地鐵上蓋物業給水排水隔震設計探討

吳 欣 ，趙 丹

（1.重慶市規劃設計研究院，重慶 401147；2.重慶杰地建筑設計有限公司，重慶 401121）

0 引言

隨著時代發展，在土地資源緊張、城市功能需求復雜的大型城市，“以公共交通為導向的發展模式”的TOD 建筑，逐漸出現在我們眼前。TOD 建筑優點明顯，以軌道交通站點為樞紐來聚集人群，同時能更為有效地提高城市運轉效率，緩解交通擁堵等。可以預見，隨著我國城市軌道發展的突飛猛進、城市更新迭代、會有越來越多的TOD 地鐵上蓋物業出現在現代城市建設中。因此，針對TOD 地鐵上蓋物業給排水管道設計進行隔振研究有其必要性。

1 水專業管道隔震設計原則

由于隔震層的存在，建筑的上部結構和下部結構完全分離，地震以及地鐵進站時，建筑的上部結構和下部結構之間會發生一定距離的水平位移。不做任何有針對性處理的給排水管道，長期受到地鐵運行帶來的振動影響，管道容易疲勞，對給排水管道的正常使用造成重大威脅。管道被破壞后，里面的水會淹沒隔震層，隔震層內的隔震支座的使用壽命會大大降低，會加劇隔震建筑的顛覆，帶來可能造成財產損失及人員傷亡的巨大隱患。

1.1 各類規范要求

（1）《建筑抗震設計規范（2016 年版）》（GB 50011—2010）[1]中規定，對于穿過隔震層的設備配管配線，應采用柔性連接或其他有效措施以適應地鐵進出站點帶來的間歇頻率振動，長期運行進而帶來的管線疲勞、破壞。

（2）《疊層橡膠支座隔震技術規程》（CECS 126:2001）[2]中規定，對于穿越隔振層的豎向管道應符合以下要求：①直徑較小的柔性管線在隔振層處應預留伸展長度，其值不應小于隔振層在罕遇地震作用下最大水平位移的1.2 倍。②重要管道、可能泄漏有害介質或可燃介質的管道，在隔震層處應采用柔性接頭。③直徑較大的管道在隔振處宜采用柔性材料或柔性接頭。

（3）《建筑隔震工程施工及驗收規范》（JGJ 360—2015）[3]中規定：①穿過隔震層的設備管線、配線，應采用柔性連接或其他有效措施。②穿過隔震層的柔性管線，應在隔震縫處預留足夠的伸展長度。③對可能泄漏有害介質或可燃介質的重要管道，在穿越隔震層處時應采用柔性接頭。

1.2 地震作用分析

經結構專業計算，本部項目在水平地震荷載作用下建筑水平位移在20mm 以內。結構工種設置隔振器，地震時隔振器將產生水平位移。圖1、圖2 給出了水平地震荷載作用下X、Y 兩方向隔振器水平位移時程結果。根據隔振器產品性能，其水平最大設計位移限值為28mm。管道設計以此為基礎設計條件。

圖1 X 主向地震隔振器位移時程曲線

圖2 Y 主向地震隔振器位移時程曲線

1.3 隔震設計與布置基本原則

根據上述規范要求及結構變形影響，確定以下基本原則。

（1）本項目給水、自動噴水系統供水橫干管、消火栓系統供水環管均設置于隔振層。布置在隔振層內的給水、消防橫干管，均采用固定支架與下部結構固定。

（2）與供水橫干管不同側（連接至上部結構）的供水立管，均采用隔震連接措施。為有效減輕振動對管道的不利影響，隔震連接具體措施是采用柔性管道連接。

（3）對生活給排水系統、消防系統采用盡量減少豎向穿越隔震層管道的原則，減少可能發生位移的管道數量。

（4）穿越隔震層的豎向管道在罕遇地震作用下最大水平位移d 不小于設置隔振支座的結構柱最大水平位移的1.2 倍。

2 隔震用柔性管道設計

2.1 隔震用柔性管道選擇

常用柔性管道有金屬軟管、PCV 伸縮管和橡膠軟管，三者各有優缺點，需根據適用條件、變形需求、管道材質、安裝空間、支架能力等維度綜合考慮。由于擔心橡膠軟管用于排水管時可能比金屬軟管更易堵塞以及PCV 伸縮管的材質性能可能較金屬軟管略差，設計最終考慮采用金屬軟管。

2.2 金屬軟管原理及特性

金屬軟管是以波紋管為核心元件的輸送各種流體的管路配件，其工作性質是在管道與管道、管道與設備等之間的連接中起補償作用。以其彎曲和饒性去彌補管路系統因為外部位移造成的位置偏差，去承擔兩端接點正常工作所需要的相對位移。隔振金屬軟管的最大位移可達到800mm，且其往復使用率非常高，因此使用壽命非常長，適合設置有隔震建筑的水專業管道設計。

