建筑排水系統優化設計思路研究

摘 要：本文基于筆者多年從事建筑排水系統設計的相關工作經驗，以建筑排水系統優化設計為研究對象，論文首先分析了研究背景與意義，進而探討了排水系統優化設計的特點，在此基礎上，詳細闡述了排水系統優化設計的思路和方法，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：建筑排水系統 優化設計 雨水系統 污水系統

中圖分類號：TU2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（a）-0096-02

1 研究背景與意義

建筑排水發展至今，業內研究其設計理論及優化設計的文獻不多，從設計角度而言，有必要總結及研究建筑排水工程優化設計的相關問題。建筑排水設計從實質上說，是一種系統設計，有必要以系統工程的原理為基礎，對其優化設計進行深入研究。

系統工程作為一門獨立學科，應用日趨廣泛，最著名的應用是美國的曼哈頓計劃（原子彈研制）和阿波羅登月計劃。從二戰末期至今，其理論及實踐逐漸完善，形成許多分支，如經營管理系統工程、后勤系統工程、行政系統工程、科研系統工程、環境系統工程、軍事系統工程等。

系統工程是實現最優化的科學。用定量和定性相結合的系統思想和方法處理大型復雜系統的問題，無論是系統的設計或組織建立，還是系統的經營管理，都可以統一的看成是一類工程實踐，統稱為系統工程。系統工程是一門特殊的工程。一般的工程學，諸如建筑工程、機械工程、電子工程等都有其特定的工程物質為研究對象，而系統工程的對象，則不限定于某種特定的工程物質對象，不僅如此，它還包括自然系統、社會經濟、經營管理系統等非物質系統。鑒于系統工程處理的對象主要是信息，國外有學者將其視為一門“軟科學”。

在建筑排水設計、施工、運行和管理過程中，從業者總會希望盡量將工作做到最好，獲得好的社會與經濟效益。但最終出來的結果并不是都很理想，有的很好，有的很差，甚至有時結果與人們所預想相去甚遠。造成此種差別的原因有很多，關鍵的一點是從業者的經驗以及對優化方法的掌握程度。

從業者的經驗是實現工作效果優化的重要知識來源，也是實現工作優化的重要方法，但個人的經驗是有限的，遇到復雜的、綜合性的問題時，僅僅依靠以往的知識和經驗，難免考慮不周，存在局限性，是難于實現工作優化的。

社會經濟的發展，建筑行業的快速發展，催生了大量大體量、多功能、超高層建筑。這些建筑層數多、體積大、功能全、結構復雜，這就對其中的排水設計提出了越來越高的要求。建筑排水設計可視作一個系統工程。運用系統工程的理論，找到工程設計的最優方案，則是我們研究的目標。

2 排水系統優化設計的特點

排水工程的最優化設計，是運用系統分析原理和最優化技術設計出效率高、能耗低、費用少、可靠性適當的排水系統，這其中包含兩個方面的優化內容，一方面是滿意的系統結構，另一方面是滿意的系統參數。針對系統參數，目前國內已經開展了大量的優化方法研究，并且在前人研究的基礎上已形成了一定的經驗性數據，大大簡化設計過程，減少重復性勞動。關于系統結構，往往是在理論與實踐知識積累到一定程度后，由經驗豐富的工程師們對系統的結構進行整體把握，分析系統結構，并給出適應新情況的新型系統。

從來不會有相同的兩個項目，每個項目的問題都不會相同，沒有現成的教科書可以教學，只能從經驗中去總結一般規律，一般性方法，工程界流傳一句話“越老越值錢”。這值錢的關鍵就在于經驗豐富，針對新項目、新問題，不僅僅只是完成設計，而是要盡量做到目前技術水平下方案最合理，即最優化。相對常規設計，優化設計具有以下幾大優點：（1）找到滿意的參數與結構，使整體效能最佳，提高系統的效率，或降低投資和運行費用。（2）通過系統過程模擬，優化系統參數與結構，提高系統運行的可靠性和穩定性。（3）較好地實現系統的自動化運行及管理。（4）不斷尋求更優良的系統，促進新系統的形成，為缺乏工程經驗的人員作出優良工程設計提供有力的手段。

