高層建筑給排水可靠性的方法研究

姚巧萍

0 引言

實踐表明，我國高層建筑給排水設計與施工一直是困擾建筑業(yè)的難題。為此，在實際施工過程中，可從圖紙設計、施工技術、安全生產、優(yōu)化改進等幾個方面深入研究，保證給排水設計與施工建設水平達到標準化、規(guī)范化。在此過程中，高層建筑給排水可靠性的研究較為重要，在做好有關的分析工作后，可達到推動高層建筑給排水技術發(fā)展的實際成效。

1 高層建筑給排水施工中存在的問題

下述先從歷史發(fā)展角度分析出以往高層建筑給排水施工存在的實際問題，如排水系統設置不合理、消防系統被忽視等等。隨后筆者在對高層建筑給排水施工進行探索時，提出了建筑給排水設計存在的新問題，這些新問題因經常出現所以也可被稱為“典型問題”。

1.1 空調冷凝管排水系統缺失問題

針對高層建筑給排水施工工序，在確保其穩(wěn)定性的基礎上，應重視排水管細節(jié)問題。但由于個別建筑沒有空調凝結管的排水管，其無法將排水系統與雨水系統相結合，從而導致雨水大量排放時，排水管會發(fā)出較大的噪聲，在這種情況下若沒有將雨水及時排放，屋頂、露臺都會出現積水，雨水會滲入室內，產生嚴重的質量問題。

1.2 給水排水系統聯合設置問題

現階段，根據對我國高層建筑的調查發(fā)現，給排水施工中施工單位在實際工序中會按照聯合設置的方式完成該工序。從本質上來說，為了方便和節(jié)省，在高層建筑施工中應將排水與雨水系統相結合，并保障其可靠性，考慮選擇多層排水系統，但若聯合處理不當將導致排水系統出現嚴重的問題。

1.3 消防系統忽視問題

在高層建筑排水施工中，消防給水系統屬于較為重要的供水系統，其也屬于防范火災的主要保障措施，與低層建筑相比高層建筑消防系統存在控制難度較大，可靠性分析不夠準確等問題，并且因個別施工單位的疏忽，消防系統實際效用發(fā)揮得不夠全面。

1.4 二次加壓問題

高層建筑因受到樓層高度的影響，一般會出現供水不穩(wěn)或水流弱等問題。二次增壓是一種非常重要的施工技術，其可以滿足高層建筑用戶對用水的實際需求。

本文通過對我國高層建筑二次增壓設計現狀的分析，發(fā)現除能部分合理地進行二次增壓參數的高層建筑外，個別高層建筑存在二次加壓設計不當的問題。若二次加壓設計參數較大，則低層位置靜水壓力會超出接軟管的水壓臨界值，造成水管破裂，影響低層用戶的正常用水需求；若二次加壓設計參數較小，水壓效應無法充分發(fā)揮，導致高層建筑用水問題難以得到有效控制[1]。

1.5 空調立管排水設計

問題：排水立管，空調冷凝水的豎管位置阻擋窗戶。

原因分析：給水工程沒有考慮到建筑專業(yè)的窗沿寬度，在100mm以下的窗戶邊緣設置水管，將窗戶玻璃直接遮擋。

1.6 頂層排水設計

問題：機房層頂僅設一根雨水管，不符合相關規(guī)范。

原因：《建筑給水排水設計規(guī)范》4.9.27：在建筑物的各個匯水區(qū)域，雨水排放管道的數量不得少于2個。

1.7 陽臺給排水設計

問題：陽臺洗衣機的下層排水分支管道沒有安裝蓄水彎，會造成未來的露臺地漏返臭。

原因分析：設計圖中只說明了地漏為洗衣機專用地漏，但是該處的漏水彎頭不能達到50 mm深度要求。

2 高層給水排水施工常見問題的處理方法

針對上述提出的問題，應對高層給水排水進行劃分，以便提升設計質量。

施工單位需采取“二次加壓”的方法進行設計。

泵房的設計要做到科學、合理，避免因長度高度等問題對整體施工造成影響。

安裝水箱，應合理控制其高度，避免因壓力不足導致上層用戶供水系統產生不穩(wěn)定的因素。

減少供水系統的噪聲，避免產生劇烈的振動。

采用縱向分區(qū)、設置減壓閥等措施，以達到減少污水管網壓力的實際效果。

針對消防供水系統的設計，下述將提出可靠性研究分析，在按照其可靠性計算后，應確保達到統一給水的效果，確保供水系統科學合理，供水管線的獨立性。

廢水分流，需按照水的二次利用機制。一般來說，衛(wèi)生間的排水管道應設計成水彎，以防止污水直接流入豎管，造成噪聲；下水道可以采用獨立排水的設計方案，進而避免排水堵塞引起的臭氣外泄[2]。

