超高层建筑给排水中的几个问题

超高层建筑给排水设计中几个问题的思考
供水方式的选择
　　重力供水和变频供水的节能性在学术界存在较大的分歧，目前为止没有国家性的法规及权威资料表明哪种供水方式更有利于节能。就笔者所参与的几个项目，笔者认为办公楼采用变频供水更为合理。首先超高层建筑大概每隔15层会设置一个避难层兼设备层，可利用第一个避难层以及每隔一个避难层设置中间转输水箱，每两个避难层中间楼层分为一个大区采用一组变频泵加压供水，每个大区再采用减压阀分为两个小区，二转输水泵采用液位控制启停的工频泵，这样基本上只用在第一个避难层及第三个避难层设置中间转输水箱，有效减少机房占用面积。此外，采用上述系统给水设备及管材最大承压为一、三避难层中间的高度，系统承压不会超过2MPa，目前的技术及设备承受此压力还是比较安全的，另外一方面由于办公楼的用水量较小，时变化系数为1.5，在变频加压水泵的选型上采用一个流量分配采用100%-50%-100%，其中最后一个100%为备用，其水泵的出水量基本可以和系统的用水量相吻合，同时转输水泵采用工频泵，可以保证各水泵在高效区运行，达到变频节能的目的，并相应减少了机房的面积以及二次污染的几率。
　　对于酒店，由于其对压力的稳定性要求较高，为避免变频加压供水出现的用水忽冷忽热，酒店采用屋顶水箱重力供水更加合理。对于屋顶水箱二次污染问题，酒店一般有比较完善的物业管理，同时屋顶水箱设置为2个，可定时冲洗，并且酒店为24小时用水，水箱里的储水可得到及时更新，有效避免出现二次污染。此外，酒店建筑的用水特点是用水变化比较大，时变化系数为2~2.5，如采用变频给水其水泵配置很难与用水曲线吻合，因此水泵不能保证在高效区运行，从而造成效率下降，能源浪费。因此酒店建筑的超高层建筑建议采用屋顶水箱重力供水。
中间转输水箱的计算
　　超高层建筑中间转输水箱包括消防转输水箱和生活转输水箱两部分。消防的中间转输水箱在《全国民用建筑工程设计技术措施 给水排水》（2003年）中规定：“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消防给水屋顶水箱的作用，其储水容积按15~30min的消防设计水量经计算确定，并不宜小于60m3。”假如超高层建筑消火栓用水量为40L/s，自动喷水用水量为30 L/s，则中间转输水箱的容积=（40+30）*10*60+（40+30）*5*60=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把有可能在火灾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。而对于生活给水系统，《建筑给水排水设计规范》（GB50015——2003）3.7.8条规定：生活给水用中途转输水箱转输调节容积宜取5~10min转输水泵的流量。作为生活给水系统的转输水箱，其作用有两个：一为上区加压水泵的吸水井，此部分水量为上区水泵3~5min的出水量；二为下去转输泵的调节容积，即为保证初级水泵每小时启动次数不大于6次的调节水量，此部分水量为转输水泵5~10min的出水量，如上区水泵的流量为8 L/s，转输水泵的流量也为8 L/s，则转输水箱容积=8*5*60+8*10*60=7200（L）。此为采用变频供水系统时的计算方法。如系统为重力供水系统，则中间转输水箱作为上区水泵的吸水井外，还需有储存本区用水的调节容积，一般此部分调节容积按水箱重力供水服务区域最大时用水的50%计，两部分叠加计算为重力供水系统中间转输水箱的容积。
排水系统中势能的消除
　　由建筑高度引起的势能如何消除？水流从300米多高处下落，对排水管系是否造成破坏，水流的冲击是否破坏较低层的水封？要解决这些困扰问题需从排水管系中的水流状态分析入手。
　　排水立管中的水流是断续、非均匀的，带有空气，下落时是水气混合的两相不稳定流，流量时大时小，满流与非满流交替。立管中水流的具体变化过程为附壁螺旋流→水膜流→等速水膜流→柱塞流，而对排水管系造成破坏的水流状态为柱塞流。如立管中的水流状态为柱塞流而其中的气流又不足以破坏水塞时，水塞造成有压冲击流，在其运动的前端为大于大气压的正压，后端为小于大气压的负压，随着水塞得下落，管中的气压发生激烈变化，会形成正压喷溅或负压抽吸，对排水管系中卫生器具水封层的稳定产生严重影响，导致排水管道系统不能正常工作，
　　要保证排水管系安全可靠和经济合理，首先要保证排水立管中的水流不形成柱塞流，应维持在等速水膜流，这就需要进行严格水力计算，控制立管设计流量的负荷极限值为在等速水膜流状态下达到终限流速时的流量；此外在排水立管中采取一些消能措施，减小水流的下降速度，避免由于水流的冲击对管系造成，试验表明在立管上隔一定的距离设置“乙”字弯可以减小约50%的流速，工程中一般自顶层起每隔6层设置一套消能装置 ；另一保证排水管系安全的重要措施就是设置专用的通气立管与大气相通，从而释放排水管系中的正压以及补给空气减小负压，使管内的气压保持接近大气压力，保证立管内的空气流通，排除排水管道中的有害气体，保护卫生器具的水封，试验表明设置专用通气立管可使立管排水能力提高一倍。以上措施可以保证在超高层建筑排水系统设计时由于建筑高度引起的排水势能得到有效消除，保证系统安全。
