北京某歷史街區中小學及幼兒園給水排水設計

楊巧云，張月雷，劉洞陽

(1.中國石油工程建設有限公司北京設計分公司,北京 100085; 2.中國科學院高能物理研究所,北京 100049; 3.中國建筑設計研究院有限公司,北京 100044)

0 引言

中小學、幼兒園建筑服務對象具有特殊性,與其他公共建筑設計具有不同的要求。為了保證設計質量、同時滿足安全、衛生、經濟、舒適等的要求,本文以北京市西城區某歷史街區中小學及幼兒園建筑項目為例,依據國家級地方現行的規范JGJ 39—2016托兒所、幼兒園建筑設計規范、GB 50099—2011中小學校設計規范、GB 50015—2019建筑給水排水設計標準、GB 50555—2010民用建筑節水設計標準、GB 50336—2018建筑中水設計標準、GB 50016—2014建筑設計防火規范、《消防給水及消火栓系統技術規范》,闡述了用地緊張情況下中小學及幼兒園建筑給水排水設計過程中的要點,強調了設計中易忽略的細節和此類建筑需要注意的方向,以達到人性化設計、提高設計質量。

1 項目概況

本項目地上功能包含九年一貫制學校15 731 m2及幼兒園3 000 m2,由北向南依次為1號中學、2號小學、3號小學、4號幼兒園(見圖1);地下功能包含學校用房、食堂、設備及輔助用房及停車庫共21 124 m2,建筑高度為18.95 m。項目需要注意的問題:1)項目位于北京市西城區歷史街區,需在用地緊張的條件下滿足教學功能的要求,創造高品質的校園環境的問題,將約2.1萬m2的建筑面積(包括學校用房、食堂、設備、輔助用房及停車庫)置于地下,通過下沉庭院解決地下部分的采光通風問題。2)項目紅線內室外布管限制條件多,西側為田徑場和看臺,東側紅線與建筑之間僅有的6 m寬的綠化帶,其下方還敷設了長16 m寬5 m的雨水調蓄池,建筑給水引入管以及排水出戶管只可從北側路面下方-1.8 m的降板區域內以及南側布置(見圖2)。3)項目功能包括中小學及幼兒園,此類場所對系統的安全性、衛生標準及噪聲要求更高。

2 給水排水設計

根據學校功能要求,該項目給水排水系統設計內容包括建筑內給水、中水、熱水、排水、雨水、消火栓系統、自動噴淋滅火系統及滅火器配置。由于地理位置以及服務人群特殊性,給水排水設計具有一定難度及特殊性。

2.1 給水系統

本項目水源為用地南側和東側市政給水管網引入兩路市政給水管道,引入管上裝設總水表和倒流防止器。市政給水管網供水壓力為0.14 MPa～0.18 MPa。學校給水豎向分為兩個區:1層及1層以下部分為低區,由市政給水管直接供水;2層及以上部分為高區,由水箱+變頻加壓設備供水。按照JGJ 39—2016托兒所、幼兒園建筑設計規范當設置水箱時,應設置消毒設備,并宜采用紫外線消毒方式,本項目給水水箱消毒方式采用了紫外線消毒[1](見圖3)。從舒適性考慮,用水點處水壓不得大于0.2 MPa[2]。大于0.2 MPa的配水支管設置減壓閥。低區地下1層及地下2層進行支管減壓,高區2層進行支管減壓。

根據JGJ 39—2016托兒所、幼兒園建筑設計規范,為了保證嬰幼兒生活單元房間安靜舒適,產生噪聲的各種供水機房不得與這些房間或無泵房設備貼臨設置[2]。根據GB 50099—2011中小學校設計規范加壓泵房在運行中存在噪聲,加壓泵房宜獨立建造,并布置在主體建筑以外[3]。本項目用地緊張,地上單獨設置泵房難以實現,最終水泵確定在地下2層距離幼兒園區域較遠的人防區域外(見圖4)。為了降低水泵房泵房噪聲采取了以下措施:1)水泵安裝在預制混凝土底座上,底座與地基之間設置彈簧隔振器;2)泵房管道采用橡膠軟接頭連接,管道外設置阻尼材料;3)吊架、支架利用彈簧隔振器與墻體連接;4)水泵房門為隔聲門;5)加壓泵選型時采用超低噪音變頻泵[4]。