3 排水系統設計優化

3.1 污水排水系統

3.1.1 污水排水系統優化目標

室內排水系統主要用以排除建筑內部糞便污水和洗滌、洗浴廢水，排水立管及橫管的設計要求保證正常使用下能夠順暢排水，并防止衛生器具水封受到破壞而散發臭氣，影響室內環境衛生。建筑物內排水設施的設計和安裝的質量會對用戶的日常生活造成很大的影響，尤其是排水設計，像噪音問題、有害氣體從排水管進入室內、排水不暢等問題。在建筑排水系統設計中，如何做到將上述問題的影響減到最小，維護室內衛生，防止污染，使排水管道系統內氣壓穩定，保護水封不被破壞，維修方便，工程造價低，是排水系統設計的優化目標。

3.1.2 污水排水系統分析

室內生活排水系統分為污、廢分流制以及污、廢合流制。建筑物內排水系統采用何種排水形式，應根據所在城市室外排水制度、市政主管部門的要求及是否有利于綜合利用與處理要求來確定。如北京市、深圳市等建筑物的排水系統采用的是合流制（建筑物采用中水系統除外），而大連市建筑物的排水系統則采用分流制，生活廢水在化糞池后與糞便污水合并排入城市污水管網。“水規”第4.1.2條規定：建筑物內下列情況宜采用生活污水與生活廢水分流的排水系統：（1）建筑物使用性質對衛生標準要求較高時。（2）生活污水需經化糞池處理后才能排入市政管道時。（3）生活廢水需回收利用時。從提高建筑物的衛生標準來講，污、廢分流更合理，它可以減小化糞池的容積，提高化糞池的污水處理效果。但這樣會增加室內的排水立管以及室外檢查井的數量。

現各大城市均設有污水處理廠，針對有污水處理廠的情況下，是否需要設置化糞池，應具體情況具體分析對待。有城市污水處理廠還要設化糞池的目的是由于城市的快速發展，污水處理廠的建設不能適應城市建設的要求，污水處理構筑物處于超負荷的運轉，為減輕污水處理廠的負擔而設置化糞池。但有的地方出現過這樣的情況，因建筑單體或小區均設有化糞池，生活污水經化糞池處理排入市政管網后再進入污水處理廠進行處理，結果出現污水處理廠的反應池內微生物養料不夠，使污泥難以成熟，需要往里面投加糞便的情況。對于化糞池的設置，仍然存在一些需要探討的地方。

總之，選用何種排水系統，應根據排水性質、排水污染程度，結合室外排水體制和有利于綜合利用與處理的要求確定。

3.1.3 優化設計要點

解決排水系統問題，優化排水系統設計方案，可以采取的方法、手段很多，這其中有兩個方面需要特別注意。

（1）通氣管的設置：通氣技術的主要目的是提供排水中氣體的散逸，達到透氣的作用，防止排水系統中出現水封的負壓虹吸及正壓噴濺現象，確保空氣的循環，保持排水通暢、安靜。建筑排水系統可根據通氣方式分為伸頂通氣排水系統、雙立管排水系統、環形通氣排水系統和器具通氣排水系統四種。通常情況優先采用雙立管排水系統，即設置專用通氣立管。專用通氣立管有效增加立管的排水能力，平衡立管內的正負氣壓，減少氣塞現象，從而降低噪聲。設置何種通氣管，具體怎么設置，“水規”中有作為單獨的一節進行說明，可見通氣立管的設置正確與否直接影響到整個排水系統能否正常使用。

（2）排水管材：近年來，塑料管以其價格低、重量輕、安裝方便、水流阻力小等優點在室內排水工程種得到廣泛應用，已逐漸取代了傳統排水鑄鐵管，但塑料管水流噪聲大（比排水鑄鐵管高約10dB），易老化。在環境要求較高，對噪聲有嚴格限制的場所，則應采用柔性接口離心鑄造的排水鑄鐵管，或者選用噪聲小的塑料管，如U-PVC 螺旋管等。當然不同管材價格會有差異，可以根據建筑物功能以及檔次，對噪音的限制程度等來綜合確定。