雨水系统
　　由于降雨不可人为控制，雨水系统设计不安全对建筑尤其是超高层建筑的损害非常大，因此超高层建筑屋面雨水设计重现期的取值应慎重。《建筑给水排水设计规范》4.9.5条规定，重要公共建筑屋面雨水排水设计重现期不宜小于10年；4.9.9条规定，重要公共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。超高层监护不可能设置溢流口，建议屋面雨水的设计重现期取50年，同时按100年校核雨水系统的排水能力。
　　除了设计重现期的取值问题外，还有一个问题需要考虑。由于建筑高度很高，目前常用的65型、87型雨水斗设计流态为重力流但需要考虑排水压力，因此在选用雨水系统管材时需要考虑由于建筑高度引起的静压力，建议雨水管材在普通钢管压力范围内选用普通钢管，承压比较高的部分采用无缝钢管。超高层建筑屋面雨水排水采用纯重力流雨水系统是比较经济安全的，但重力流雨水斗的研制和标准图目前还在进行当中，没有成型的产品可供使用，目前还是按87型雨水斗系统设计。此外室内雨水排入的第一个室外检查井选用消能井，以防止由于排除管压力过高引起喷溅事故。
　　超高层建筑雨水系统还有一个不容忽视的问题——雨篷的雨水排水。雨篷的面积虽然不大，其雨水设计重现期可按5年取值，但是雨篷所截留的上方侧墙的面积（面积取值折减一半）远大于雨篷的面积，一般与远大于屋面的面积，因此雨篷的雨水排水量远比屋面的排水量大。由于雨篷面积小，雨水斗多，立管也多，并且雨篷是建筑专业的门面，因此建筑专业对雨水斗、立管的设置有诸多限制，而雨篷下面是人员的出入口，安全性十分重要，因此在配合此部分的设计时要妥善处理，首先要做到安全可靠再考虑美观因素。
水泵接合器的设置
　　《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-95，2005年版，以下简称“高规”）7.4.5.2条规定，消防给水为竖向分区供水时，在消防车供水压力范围内的分区，应分别设置水泵接合器。其条文说明明确提出：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。《自动喷水灭火系统设计规范》（GB50084-2001，2005年版，以下简称“喷规”）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。其条文说明提出：根据某些省市消防局的经验，规定在当地消防车供水能力接近极限的部位，设置接力设施。可以看出，根据“高规”，在消防车供水范围之外的消防分区，无论是消火栓系统还是自动喷水灭火系统，均可不再设置水泵接合器；但是根据“喷规”，在超出消防车供水范围之外的自动喷水灭火系统的消防分区需要设置接力设施。
　　根据上述规定首先可以得到一个结论，自动喷水灭火系统在消防车供水范围之外的分区也需要设置水泵接合器。那消火栓系统在消防车供水范围之外的消防分区是否有必要设置水泵接合器呢？“高规”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。从中可以看出，当建筑高度超过250m，目前的“高规”仅作为设计参考，所有的消防系统均需通过消防局组织的专题消防论证会论证。而“高规”1.0.2条规定，高层建筑的防火设计，必须遵循“预防为主，消防结合”的消防工作方针，针对高层建筑发生火灾的特点，立足自防自救，采用可靠的防火措施，做到安全使用、技术先进、经济合理。从消防的原则可以看出，对于超高层建筑更应立足于自救，从超高层建筑火灾的危害和影响以及火灾的扑救难度考虑，更应加强消防设施的设计。虽然没有规范明确规定消火栓系统在超出消防车供水范围之外的分区也需要设置水泵接合器，但是笔者建议此种情况也设置水泵接合器，以保证消防系统的安全可靠。
　　因此在消防车供水范围之外的消防分区无论消火栓系统还是自动喷水灭火系统均需设置水泵接合器。如何设置？首先要了解水泵接合器的作用。“高规”7.4.5条文说明提出：水泵接合器的主要用途，是当室内消防水泵发生故障或遇大火室内消防用水不足时，供消防车从室外消火栓取水，通过水泵接合器将水送到室内消防给水管网，供灭火使用。一般消防水泵采用1用1备或2用1备，备用泵为电力泵，一般2台水泵同时发生机械故障的概率较小，只有电力故障情况下2台水泵均不会投入工作，因此建议设置柴油泵作为消防系统的备用泵，以避免在电力故障时消防加压泵不能工作。采用柴油泵作为备用泵时，一般设计人员都会考虑柴油泵所使用燃料的储存和日常维护。柴油泵的国家制造标准规定柴油泵本身的油箱储存燃料为柴油泵运行3小时的燃料，因此不必要考虑另外再储存燃料。柴油泵的日常维护很简单，可定期由物业检查柴油泵的燃料是否充足，电瓶电量是否足够，定期启动柴油泵检查其运行情况。对于超高层建筑的消防系统，为节省投资，在消防车供水范围内的消防分区的消防加压泵采用电力泵作为备用，在消防车供水范围之外的消防加压泵设置柴油泵作为备用泵。在超高层建筑消防车供水范围之外的火灾发生且室内用水量不足时，首先由消防车在室外消火栓取水加压送水至中间转输水箱，再由消防加压泵加压供水灭火，如此电力泵发生故障，则柴油泵即可投入灭火工作。以上措施可解决高区水泵接合器的设置问题，保证消防安全。