2.2 中水系統

按照GB 50336—2018建筑中水設計標準大于20 000 m2的文體類建筑宜設置中水系統。本項目中水由北側市政路的城市再生水管網供應,供水水壓為0.18 MPa,中水豎向分區同給水,用水點處水壓大于0.2 MPa的配水支管設置減壓閥。為托兒所、幼兒園提供安全、健康、衛生的活動場所,JGJ 39—2016托兒所、幼兒園建筑設計規范中規定托兒所、幼兒園不應設置中水系統,因此本項目中水系統本供水部位為:中小學區域的沖廁、中小學區域綠地澆灌、車庫沖洗等。

2.3 生活熱水系統

本項目教學樓區域衛生間采用分散式熱水供應系統,職工淋浴間及食堂采用集中式熱水供應系統。公共衛生間熱水供應部位僅為洗手盆且衛生間位置分散,采用分散式電加熱器制備熱水,管網短、熱損失小。地下1層廚房及職工淋浴間等耗熱量較大且用水時段固定的用水部位,單獨設置了集中熱水供應系統。廚房及職工淋浴間熱水系統采用集中集熱太陽能系統,間接加熱的方式,太陽能集熱器設于教學樓屋面。

設計耗熱量根據GB 50015—2019建筑給水排水設計標準全日集中熱水供應系統公式6.4.1-1進行計算。食堂按照熱水用水定額為10 L/(人·d),中小學用水人數約1 200人,幼兒園用水人數約200人。職工淋浴間60 L/(人·d),用水人數約100人。設計小時耗熱量為1 182 111 kJ/h。太陽能系統采用可承壓集熱器,集熱面積400 m2。太陽能熱水作為生活熱水系統的預加熱熱源。熱水先經太陽能熱源換熱后,如溫度達不到設計要求,再經電能繼續加熱。平均日產熱水量約18 m3。集熱系統為閉式機械循環集熱。集熱系統與輔熱設備間采用自動聯鎖控制,達到充分利用太陽能熱源的目的。集熱器和換熱罐之間設循環水泵,循環泵由溫差控制,溫差大于10 ℃時啟泵,小于5 ℃時停泵。溫差為集熱器出口水溫和換熱罐出口處水溫之差,換熱罐內水溫大于60 ℃時強制停止循環泵(見圖5)。

2.4 污廢水系統

本項目南側與北側排水無法匯合在一起,在南北兩側分別設置了化糞池。2號—4號樓污水就近南側或東南側出戶,污水排至南側化糞池之后排到市政管網。考慮污水管道坡度和層高要求,1號樓由北側-1.8 m降板區域出戶,污水經北側化糞池排至市政污水管網。由于北側埋深受限,為了室外雨水及污水主干管線交叉,設計時提前進行了室外路由設計,確定了化糞池位置。為了保證室內排水管線不穿梁,排出管管頂標高不得低于室外接戶管管頂標高,管線需在降板區域建筑做法完成之后的高度(-1.5 m)之上,本項目設計出戶管線標高時,假設降板末端室外接戶管管底標高為-1.5 m,反推出戶管最低標高。同時,起始處污水井連接的污水出戶管的標高應低于交叉處雨水主干管高度,最終確定污水出戶管最低標高。根據最低出戶標高,管道最小坡度及梁高核驗1號樓內的污水管線是否會穿梁,對于存在穿梁風險的管線,先在首層頂板下轉換至靠近北側外墻的位置之后由地下1層頂板排出。