3.2 雨水系統（如圖1）

3.2.1 雨水排放系統的分析

雨水排放方案的確定，首先要以安全目標為依據，做到一般暴雨不積水，特大暴雨、歷史上罕見的大暴雨，即使積水，也要在最短時間內退水。除了將雨水及時排放之外，現在越來越多的考慮將雨水進行滯留、儲蓄并加以回用，將雨水綜合利用起來，以創造資源節約型、環境友好型、雨水的綜合利用問題越來近年來雨水的綜合利用越來越受到重視，特別是隨著綠色建筑的發展，作為完成綠色建筑評價指標的一項重要措施，雨水綜合利用的研究在國內已經開展。

在實際設計時，應根據建筑物的類型、建筑結構形式、屋面面積大小、當地氣候條件及生產生活的要求，經過技術經濟比較來選擇排除方式。但是，隨著現代建筑日新月異的發展，建筑屋面形式多樣化，隨之也帶來了屋面雨水排水系統設計的問題。

（1）雨水排放系統的劃分。

雨水排放系統按照設計流態來分，分為重力流雨水系統和壓力流（虹吸式）雨水排放系統。

重力流雨水系統是國內工程實踐中通常采用的傳統排水系統，使用65型、87型雨水斗，流態為半有壓流。但重力流雨水系統在設計過程中存在一定的局限性，如懸吊管安裝要有一定的坡度、宜單斗單排、需要設置檢查口等，往往需要設置較多的雨水斗、較多的雨水立管及雨水出戶管，從而也出現較多的雨水檢查井及埋地雨水管道，因此為了達到設計效果可能會浪費寶貴的建筑面積和建筑空間。

虹吸雨水系統是近些年發展起來的新型雨水排放系統。這種系統設計建立在精確的計算模型基礎上，突出的優勢為流速高、管徑小，適合于對排水懸吊管、立管和出戶管管徑、數量有所限制的情況。在屋面形式方面，與重力系統相比，對于大面積平屋面且對建筑內部空間要求嚴格的場所，虹吸系統自身所要求的較小管道坡度恰好能與建筑功能要求取得一致。正因為虹吸雨水系統具有上述特點，現主要應用于大型屋面雨水排水，如機場、大型工業廠房及倉庫、體育館、會展中心、大型超級市場等。

（2）新型雨水排放系統。

近幾年，國內城市一遇暴雨，就陷入城市內澇的困境，有的城市被戲稱為“東方威尼斯”。每年的春夏兩季，各地進入汛期，一場暴雨就可以使整個城市陷入癱瘓，雖然采取了多項治理措施，先后投入大量資金進行治理河道、修建和改建排水設施，但城市內澇狀況并沒有得到太大的改善，在部分低洼地區經改造后得到改善的同時又有許多新的積水點出現。造成城市雨水內澇的原因很多，從生態學系統整體性原理來看，城市水環境系統是由自然循環系統和人工循環利用系統所組成。其中，城市人工循環利用系統由城市系統、排水和水處理系統組成。人類活動，不斷地擴大其干預自然循環系統的范圍，卻忽視了對整個城市水環境系統的影響。針對這些情況，很多國家都從完善城市水文生態系統的新理論入手，積極探討新的城市暴雨管理系統，并取得成熟的經驗。

目前許多發達國家從雨水的地下滲透與滯留、貯存、凈化處理與中水利用入手，積極探索新型的排水系統。雨水排放系統已由傳統的雨水初期棄流、單獨排放轉變為以滲為主，貯蓄排相結合的排放系統；以儲為主，滲排相結合的排水系統以及其他形式的排水方式。中國作為一個發展中國家，城市內澇狀況頻發，雨水排放問題早已引起社會各界的高度關注，國內也已經開始雨水生態化處理的道路探索。近年來，雨水入滲及調蓄系統得到越來越多的運用，一些具有前瞻性的城市管理政策已經或正在制訂，包括鼓勵采用雨水入滲及調蓄系統，倡導低影響開發（LID）理念，降低場地雨水徑流系數等綜合措施，在北京、天津、寧波等地已經有一些實施項目，把LID理念與技術成功應用到項目的規劃設計中，并取得很好的經濟效益和環境效益。

