超高層建筑給排水設(shè)計(jì)技術(shù)與完善措施探析

史永強(qiáng) 中鐵十五局集團(tuán)城市建設(shè)工程有限公司助理工程師

為了有效緩解城市土地資源的供需矛盾，降低城市發(fā)展過程中空間使用成本，越來(lái)越多的地區(qū)在城市發(fā)展中，將超高層建筑納入整體規(guī)劃中。根據(jù)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)公布的數(shù)據(jù)，2020 年，我國(guó)超過300 m 的超高層建筑達(dá)到99 座，居世界第一。超高層建筑數(shù)量的增多以及規(guī)模的擴(kuò)大，在很大程度上緩解了土地供需矛盾等問題，但是巨大的工程量和超高的建筑高度，對(duì)于給排水等配套設(shè)施提出了更高的要求[1]。基于超高層建筑平穩(wěn)運(yùn)行的要求，應(yīng)當(dāng)在現(xiàn)有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上綜合考量各類因素，采取必要的技術(shù)舉措，推動(dòng)超高層建筑配套設(shè)施的穩(wěn)步升級(jí)，確保其服務(wù)功能的充分實(shí)現(xiàn)。

1 超高層建筑給排水設(shè)計(jì)概述

對(duì)超高層建筑給排水設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)性梳理，有助于設(shè)計(jì)人員在思維層面形成完備的觀念認(rèn)知，精準(zhǔn)把握超高層建筑給排水設(shè)計(jì)的基本要求，突出給排水設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用重點(diǎn)領(lǐng)域，確保給排水設(shè)計(jì)方案的整體效果。

1.1 超高層建筑給排水系統(tǒng)組成

超高層建筑給排水系統(tǒng)主要由給水、排水以及消防等模塊組成，采取氣壓罐供水和高水箱供水等方式，實(shí)現(xiàn)水資源的區(qū)域性調(diào)配，以滿足不同場(chǎng)景下的使用需求。具體來(lái)看，氣壓罐供水是通過持續(xù)性的壓力輸出將給水傳送到供水點(diǎn)。在此過程中，如果管道內(nèi)的壓力處于較低的范圍，氣壓罐中的離心泵將開始運(yùn)轉(zhuǎn)，持續(xù)向管道內(nèi)注水，確保水管壓力保持在合理的范圍內(nèi)，當(dāng)水管內(nèi)氣壓達(dá)到規(guī)定數(shù)值時(shí)，離心泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)[2]。高水箱供水是通過儲(chǔ)水以及調(diào)節(jié)水壓的方式來(lái)完成供水。當(dāng)給水管道內(nèi)的水壓沒有達(dá)到預(yù)設(shè)參數(shù)時(shí)，調(diào)節(jié)罐在離心泵的驅(qū)動(dòng)下，提高給水管網(wǎng)內(nèi)的水壓，從而快速完成給水任務(wù)。

超高層建筑排水系統(tǒng)主要采用了分流系統(tǒng)，依托分流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，在保證排水效率的同時(shí)，減小整體能耗，避免產(chǎn)生額外費(fèi)用。分流系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，需要設(shè)計(jì)人員采取水力計(jì)算的方式，對(duì)排水管道的流量進(jìn)行分析，明確排水上限，避免盲目排水導(dǎo)致管道結(jié)構(gòu)性損傷。消防管道設(shè)計(jì)則采取減壓式的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以保證消防管道在結(jié)構(gòu)布局方面的獨(dú)立性，降低消防管網(wǎng)出現(xiàn)故障的概率，切實(shí)提升超高層建筑的消防安全屬性。