本項目中小學首層設有化學實驗室和生物實驗室。由于酸堿廢液會腐蝕鑄鐵管道,根據GB 50099—2011中小學校設計規范實驗室化驗盆排水口應裝設耐腐蝕的擋污箅,排水管道應采用耐腐蝕管材,實驗室區域采用PVC管。實驗室廢水單獨排放,先經酸堿中和池后再排至室外污水管網[5]。

食堂廚房位于地下1層,廚房下方為人防區域,隔油間設置于地下2層非人防區域。即使同程排水,廚房污水也難以跨越人防區域,最終廚房污水先利用污水提升泵提升地下1層頂板,經轉換排至地下2層隔油器間進行隔油之后排至室外污水管網(見圖6)。廚房排水需先經排水溝,排水溝前應設置網格地漏,殘渣應盡可能攔截在溝渠中,以免堵塞壓力提升管道[6]。

王真杰等[7]通過實驗檢測發現塑料及塑料類管材的噪聲均比鑄鐵管高,由于鑄鐵管密度大,阻隔聲音的性能更加優異。螺紋管的噪聲比普通光壁管還大,聚丙烯超靜音管也不靜音,效果不如鑄鐵管。新型的旋流三通與聚丙烯超靜音管組合后,噪聲只有在流量小于2 L/s的時候才低于鑄鐵管。綜合考慮,室內重力流排水管采用了鑄鐵管,壓力管道采用鍍鋅鋼管。排水檢查井避開學生活動區域,檢查井均設置防墜網。

2.5 雨水系統

本項目南北兩側分別設置了雨水調蓄池。2號—4號樓雨水就近南側或東南側出戶,雨水先進入南側雨水調蓄池后排至市政雨水管網。1號樓以及田徑場雨水排至北側,雨水先進入北側雨水調蓄池后排至市政雨水管網。北側起始端出戶管標高設計同污水系統,不滿足梁下敷設要求的在首層進行轉換。

屋面雨水均由雨水斗收集,雨水斗設于屋面。管道系統設置在室內,排至室外雨水管道。車庫坡道、下沉庭院部位的雨水由潛水泵提升排除。雨水量按照北京暴雨強度公式計算:

q=2 001×(1+0.811·lgP)/(t+8)0.711

(1)

其中,q為設計暴雨強度,L/(s·hm4);P為重現期,a;t為降雨歷時,min。

本項目為中心城區的歷史街區的學校,按照GB 50016—2014建筑設計防火規范本項目屬于重要公共建筑,所以屋頂雨水設計重現期取10 a,降雨歷時應按5 min。溢流設施按總排水能力不應小于50 a重現期的雨水量,溢流口設置時要避開下沉庭院四周的墻體。下沉庭院雨水設計重現期為50 a,降雨歷時5 min。根據規范要求,當下沉式廣場與建筑物的出入口相連接時,集水池有效容積宜按最大一臺排水泵5 min的出水量計算。4個下沉庭院雨水量分別為26.5 L/s,27.7 L/s,27.6 L/s,27.6 L/s,下沉庭院雨水集水坑內設潛水泵兩臺,可同時使用,水泵流量均取15 L/s。潛水泵的運行受雨水泵坑內水位控制,根據雨水量的大小,依次運行1臺、2臺。為了防止雨水進入室內,下沉庭院門口前設置線性雨水溝[8]。

2.6 消火栓系統

按照GB 50974—2014消防給水及消火栓系統技術規范,室外消火栓設計流量為40 L/s,本項目具有圖書館功能,室內消火栓流量取40 L/s。室外消火栓用水由城市自來水直接供給,與生活給水共用室外供水管網。室內消火栓系統采用臨時高壓給水系統,平時系統壓力由高位消防水箱和穩壓泵維持。室內存在凈空高度11 m的場所,消火栓栓口動壓不應小于0.35 MPa。消火栓栓口動壓力不應大于0.5 MPa,大于0.5 MPa的地下1層、地下2層,采用減壓穩壓型消火栓。