所謂低影響開發（LID），是通過模擬自然水文條件，采用源頭控制理念，采取結構性與非結構性的技術措施，盡可能維持或恢復區域開發前的水文特征。雨水生態化處理，采用低影響開發（LID）理念，設置雨水入滲及調蓄系統，通過分散的小規模措施對雨水徑流進行源頭控制，減少雨水徑流峰值流量和總量，可以采取多種多樣的實現手段，透水材料、滲透排水溝、植物過濾帶、植被淺溝等。露天硬地面如道路、廣場、停車場等盡量鋪設透水材料，使大氣降水滲入地下，形成含水量較多的土壤層，使徑流量由短期變成長期。道路兩側設置滲透排水溝，將部分雨水滲入地下，同時可以過濾掉雨水徑流中的污染物，形成的雨水徑流，采用滲透管，而非采用傳統的雨水管道，盡最大可能將雨水在形成徑流的過程中滲入土壤，這樣可以有效削減暴雨期形成洪峰的頻率和徑流量。綠地及其他植被根系保持水土涵養，大面積的綠化草坪，設計規劃為植被過濾帶，建立適當的雨水管理輔之以工程滲透技術，使雨水充分滲入地下，可以有效地去除雨水中的污染物質，降低暴雨徑流量。

雨水生態化處理，一改傳統的盡快將雨水棄流的觀念，采用雨水滲透-排放一體化模式，從整體考慮，結合低影響開發（LID）理念及技術，將雨水的控制及利用貫穿于整個項目的規劃設計過程之中。

3.2.2 雨水系統的選擇原則

建筑物雨水系統的選擇原則。

（1）選擇的雨水系統應盡量迅速及時、有組織地將屋面雨水排至室外地面或管渠。屋面雨水是指以小于建筑物設計使用年限為重現期的降雨。（2）屋面雨水排除應優先選用既安全又經濟的雨水系統。安全的含義首先包括：室內地面不冒水、屋面溢水現象應盡量減少或避免、管道能承受正、負壓的作用，不漏水冒水。經濟是指：在滿足安全排水的前提下，系統的工程造價低、投資費用少，少額外占用空間高度；系統的壽命長。在保證安全性和經濟性的同時要兼顧施工方便。（3）雨水從屋面溢流口溢流不符合第①條的精神，屬于非正常排水，應盡量減少或者避免。

3.2.3 雨水系統優化設計要點

新型雨水排水系統在國內的實施項目雖然不多，但發展速度快，發展潛力大。它的成功應用需要多部門、多專業的配合，專業間存在技術接口問題。作為排水設計人員，在進行雨水排放系統的設計時，要改變傳統的盡快將雨水排放的觀念，倡導LID 理念的運用，考慮雨水以滲為主，貯蓄排相結合的排放系統，或者以儲為主，滲排相結合的排水系統，雨水滲透-排放一體化，且儲蓄的雨水還可以進行雨水的利用，用以綠化澆灌及車庫的地面沖洗等。

近年來校園及小區規劃設計越來越多，校園或小區中往往包含大面積的景觀水體。在進行校園或小區的水系規劃時，我們可以運用系統工程的整體性思維，進行水環境綜合考慮，通過將片區內污水排放系統、雨水排放系統、中水系統與景觀水體進行整合，將校園或小區內水環境的人工循環系統與自然循環系統結合起來，實現校園或小區“零排放”的概念，減少對外界環境的影響。這可以作為片區水系規劃的一個優化目標。

4 結論

本文主要研究關于建筑排水系統的優化設計。首先，研究其設計理論，總結了優化設計的指導思想，評價指標以及優化程序；其次，從系統工程可靠性角度出發，通過分析系統可靠性，指出了關于提高建筑排水系統可靠性的方法及途徑；接著，從設計者角度出發，依照設計開發流程，具體介紹建筑排水工程的優化設計，從拿到設計任務書，對建筑排水系統環境分析開始，對其進行系統建構工作，總結了排水的優化設計目標以及優化設計要點。

參考文獻

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