3 高層建筑給水排水施工方法

3.1 給水施工方法

（1）采用直接供水的方式。在國內，此類施工辦法較為常見。其基本原則是將高層建筑內部給水系統以及外部供水管網相連接，以構成完整的供水系統。直接供水方式與其他傳統的施工方式相比，該供水方式可從整體上降低施工成本，但由于工程建筑內缺少儲水功能，當管網出現缺水等問題時，供水系統將處于中斷狀態(tài)。

（2）采用設水箱供水方式。該方式是指，將高層建筑外部的給水管道和高層建筑內的給水系統完全相連。同時，為了滿足高層建筑內部用戶用水需求，可在高層建筑中安設大量的高水位水箱。在供水高峰期，由于供水系統壓力參數較低，難以保證建筑內用戶正常用水量，這種情況水箱會發(fā)揮其給水功能，保證用水量達到充足狀態(tài)。從實際使用情況來看，此種供水方式能夠有效地解決高層建筑各地區(qū)的供水問題，但同時也會引起高層建筑自身的負荷增大。

3.2 排水施工方法

（1）基坑沉降排水的施工工藝。在高層建筑排水工程中，地基沉降排水工程是一種常見的施工方式，其中分為整體與局部兩種沉降排水形式。

“整體沉降”是指在高層建筑中，參考其他樓層，將整個衛(wèi)生間地板降低300mm，根據這個高度，對排水管道進行合理的處理，以保證它與其他室外管道相聯合。“局部沉降”排水施工方法與整體沉降法基本一致，但由于整體下調的施工方式會干擾到建筑內部荷載以及回填土等為此在高層建筑排水施工中，更多使用局部沉降法。

（2）后排水施工辦法。該辦法是針對高層建筑上層地面所鋪設的排水管道，確保其高層建筑外部的管道相連接，當管道安裝敷設完畢后，還應裝飾并完成排水管的隱藏工作，以便滿足其美觀性與使用便捷性的基本要求。

4 高層建筑給排水可靠性的方法研究

4.1 高層建筑雨水系統可靠性分析

4.1.1 高層建筑雨水收集系統集雨裝置

在高層建筑樓頂地板設計過程中，應確保其形成一定的斜度與坡度，以便于雨水依靠重力流入到排水管道內，并配有多條排水管道。用水管將所有的下水道連接后，將雨水匯聚到水箱內。同時，將流動管線連接到水箱的底部，并在界面上安裝浮動閥。這樣的集雨設備可在雨水較小時起到保護作用，在循環(huán)管路中，雨水流量小，不連續(xù)，會對發(fā)電效率產生一定的影響，同時也可以避免雨水過多，造成屋頂的損壞以達到可靠性設計要求。

4.1.2 高層建筑雨水收集系統過濾

雨水過濾是利用濾液或滲透性的媒介來攔截水中的懸浮物，其屬于物理處理流程。在高層建筑雨水收集系統過濾處理中，可以使用粗濾的表面過濾，使用篩網或相似的有孔洞的物料作為過濾介質，所捕獲的微粒大于0.1mm，且經過的介質極少，不會損害水輪機發(fā)電機。過濾費用低廉，可在每個排水管入口安裝過濾器[3]。

4.1.3 高層建筑雨水管網設計參數

雨水管的設計參數具有較大的不確定性，例如：底部寬度 b.直徑 d.斜坡 s.曼寧糙率等。下述采用Advance First Order Second Moment method（AFOSM），對高層建筑雨水管系統進行可靠性評價。Advance First Order Second Moment method（AFOSM）該方法以泰勒展開為基礎，以性能函數為估算辦法計算出其分布。在該設計參數矢量中，用 W（X）表示，X=X（X1、X2…XN）。其主要目標是估計X滿足正常分布時W（X）的分布。在可靠性研究過程中，主要討論三種故障類型。管路的流量大于額定流量，管路速度大于額定速度，管路速度小于額定速度。在此基礎上，給出W（X）=QC-QD的例子。如果W（X）=0，表示設計的流量剛好能滿足實際的流量要求。

AFOSM法按以下方式進行計算：

（1）定義相應的約束條件 W（X）=0.