在中小學以及幼兒園設計中,室內消火栓的設置非常重要。室內消火栓盡量設置于樓梯間、公共衛生間等位置。根據JGJ 39—2016托兒所、幼兒園建筑設計規范,當設置消火栓滅火設施時,消防立管閥門布置應避免幼兒碰撞,并應將消火栓箱暗裝設置。本項目消火栓均采用暗裝,且應躲避結構專業阻尼器。室內消火栓箱的玻璃門發生破裂時,容易使學生受到傷害,根據GB 50099—2011中小學校設計規范中小學校的室內消火栓箱不宜采用普通玻璃門,本項目采用鋁塑板門消火栓[9]。

2.7 自動噴淋滅火系統

按照GB 50016—2014建筑設計防火規范,本項目設置了送回風道(管)的集中空氣調節系統且總建筑面積大于3 000 m2,應設置自動噴淋滅火系統。根據GB 50084—2017自動噴水滅火系統設計規范,室內存在凈空高度11 m的場所,噴水強度區12 L/(min·m2),作用面積160 m2。計算設計流量時需考慮1.3的系數,自動噴淋滅火系統設計流量取50 L/s。本項目自動噴淋滅火系統采用臨高壓系統,平時系統壓力由高位消防水箱和穩壓泵維持。系統最不利點噴頭工作壓力取0.1 MPa,配水管入口的壓力大于0.40 MPa時,設置減壓孔板進行減壓。

除配電室不能用水滅火外,其余均設有自動噴淋頭保護。本工程教學樓、食堂等采用濕式系統,無采暖地下車庫采用預作用系統。每個報警閥所負擔的最不利噴頭處,設末端試水裝置,每層每個防火分區的管網均設DN25的試水閥。為了防止學生開啟閥門,試水裝置和試水閥均設置于管井內,且試水閥設鎖定裝置。

地下停車庫、庫房、機房采用直立型標準面積覆蓋噴頭,車庫采用易熔合金金屬噴頭,工作溫度為68 ℃;無吊頂部位寬度大于1.2 m的風管和排管下采用下垂型標準覆蓋面積噴頭;有吊頂部位采用吊頂型標準覆蓋面積噴頭,凈空高度8 m～12 m的場所采用K≥115的快速響應噴頭;廚房內灶臺上部等高溫作業區噴頭溫級為93 ℃,廚房內其他地方為79 ℃,其余均為68 ℃;為了快速滅火,幼兒園區域采用快速響應噴頭。

2.8 滅火器配置

根據GB 50140—2005建筑滅火器配置設計規范,變配電室按中危險級E類火災配置滅火器,每處放置20 kg推車式磷酸銨鹽滅火器4具(噴咀處不得裝有金屬喇叭筒),保護距離40 m;地下車庫按中危險級B類火災,每處放置5 kg手提式磷酸銨鹽滅火器3具,保護距離12 m;廚房按嚴重危險級B類、C類火災,每處放置5 kg手提式磷酸銨鹽滅火器3具,保護距離9 m。為了防止學生磕碰,學校活動區域單獨配置的滅火器箱應設置在不妨礙通行處。

3 結論

1)為了增加使用功能面積,建筑專業通過設置地下庭院利用地下建筑面積時,應合理設置雨水提升泵臺數以及根據建筑性質選擇合適的暴雨重現期和降雨歷時。

2)對于地下室外墻緊鄰建筑紅線以緩解用地緊張的項目,采用降板才能滿足出戶條件時,建議先進行室外管線設計,在滿足建筑使用功能的前提下確定最低降板高度,為了減少室內重力流管道找坡產生的坡降,可提前走首層頂板下進行轉換。

3)中小學及幼兒園建筑由于使用對象的特殊性,此類場所對系統安全性、衛生標準、噪聲等要求更高。在滿足常規規范的前提下,還應因地制宜地采取安全措施、衛生措施及降噪措施。