1.2 超高層建筑給排水設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在超高層建筑給排水設(shè)計(jì)過程中，為確保設(shè)計(jì)方案的可操作性，實(shí)現(xiàn)給排水結(jié)構(gòu)功能的完整性，需要設(shè)計(jì)人員結(jié)合過往經(jīng)驗(yàn)，精準(zhǔn)把握給排水設(shè)計(jì)要點(diǎn)。由于超高層建筑整體垂直高度較高，靜水壓力較大，在供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，如果沒有很好地將其與建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割，極有可能造成供水管網(wǎng)壓力過大，出現(xiàn)管道破損等情況，影響超高層建筑的正常使用[3]。例如，超高層建筑給排水管網(wǎng)的覆蓋面較大，為了滿足給水、排水需求，往往需要做好設(shè)備層以及管井等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作，通過科學(xué)布局給排水設(shè)施，確保給排水管道可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

超高層建筑結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，電氣設(shè)備分布范圍十分廣泛，在長(zhǎng)期的使用過程中，出現(xiàn)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的概率較大。為控制火災(zāi)危害性，設(shè)計(jì)人員需要做好消防給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)，通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升超高層建筑給排水系統(tǒng)的自救能力。與傳統(tǒng)建筑不同，超高層建筑人員較多，人口密度較大，需水量與排水量較大。在這種情況下，為了保證給排水管網(wǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，減少管網(wǎng)結(jié)構(gòu)故障的發(fā)生，無(wú)疑需要設(shè)計(jì)人員在管道壓力、管道結(jié)構(gòu)等方面作出相應(yīng)的調(diào)整。通過這種方式，持續(xù)提升管道的防噪聲、防變形、防沖擊以及防滲漏能力，確保給排水設(shè)計(jì)方案充分滿足超高層建筑的使用需求。例如，超高層建筑的整體排水量較大，為了保證排水效果，部分設(shè)計(jì)人員采取了加大排水管道孔徑、延長(zhǎng)排水管道長(zhǎng)度等措施，實(shí)現(xiàn)排水的定向匯集以及定點(diǎn)排出。但是這種設(shè)計(jì)方式往往導(dǎo)致排水管道內(nèi)部壓力波動(dòng)較大，影響管道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，造成排水管道使用壽命縮短等系列問題。

2 超高層建筑給排水設(shè)計(jì)的技術(shù)難題

超高層建筑自身獨(dú)特的屬性使給排水設(shè)計(jì)面臨更為復(fù)雜的環(huán)境。為保持給排水設(shè)計(jì)方案的有效性與合理性，確保給排水設(shè)計(jì)方案可以滿足超高層建筑的使用需求，有必要對(duì)給排水設(shè)計(jì)過程中面臨的主要技術(shù)難題進(jìn)行梳理。

超高層建筑由于垂直高度較高，為保證水體可以快速達(dá)到供水點(diǎn)，往往采用高壓泵組和低壓泵組的供水方式。這種供水方案使得整個(gè)超高層建筑的給水壓力較大，導(dǎo)致給水管網(wǎng)在壓力作用下出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷的概率較大，無(wú)形中增加了超高層建筑給水管道的使用成本。超高層建筑給排水管網(wǎng)在使用過程中，暴露出用水高峰期水壓較低的情況。在某一時(shí)間周期內(nèi)，用水人數(shù)較大，需水量較大，導(dǎo)致超高層建筑頂部的水壓不足，從而影響用戶的正常使用。超高層建筑結(jié)構(gòu)布局較為復(fù)雜，給排水設(shè)計(jì)過程中，往往需要根據(jù)不同的場(chǎng)景，臨時(shí)調(diào)整給排水設(shè)計(jì)方案，這種臨時(shí)性的變更調(diào)整可能會(huì)導(dǎo)致超高層建筑水壓水量不足、水壓持續(xù)下降等情況。

3 超高層建筑給排水設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用策略

在應(yīng)用超高層建筑給排水設(shè)計(jì)技術(shù)的過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)著眼于實(shí)際，堅(jiān)持問題導(dǎo)向、需求導(dǎo)向、結(jié)果導(dǎo)向，以科學(xué)性原則與實(shí)用性原則為框架，拓寬思路、創(chuàng)新方法，積極推動(dòng)給排水技術(shù)的合理化應(yīng)用，以全面提升超高層建筑給排水等配套設(shè)施的服務(wù)能力。

