高層建筑燃氣供應設計中的問題及控制對策研究

龍森

（中鐵建設集團有限公司，北京 100043）

1 引言

隨著城市經濟水平的提升，高層建筑成為滿足新時期居民生活的重要建筑結構。但是為進一步完善高層建筑的供電、供氣性能，還應做好建筑物燃氣供應設計工作，確保燃氣供應系統的安全性、可靠性。在此背景下，本文就當前階段高層建筑燃氣供應設計中存在的問題展開討論，借此針對性地排查燃氣設計隱患，提升高層建筑燃氣供應系統的設計水平。

2 高層建筑燃氣供應設計的關鍵內容

1）高層建筑中，燃氣設計應堅持自低向高的基本原則，所以，可將調壓系統獨立設置在建筑物外部結構中，為后期維護創造良好條件。

2）高層建筑物中的廚房是設置燃氣管線的主要區域，可分別在電梯出口處、天井槽兩側布設燃氣管線，使其與建筑物整體設計相互協調[1]。

3）設計燃氣管井時，還應強調專道專用，避免與其他管井混合安裝。管井材料應具有較強的耐火性，周圍應設有通風口。在此期間，還應重視燃氣管井的防漏設計，避免因燃氣泄漏問題而誘發安全隱患和經濟損失。

4）高層建筑燃氣設計中，燃氣立管一般可敷設在建筑物外墻、生活陽臺、管道井上，相關人員應根據高層建筑燃氣供應的實際需求，合理選擇立管敷設位置。但是相較于其他敷設方式，室外敷設燃氣立管的安全性更強，且不會因鉆孔、管道安裝而影響室內建筑結構。

3 高層建筑燃氣供應設計中的問題

3.1 附加壓力問題

燃氣供應過程中，高層建筑需承受較多的附加壓力，所以，在燃氣供應設計中，還應嚴格控制燃氣壓力波動，減少燃氣附加壓力對燃氣使用造成的影響。據了解，高層建筑供應燃氣資源時，附加壓力會引起死火、脫火等問題，導致燃氣使用過程中存在安全隱患，無法滿足居民使用天然氣燃具的相關要求[2]。燃氣供應設計中，附加壓力超出標準范圍后會導致天然氣燃熱效率降低，產生燃燒不穩定的情況，脫火后則會引起爆炸風險，難以保障居民的人身安全。

3.2 建筑物沉降風險

1）高層建筑室內沉降量大于室外時，燃氣供應管道局部應力則會增加，管道受力不均勻。建筑物室內外沉降差過大時，還會導致燃氣管件旋轉、焊縫斷裂的情況，繼而出現天然氣泄漏問題。

2）室外沉降量過大時，燃氣管道會隨室外沉降而下沉，管道下沉后燃氣引入管局部應力偏大，相連的附屬管道、設備受損，同樣會造成漏氣問題[3]。

3.3 建筑位移問題

高層建筑是指高度大于31 m的建筑物，建筑物高度過大時，高層建筑會承受較大的風荷載，過大的風荷載會導致高層建筑出現水平位移情況。建筑位移同樣會作用于高層建筑燃氣供應系統，影響燃氣系統運行的穩定性。對此，相關人員在設計燃氣供應系統時，還應充分考慮高層建筑的風動力，靈活地根據建筑物結構特征布設燃氣供應管道。

4 高層建筑燃氣供應設計問題的控制對策

4.1 合理控制附加壓力

1）高層建筑每隔6層可將節流閥設置在燃氣立管上，以此提升燃氣立管局部的阻力，緩解燃氣供應時的附加壓力。但供應燃氣時，由于燃氣流量具有可變性，局部阻力變化后無法準確控制燃氣壓力值。所以，在此基礎上，相關人員還應在燃氣立管上再次安裝低壓調壓器，用低壓調壓設備消除燃氣供應時的附加壓力。燃氣供應設計中，低壓調壓器可設置在燃氣立管或燃氣立管橫向支管上。

2）通過消除立管自重的方式控制熱膨脹后燃氣立管所形成的推力。對此，相關人員可結合高層建筑結構設計，每隔幾層在立管中間設置支撐結構，用支撐結構分解立管所承受的推力與自重[4]。

3）在滿足高層建筑低層用戶燃氣需求的基礎上，通過降低調壓箱出口壓力控制附加壓力。對此，設計人員可采用改變立管管徑的方式使燃氣管道阻力增加。具體設計參數見表1。為確保附加壓力控制的可靠性，在設計高層建筑燃氣時，還應單獨進行水力計算，制訂符合燃氣項目供應需求的調壓變徑方案。正式通氣前，還需要測量燃具前壓力，并結合實際情況，將超壓值控制在3 000 Pa、1 500 Pa以內。

表1 高層建筑增加燃氣管道阻力時的設計參數

4.2 有效預防建筑物沉降

為解決高層建筑燃氣供應設計中的建筑物沉降問題，相關人員應通過沉降補償的方式保障建筑的穩定性，使燃氣能夠安全、順利地引入建筑物內。具體來說，沉降補償是在燃氣供應設計中用彈性補償彎頭優化燃氣引入管設計，緩解建筑物沉降后外部應力對管道的作用力。目前，常用的彈性補償彎頭包括套筒式、波紋式兩種。相關人員可結合高層建筑所處區域勘測周圍環境系數選擇適當的彈性補償彎頭[5]。

