建筑給排水工程的設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000

由于建筑給排水系統(tǒng)較為復(fù)雜，選擇經(jīng)濟(jì)、合理的給排水方案已經(jīng)成為設(shè)計(jì)人員需要解決的關(guān)鍵問題。鑒于此，許多學(xué)者通過理論推導(dǎo)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研等方法對(duì)建筑給排水工程的設(shè)計(jì)開展了研究，并提出了一些有價(jià)值的研究成果。例如，陶源[1]分析了給排水管線的布置原則、布置方式及優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，指導(dǎo)了建筑給排水工程的施工；梁俊彥[2]以某高層建筑為研究對(duì)象，總結(jié)了建筑排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本步驟，并針對(duì)室內(nèi)生活排水和室外生活排水進(jìn)行了具體優(yōu)化；韓松[3]從管道鋪設(shè)和自動(dòng)放氣閥設(shè)置兩個(gè)方面研究了建筑給排水管道設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)，同時(shí)建立了排水管網(wǎng)水力優(yōu)化模型。

1 建筑給排水系統(tǒng)的特性及設(shè)計(jì)影響因素

1.1 建筑給排水系統(tǒng)的特性

建筑給排水屬于給排水工程中的一部分，與市政給排水、工業(yè)給排水共同組成系統(tǒng)的給排水體系。但是建筑給水排水又有其自身特點(diǎn)，與建筑結(jié)構(gòu)、建筑供暖與通風(fēng)、建筑電氣等工程共同組成建筑物，其設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞不僅會(huì)直接影響建筑物的正常運(yùn)行，還是評(píng)價(jià)建筑標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的關(guān)鍵因素之一。同時(shí)，建筑給排水系統(tǒng)十分復(fù)雜，由若干個(gè)給水、排水子系統(tǒng)連接而成，并與系統(tǒng)邊界或外環(huán)境合理對(duì)接，如圖1所示。

圖1 建筑給水排水系統(tǒng)連接

一個(gè)優(yōu)秀的建筑給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案應(yīng)當(dāng)具有以下特性：（1）耐久性。在建筑物使用年限內(nèi)，給排水工程的各種組成部件，如管道、儀表、加壓（熱）設(shè)備等，能維持較好的性能，與建筑物壽命相匹配。（2）安全性。設(shè)計(jì)給排水方案時(shí)應(yīng)確保管道安裝牢固，設(shè)備具有良好的抗震性能、耐腐蝕能力，消防給水系統(tǒng)響應(yīng)迅速等，以保障排水工程在正常使用期間不影響使用者的人身安全與結(jié)構(gòu)安全。（3）經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)給排水工程時(shí)要深入地開展技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性比選，從而選擇造價(jià)最低、效果最優(yōu)的方案。（4）衛(wèi)生性。供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和排放水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要滿足相關(guān)國家規(guī)范的要求。（5）協(xié)調(diào)性。給排水管道的布置應(yīng)和周圍建筑物環(huán)境、市政管線等相互協(xié)調(diào)。

1.2 建筑給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響因素

（1）給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。建筑給水系統(tǒng)的主要作用是提供洗滌用水和飲用水，與人體健康密切相關(guān)，其影響因素主要包括水質(zhì)、水壓、水量及各種儀表器具等。①水質(zhì)。水質(zhì)直接決定了建筑給水方案的適用性與安全性，如采用屋頂水箱直接供水時(shí)，水箱內(nèi)的儲(chǔ)存水出現(xiàn)二次污染的可能性會(huì)大幅度提高，如果選擇市政管網(wǎng)直供或無負(fù)壓設(shè)備供水，則外部污染源較少，可以改善水質(zhì)。②水量。進(jìn)行建筑給水設(shè)計(jì)時(shí)必須確保水量能滿足人們的用水需求，否則會(huì)降低整個(gè)給水系統(tǒng)的適用性。但是，水量也不宜過大，否則儲(chǔ)水、加壓設(shè)備偏大，會(huì)占用過多的建筑空間，經(jīng)濟(jì)性不好。③水壓。供水設(shè)備提供的水壓應(yīng)滿足用水設(shè)備的出水大小及力度要求。水壓過小，供水設(shè)備無法工作；水壓過大，造成能量損失、水資源浪費(fèi)。

（2）排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。建筑排水系統(tǒng)的主要作用是收集排放生活污水、廢水、屋面雨水等，其影響因素包括管道、排放方式及相關(guān)構(gòu)筑物等。①管道。管道是建筑結(jié)構(gòu)排水的主要通道，對(duì)排水方案的影響程度最大。建筑排水管道應(yīng)盡可能采用耐腐蝕性能好的管材，這樣不僅能減輕污水、廢水對(duì)排水管道的腐蝕作用，延長其使用年限，還能降低管道破裂滲水的可能性。同時(shí)建筑排水應(yīng)選擇內(nèi)壁光滑、摩擦系數(shù)小的管道，以避免排水堵塞，提高排水速度。②排放方式。排放方式包括排水方式和排氣方式。建筑物內(nèi)的污、廢水應(yīng)排入相應(yīng)的市政管道，在與市政管道相接時(shí)要注意核查兩者的標(biāo)高是否一致，否則水流難以排出。同時(shí)，建筑排水管道中的污水、廢水等會(huì)產(chǎn)生難聞氣體，應(yīng)當(dāng)在排水管道上設(shè)計(jì)通氣口，以免污染環(huán)境，導(dǎo)致人的感官不適。③局部構(gòu)筑物。對(duì)于普通的建筑項(xiàng)目，排水系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)計(jì)化糞池、隔油池等構(gòu)筑物，對(duì)排水管道中的生活污水、廢水進(jìn)行簡單處理，使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，減少對(duì)外部環(huán)境的干擾。