（2）定義各設計點的設計參數向量X*。

（3）計算各方向參量βhl。

（4）求出貝塔方向和超平面 W（X）=0的交叉點。

（5）迭代運算直到方向參數β hl的收斂為止。

（6）由收斂方向參數βhl求出故障概率 pf。

在計算完畢后，需按照高層建筑實際情況，分別對各個管段在不同的降水重現期情況下的故障概率進行驗證，在此基礎上，對管道的結構進行破壞概率分析，并對其進行相應的調整，例如：底部寬度 b.直徑d、斜率s、曼寧糙率系數 n等。

在暴雨強度的計算中，通常不會出現錯誤，工作人員只需按照規(guī)范中所規(guī)定的時間和設計重現時間來進行。而在計算雨水流量時，其工作重點是確定匯水面積。對于普通的平屋頂，其水平投影面積可被統計；對于高出屋頂的相鄰墻體，按照規(guī)范規(guī)定，其最大垂直投影面積為1/2。

同時，在根據設計要求完善其排水設施的布置時，需注意地漏、立管，確保其達到排水要求，保證在設計重現期間不積水，整體管路系統應該按照自重流的體系來考慮，在多條走廊的排水豎管的底部匯合后，應特別注意排出管道的排水能力，特別是經常遇到臺風等惡劣天氣的沿海地區(qū)。

4.2 高層建筑消防供水系統可靠性分析

在對高層建筑的消防供水系統進行分區(qū)評價時，應以可靠性為基礎，并明確安全性與經濟性之間的關系。在結合高層建筑結構特征以及消防給水系統自身特點后，還需考慮到其滅火性能，下述從幾點辦法提出高層建筑消防供水系統可靠性分析措施。

4.2.1 評估的方法

高層建筑消防給水系統的綜合評價方法有：關聯矩陣法（原始方法）、層次分析法（多要素評價）、多評價主體的模糊綜合評價、系統可靠性分析、專家評價、模型評價、技術經濟評價方法。其中依據綜合評估的方法需針對不同的評估對象以及目標，選擇合適的體系并按照可靠性評估為目標[4]。

利用相關矩陣方法，可以將A1、A2… An作為不同的消防供水系統評價方案；X1、X2… Xm是評價因子，如各個功能指數（項），其中 W是權重，Vi是得分，參見表1。

表1 關聯矩陣原理

AHP是一種綜合定性和定量相結合的多目標評估決策方法。模糊綜合評價方法可以對多個系統的影響因素進行評價，并將多個因素結合起來后運用其理論評價其優(yōu)劣[5]。

4.2.2 評估的指標與評估

評價系統劃分的指標系統可以分為4個等級，即目標和功能、系統性能、經濟效果和其他四個方面，見表2。在此每個評估指標都需進行評分。

表2 消防給水系統的評價項目、評估指標

在高層建筑消防供水系統的分區(qū)評價中，各評價指標體系的4項指標總得分均為100。4個項目的分數分別為Q1,Q2,Q3,Q4，合計100分。各體系方案的總分是各項指標與加權系數之和[6]。

4.2.3 可靠度的計算

針對消防給水組件的可靠性進行計算，一般來說需在規(guī)定的時間與條件下完成對預定功能能力的概率度量。其包括安全性、適應性和消防給水組件的耐久度。在高層建筑消防給水系統可靠性設計中，首先要建立可靠度模型，其次是可靠性分析。其中按分級分區(qū)的消防供水系統可作為單元，消防供水系統的閥門，消防栓，噴頭，管道等部件及消防水泵，消防水池，高位消防水箱、放水池等都為組件，該方法可以對各個消防供水系統的構成單位及管網進行分級、分區(qū)的可靠性進行合理的分析與評估，并完成其測試工序[7]。

5 結論

基于建筑行業(yè)與施工技術的快速發(fā)展，在高層給水排水系統的建設方面，形成了比較成熟的施工技術。為此，在實際施工中，首先需保障設計的科學合理性，其次應結合以往的施工經驗，采用先進的施工技術，進而保障施工質量。最后，依據可靠性設計分析，努力完善評估措施，明確消防給水系統、雨水系統的可靠性能，進而保障高層建筑給排水系統發(fā)揮其最大的利用價值，在滿足用戶日常用水需求后，減少施工難度、達到節(jié)能減排的實際成效。