利用彈性補償彎頭對燃氣管道進行沉降補償時，還應按照高層建筑實際沉降情況制訂補償方案。

1）高層建筑室內沉降量較大時，相關人員可在建筑物封頂后進行燃氣管道設計，同時在引入管區域設置彈性補償彎頭、撓性管，用該類構件補償因建筑物沉降而使燃氣管道形成的位移差，消除燃氣管道因應力分布不均勻而出現的破損風險，預防燃氣供應階段的漏氣問題。

2）室外沉降量過大時，燃氣供應設計人員應與施工方進行溝通，要求后期施工中施工單位應夯實回填土，確保回填土的密實度，然后安裝燃氣管道，降低漏氣風險。

3）高層建筑地基沉降時，燃氣供應設計可通過金屬軟管補償燃氣管道，同時增加管道布設時的鉆孔尺寸，以此減少建筑物沉降對燃氣供應造成的影響。

在此過程中，由于高層建筑地面沉降與管線沉降不同步，且下沉幅度存在差異，而燃氣管線下沉是因高層建筑沉降導致的，因此，應用彈性補償彎頭時，由于該構件接頭撓度的變化，可用于計算管線下沉量，幫助相關人員掌握建筑物的沉降量，針對性地整改燃氣管道供應設計方案，預防燃氣管線下沉造成的安全隱患。

4.3 加強建筑水平位移的控制

風荷載、地震是引起高層建筑位移的主要因素，而建筑物水平位移會導致建筑體振動頻率增加，影響燃氣供應系統的正常運行。所以，在燃氣供應設計中，不僅需要加強建筑水平位移的控制，還應重視燃氣管道的抗震設計。

1）風荷載和地震會增加高層建筑頂層結構的位移變化值，設計燃氣管道時，相關人員可選擇具有抗震性能、質地較輕的管道材料。

2）燃氣立管可增設震動傳感器，以便及時發現建筑物震動問題，從而采取相應的應急手段，控制燃氣安全事故。

3）將波紋補償器安裝在燃氣管道上，借此應對高層建筑水平位移、振動時出現的管道受力不均勻等問題。

4.4 優化管道固定、熱補償設計

高層建筑燃氣供應設計中，由于建筑物過高，燃氣系統中的立管較長，管道自重大。為使燃氣管道受力均勻，減小燃氣管道的壓縮應力，還應通過管道固定及支撐設計使燃氣立管產生的壓縮應力均勻分布。首先，在燃氣立管底部設置支架，用于承擔立管自重；然后，使用可活動的立管支架承擔立管因建筑風荷載產生的彎曲應力。但是，為保障高層建筑立管支架設計的科學性，還應嚴謹控制立管支架間距，見表2。

表2 燃氣立管活動管支架間距設計

高層建筑布設燃氣立管時，施工環境也會導致燃氣管道出現極限變形情況，所以，需要通過熱補償的方式應對立管變形問題。高層建筑燃氣供應設計中，燃氣立管常用的熱補償裝置包括波紋補償器、方形補償器兩種。其中，波紋補償器可直接通過吸收補償器管壁的彈性變形量控制立管伸縮量，具有占地面積小、結構緊湊的優勢。

方形補償器則是利用柔性彎頭、鋼管彎制對立管進行自然補償，具有補償能力強、安裝便捷、使用周期長、補償量大等優勢。例如，當燃氣立管固定支架間距為30 m時，有空調房、管道井溫度分別處于20℃、30℃時，燃氣立管熱伸縮量分別為7.3 mm、10.8 mm，方形補償器的補償量分別為3.6 mm、5.4 mm；當燃氣立管固定支架間距為45 m時，有空調房、管道井溫度分別處于20℃、30℃時，燃氣立管熱伸縮量分別為10.8 mm、16.2 mm，方形補償器的補償量分別為5.4 mm、8.1 mm，可滿足高層建筑燃氣供應時的熱補償要求。

4.5 優化燃氣供應安全設計

1）連接建筑物各區域的燃氣管道時，相關人員應采用焊接的方式，用可靠的焊接手段控制燃氣泄漏風險。相關人員應提前在使用燃氣的建筑空間內安裝泄漏報警裝置、燃氣泄漏切斷裝置，其中，切斷裝置可直接安裝在天然氣的引入管上，并與燃氣泄漏報警裝置相互聯動，及時發送報警信號，以此確保燃氣供應系統運行過程中的安全管理效果。

2）燃氣供應設計過程中，還應嚴把設計質量關，重點加強管溝設計、管線設計等方面的質量管理。同時結合實際情況分析高層建筑的土質條件，準確計算管道敷設時管道的開挖深度，科學選定燃氣供應時各構件的設計值。

3）合理選擇燃氣管材，用規格適宜、質量合格的管材建設高層建筑燃氣供應系統，為居民安全、穩定地提供燃氣資源。需要注意的是，敷設燃氣管道時，相關人員還應減少管道的安裝應力，高層建筑燃氣設計時，管卡固定、鋼管焊接都會增加燃氣管道應力；而管線應力增加后則會因外力而偏移原有管位，引起立管傾斜問題，所以，必要時需要在燃氣引入管區域增設柔性接頭。

5 結語

綜上所述，為確保高層建筑內燃氣供應系統穩定、安全運行，相關人員還應針對燃氣供應設計中的建筑物沉降、位移等現實問題優化建筑燃氣供應設計，消除燃氣設計質量隱患。同時加強燃氣管道固定、補償及調壓設計，重視高層建筑燃氣供應系統的安全管理，為居民創造良好的居住環境，有效降低高層建筑燃氣供應階段的質量、安全風險。