，则易脱落，不建议采用。《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》GB50242-2002第5.3.1条规定：管道在做灌水试验时，灌水高度必须到每根立管上部的雨水斗。因此，在选用雨水系统管材时应考虑雨水管道由于建筑高度引起的静压力。雨水立管一般选择镀锌钢管、承压HDPE管，有条件或者明装时可选用不锈钢采用承压管。承压比较高的部分采用无缝钢管。

8.2给水设备

超高层建筑，给水系统如采用水泵分区的并联供水方式，上部给水系统的给水设备工作压力，通常都大于1.60MPa，而国内厂家生产的给水设备工作压力一般都不超过1.60MPa，因此，应在设计阶段确定若干家合适的设备厂家，供业主选择。如果系统没有设安全泄流装置，应采取防水锤措施。工作压力大于1.60MPa的给水设备，其对产品品质，如设备材质及生产工艺，要比常压给水设备要求更高。对此，应引起设计者的重视。

8.3阀门

超高层建筑给水系统采用的阀门，其材质，阀芯宜用全铜或不锈钢，阀体宜用球墨铸铁、全铜、不锈钢或铸钢，确保产品具有更高的可靠性。需要设计人员注意的是，有些种类的阀门，不是你想要的压力等级，厂家都能提供的。以上述某住宅小区为例，自动喷水灭火系统的3区和4区的湿式报警阀原设计设在地下室，报警阀设计公称压力2.10MPa。在施工阶段，施工单位反映，2.10MPa或更高压力等级的湿式报警阀在市场上买不到。经了解，市场上只有公称压力1.20MPa及1.60MPa的产品，更高压力等级的产品市场上无货，也没有一家厂家愿意接受定制。最终只得变更设计，将3区、4区的报警阀分别改设在23层和36层管井内，湿式报警阀改为采用1.20MPa压力等级的。

8.4消防水泵接合器

室内消火栓系统及自动喷水灭火系统应设消防水泵接合器，消防给水系统竖向有分区的，在消防车供水压力范围内，应分别设消防水泵接合器。这是“高规”第7.4.5条的规定。其条文说明提出：只有采用串联给水方式时，上区用水由下区水箱抽水供给，可仅在下区设水泵接合器，供全楼使用。无论是消火栓系统还是自动喷水灭火系统，“高规”均没有要求在消防车供水范围之外的消防分区设置消防水泵接合器。但“喷规”第10.4.2条规定：当水泵接合器的供水能力不能满足最不利点处作用面积的流量和压力要求时，应采取增压措施。该规定无异于，对于自动喷水灭火系统，无论是否在消防车供水范围的分区，都应设置消防水泵接合器。对于并联消防给水系统，地方消防部门可能会要求在消防车供水范围之外的分区也设消防水泵接合器，并设接力设施。南宁华润中心幸福里一期工程，当地消防部门就要求，消防车供水范围之外的消火栓系统及自动喷水灭火系统的消防分区，也应设置消防水泵接合器，在其后设消防接力泵。设计应注意，由于市场上一般只能提供公称压力1.60MPa的消防水泵接合器，如果消防给水系统工作压力大于1.60MPa，而又在消防车供水压力范围内，则消防水泵接合器应当专门定制。

9系统减压措施

9.1给水系统

给水系统上的减压措施主要有减压水箱、减压阀、减压孔板、节流管、减压稳压消火栓、安全阀、泄压阀等。后三种主要起防超压的作用。因减压水箱需占用一定空间，一般较少采用，故采用减压阀分区的给水系统最多。减压阀有比例式和可调式的。可调式减压阀的压力调整范围一般不大于0.70MPa。对生活给水系统而言，管径大于DN50的管段一般采用先导式可调减压阀或比例式减压阀，小于等于DN50的管段一般采用直接式可调减压阀。消防给水系统宜采用比例式减压阀，并设置备用阀组（单个报警阀除外）。生活给水系统减压阀可不设备用阀组。如果不设备用减压阀，应保证减压阀失效时管道的压力不超过卫生器具的最大可承受压力。“建规”规定卫生器具的最大可承受压力不得大于0.60MPa。消火栓给水系统通常在动压大于0.50MPa的部位采用减压稳压消火栓。

9.2排水系统

在以往的实际工程中，有不少超高层乃至高层建筑在排水立管上设置了消能装置，即由下至上，从第6层起，每6层安装一组由配件或成品组成的消能装置，以达到消除排水立管中所谓由水流形成的过高的势能的作用。实际效果如何呢，我们先来分析一下排水立管中水流的流态情况。实验表明：排水立管中水流的流态大致分为以下几种：

①流量较小时，水流沿着管壁做螺旋运动，随着水量的增加，螺旋运动被破坏，当水量足够覆盖管壁时，螺旋流停止。水流附着管壁而作片状下落的附壁流。

②当流量继续增加到足够大时，由于空气的阻力和管壁的摩擦作用而形成水的隔膜运动，水膜运动开始后便以加速度下降，下降到一定的距离，当水流所受管壁摩擦力与其重力平衡时，便做匀速运动，水膜厚度不再变化。此时的速度即为水膜流的“终限流速”，自水流入口处至形成终限流速的距离称为“终限长度”。对于一定的管径,如果流量越大，其终限流速及终限长度也越大。

③当水量更大时,即水流充满立管断面的1/3以上时,水膜的形成更加频繁，以至容易变为较稳定的水塞运动。水塞的形成会引起立管内气压激烈的波动,容易破坏排水水封。在水膜流终限流速状态下计算出的流量为临界流量。而我国规范规定的临界流量值约为理论临界流量值的一半,已考虑了实际污水中带有大块杂质、出流实际不稳定及立管负压段对横管出流的强烈抽吸而造成的短时高峰流量等因素。有资料表明，对应于流量9L/s其流速4m/s时的终限长度值约为3m，即水流从支管出口流入立管后，大约经过一层楼的高度,便保持水膜层厚度和流速不变。因此，在规范规定的立管排水能力范围内设计时，立管水流在流经3m左右的距离处已达到终限流速状态，流速不再增加，故排水立管没有必要设置消能设施。但基于改善水力条件，提高立管排水能力，保护卫生器具的水封，同时保证立管内的空气流通，排除管道中的有害气体考虑，超高层建筑排水立管应设专用通气立管。

10结语

超高层建筑的给排水设计，应根据其区别于其他建筑的最显著特点——高度来进行。确定系统所考虑的因素包括建筑高度、建筑功能、建筑材料及设备、节能性、可靠性、安全性、施工的可能性、可维护性等。超高层给排水设计要求设计者熟悉相关建筑材料及设备特点，最大程度地发挥其性能优势。超高层建筑应该在各个方面都是和谐统一的。给排水设计应以安全、简洁、高效为继续努力的方向。

作者：刘宗秋 黄修齐 刘家金 符恩 王阳 单位：广西华蓝设计（集团）有限公司