2 建筑給排水工程優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

建筑項(xiàng)目給排水優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)出效率高、能耗少、造價(jià)低、可靠性高的給排水系統(tǒng)。建筑給排水系統(tǒng)較為復(fù)雜，要想將其從工程問題簡化為能模擬優(yōu)化的模型難度較大。同時(shí)，由于各項(xiàng)目均有其特點(diǎn)，不可能有完全一樣的優(yōu)化方法。當(dāng)遇到新項(xiàng)目時(shí)，只能先依據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)調(diào)查資料，制訂常規(guī)性的優(yōu)化方案，隨后再結(jié)合該項(xiàng)目的具體特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。建筑給排水系統(tǒng)的優(yōu)化流程如下：分析給排水系統(tǒng)中存在的問題→明確系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)→建立優(yōu)化模型→模型計(jì)算和驗(yàn)證。

（1）分析問題。弄清楚建筑給排水系統(tǒng)中存在的問題是對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化的首要步驟，直接影響系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。給排水系統(tǒng)中的問題分析可采用逐級(jí)分解的辦法，即先將給排水系統(tǒng)分解成若干層次和子系統(tǒng)，再針對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)特點(diǎn)去分析問題，從而建立問題層次模型。

（2）明確優(yōu)化目標(biāo)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)每個(gè)層次問題提出相應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)。建筑給排水系統(tǒng)功能優(yōu)化目標(biāo)包括技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)三個(gè)方面，具體指標(biāo)見表1。

表1 建筑給排水系統(tǒng)優(yōu)化總目標(biāo)

（3）建立優(yōu)化模型。建立數(shù)學(xué)模型的目的是定量表示建筑給排水設(shè)計(jì)方案，以便對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比分析。建立數(shù)學(xué)模型的最基本要求是表達(dá)出給排水系統(tǒng)的基本屬性，此時(shí)可忽略其次要的特征因素。同時(shí)，應(yīng)確保優(yōu)化模型簡單，便于與其他專業(yè)模型相互銜接。建筑給排水系統(tǒng)優(yōu)化模型的內(nèi)容包括三個(gè)方面：第一，明確優(yōu)化模型的邊界條件、約束條件；第二，建立系統(tǒng)內(nèi)部各變量間的關(guān)系模型；第三，建立系統(tǒng)內(nèi)各變量與相應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)間的目標(biāo)函數(shù)。

（4）模型求解檢驗(yàn)。建筑給排水系統(tǒng)優(yōu)化模型建立后，可采用數(shù)學(xué)規(guī)劃法或靈敏度分析法等方法求出最佳設(shè)計(jì)方案，并將計(jì)算結(jié)果與各層次優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，以檢驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果是否滿足預(yù)期要求。

3 建筑給排水工程優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 給水系統(tǒng)優(yōu)化

建筑給水系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵是選擇合適的給水方案，傳統(tǒng)的給水系統(tǒng)主要采用市政水源→水池→加壓泵→高位水箱或氣壓罐→用戶的模式。隨著技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的建筑工程開始采用變頻調(diào)速加壓泵或二次供水前置設(shè)備為用戶供水，但是通常以單一的供水方案為主。筆者認(rèn)為可根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)類型選擇合適的供水方案并組合使用。以高層建筑為例，可采用二次供水前置設(shè)備+常速泵組+高位水箱供水方案，其中高位水箱可放在建筑物避難層，一部分水流可充分利用重力供給低樓層，另一部分通過加壓方式給高樓層供水；水泵房選擇二次供水前置設(shè)備，以充分利用市政水壓。

3.2 排水系統(tǒng)優(yōu)化

（1）污、廢水分離。為了提高建筑結(jié)構(gòu)物的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，改善化糞池處治能力，排水系統(tǒng)應(yīng)盡可能將污水、廢水分流。如果建筑單物體量較小，也可將生活污水經(jīng)化糞池直接排進(jìn)市政管網(wǎng)，再通過污水廠處理。（2）通氣管設(shè)置。設(shè)置通氣管是為了避免建筑排水系統(tǒng)中出現(xiàn)負(fù)壓虹吸與正壓噴濺現(xiàn)象，改善排水管道中的空氣循環(huán)。建筑排水系統(tǒng)的通氣管按照通氣方式分為伸頂式、雙立管式、環(huán)形通氣式及器具通氣式，雙立管排水系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選擇雙立管式，這樣可以有效平衡立管內(nèi)的正負(fù)氣壓，減少“氣塞”現(xiàn)象。（3）管材選擇。目前建筑排水系統(tǒng)中多采用價(jià)格低、重量輕、水流阻力小的塑料管來取代傳統(tǒng)鑄鐵管，但塑料管水流噪聲較大，易老化。在噪聲控制嚴(yán)格的建筑區(qū)域，可參考建筑物功能及檔次，選擇柔性接口的鑄鐵管或U-PVC螺旋管。

4 結(jié)論

（1）建筑給排水系統(tǒng)是由若干子系統(tǒng)連接而成，受水質(zhì)、水量、水壓、管道、排放方式、局部構(gòu)筑物等因素的影響；（2）建筑給排水系統(tǒng)優(yōu)化流程包括分析問題、明確優(yōu)化目標(biāo)、建立優(yōu)化模型、計(jì)算和檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷葍?nèi)容；（3）給水系統(tǒng)優(yōu)化可根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)類型選擇合適的供水方案進(jìn)行組合，排水系統(tǒng)優(yōu)化可從污廢水分離、通氣管設(shè)置、管材選擇等方面著手。