2.3 金屬軟管的各類長度關系及計算

基本計算公式[4]如下：

式中：Y——金屬軟管允許最大設計橫向補償位移，mm；L——產品長度，mm；EL——安裝長度，mm；Hs——不參加彎曲中間段長度，mm；θ——變位角，（°）；R——彎曲半徑，mm，取值不宜小于規范值，金屬軟管的彎曲半徑規范值見波紋金屬軟管通用技術條件（GB/T 14525—2010）；Ls1、Ls2——剛性長度，mm；Z——接口處不變形長度，mm；ΔS——變形后最大伸長量，mm。

2.4 安裝長度確定

上式中的L 為產品長度，即為伸長長度，是指金屬軟管被拉伸到最大極限的長度（圖3 中的L）。上式中的EL 為安裝長度，即為壓縮長度，是指把金屬軟管壓縮到極限位置時的長度（圖3 中的EL）而管道的安裝長度是指處于最大位移量一半的中間位置時金屬軟管的長度，在此位置安裝狀態下，金屬軟管有X、Y 兩個可移動方向，隔震層中這兩個移動方向上都應預留d 的安裝尺寸，以便應對振動帶來的位移。此時軟管的彎曲半徑為實際安裝彎曲半徑，軟管兩端的實際距離為實際安裝長度。

圖3 金屬軟管橫向位移變形

其中，不參加彎曲中間段長度Hs 用于防止撓性部分在嵌裝接頭部位的過渡變形而易于破壞。因為直接靠近接頭嵌裝部位的波紋受到的負荷最大，另外由于焊接或釬接端接頭引起的殘余熱應力，使嵌裝部位的疲勞強度降低了。使用實踐證明，金屬軟管最常發生破壞的部位正是這里。一般考慮HS 為2～3 倍的管道公稱直徑，其對金屬軟管設計長度的確定有重要影響。

3 給排水管道隔振設計措施

3.1 橫向壓力管道隔震做法

布置在隔震層內的給水、消防橫干管，均采用固定支架與下部結構固定；與供水橫干管不同側（連接至上部結構）的供水立管，均采用隔震連接措施，設置金屬軟管，具體做法如圖4 所示。

圖4 穿隔震層給排水橫管隔震做法

3.2 豎向壓力管道隔震做法

穿越隔震層的豎向管道，均需設置隔震柔性連接。一般情況下的立管隔震做法如圖5 所示。

圖5 穿隔震層給排水立管隔震做法

本項目隔震層的結構空腔局部層高僅為1.8m，DN100 的隔震軟連接管件長度均至少為2m，所以此區域無法在豎向管道穿越隔震層的位置直接豎向安裝隔震柔性連接。豎向穿越管道隔震軟性連接采用橫向安裝隔震柔性連接的方式，其中，豎向管道在隔離層可以分為兩個部分，分別用固定支架與上部結構和下部結構連接，上部結構和下部結構的固定支架之間橫向安裝兩個方向之字連接的隔震柔性連接，用于吸收地震以及日常地鐵運行振動給管道帶來的位移。

3.3 壓力入戶管隔震做法

生活給水入戶管、自動噴水及消火栓水泵接合器供水管穿越建筑外墻時，需根據橫管在隔震層內的固定位置，決定是否進行隔震處理。本工程部分消防管道穿出外墻前固定在下部結構，故出戶時不需做隔震處理，直接穿出建筑外。大部分壓力供水管在穿出外墻前，固定在上部結構，在穿越出外墻前，設置隔震柔性連接后再穿出建筑外。

3.4 排水出戶管隔震做法

排水管在排出外墻前需采取隔震措施以提高系統排水安全性。常用的隔震措施有：直接在排水出戶位置設置隔震柔性管道后排出建筑外墻；或在隔震層內下部結構設置集水坑或污水收集設施，上部重力排水排至積水坑或污水收集設施后提升出戶，在重力排水管與集水設施連接處設置隔震軟連接。兩種方式都有其缺點，前者由于設置了軟連接，排水中的雜質易在軟連接拐彎處沉積，造成管道堵塞；后者把重力排水均變成壓力排水，平時運行時耗能較多。

3.5 管道敷設其他注意事項

設有隔震層的建筑物，隔震層上、下部結構體之間會發生一定的水平位移，在設計管道布置平面時，應注意每個隔震柱、隔震結構縫周圍均應預留足夠的空間，不敷設管道，避免下部結構體一定頻率的位移，而上部結構體幾乎不位移帶來的對管道的剪切擠壓破壞。本工程設計時，結合規范及結構地震作用分析結論，考慮在隔震柱四周300mm 的范圍內不敷設給排水管道。

4 結語

目前，越來越多的隔震層設計方案開始運用于國內TOD 建筑的設計實踐，給排水管道在隔震層的柔性連接對整個給排水管道系統的安全性極為重要，需在設計階段就綜合分析，選擇合適的隔震連接方式，通過計算和精細化布置，充分發揮隔振、消能作用，保障給排水管道的正常工作。雖然TOD 建筑的設計還是在探索過程中，但相信隨著設計更安全建筑的設計理念的普及，對隔震柔性連接的應用會越來越多，使隔震柔性連接的技術得到長足的發展。