3.1 精準(zhǔn)把握超高層建筑給排水設(shè)計(jì)要求

超高層建筑給排水設(shè)計(jì)過程中面臨一些技術(shù)性難題，需要妥善解決其中出現(xiàn)的給水壓力不穩(wěn)等系列問題。在開展給排水設(shè)計(jì)工作的過程中，應(yīng)當(dāng)著重做好相關(guān)設(shè)計(jì)工作，實(shí)現(xiàn)水氣混合兩相流通。具體而言，對(duì)給排水管網(wǎng)中的立管設(shè)計(jì)流量進(jìn)行評(píng)估，借助系統(tǒng)化的立管設(shè)計(jì)流量核算，確保立管的最大流量不超過規(guī)定流量的上限，完成給排水管網(wǎng)管道的科學(xué)選型。同時(shí)，還需要做好管道消能處理，通過消能處理降低水流下降的速度，防止水流速度過快，對(duì)給排水管網(wǎng)帶來(lái)額外的損傷，進(jìn)而影響管網(wǎng)的使用壽命。

為實(shí)現(xiàn)水氣混合，保證管網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)人員可以在超高層建筑給排水系統(tǒng)的相關(guān)位置增加專用的通風(fēng)立管，借助通風(fēng)管道來(lái)提升給排水管道內(nèi)部的壓力調(diào)控能力，減少負(fù)壓情況的出現(xiàn)概率，保證給排水管道內(nèi)的空氣可以相互流通，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的保障與改善[4]。為保持給水供給能力，設(shè)計(jì)人員可以采取變頻泵，實(shí)現(xiàn)水壓與供水高度的有效匹配。同時(shí)，合理安排避難層的空間布局，實(shí)現(xiàn)輸送泵與輸水箱的有效設(shè)置。

3.2 完善超高層建筑消防給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為了保證超高層建筑的消防安全，提升給排水管網(wǎng)的消防自救能力，在整個(gè)給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)針對(duì)性地做好消防給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，逐步建立完善的消防給水模式。實(shí)際設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，采取特殊的消防策略，做好消防給水設(shè)計(jì)方案的備案審核工作。例如，當(dāng)高層建筑的整體高度達(dá)到250 m 時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)建筑的空間布局制定特殊的消防策略，并上報(bào)消防主管部門進(jìn)行審核論證，審核通過后組織實(shí)施。

在明確設(shè)計(jì)基本框架與主要流程后，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)超高層建筑的消防設(shè)計(jì)要求，對(duì)消防給水系統(tǒng)的主要參數(shù)作出相應(yīng)的調(diào)整。例如，在超高層建筑的相關(guān)位置設(shè)置消防栓箱，同時(shí)設(shè)置噴淋系統(tǒng)，強(qiáng)化超高層建筑對(duì)于小規(guī)模火災(zāi)的應(yīng)急處置能力。噴淋系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，不僅需要結(jié)合高層建筑的整體空間布局，對(duì)水泵、閥門以及管路開展合理安排，確保噴淋系統(tǒng)的覆蓋范圍以及應(yīng)急能力，還需要提高噴淋系統(tǒng)的抗壓能力，以應(yīng)對(duì)超高層建筑給水壓力過大的問題，保證噴淋系統(tǒng)各類組件的高效、平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

現(xiàn)階段，綜合考量各種因素，噴淋系統(tǒng)中水泵、閥門以及管道的壓力參數(shù)應(yīng)當(dāng)保持在2.5 MPa，選擇的管路應(yīng)當(dāng)以無(wú)縫鋼管為主。通過設(shè)備性能參數(shù)的穩(wěn)步提升，可以較好地兼顧噴淋系統(tǒng)的實(shí)用性與穩(wěn)定性?；诔邔咏ㄖ老到y(tǒng)有序運(yùn)轉(zhuǎn)的要求，設(shè)計(jì)人員可以在地下室內(nèi)設(shè)置泵房?？紤]到消防供水差異較大，對(duì)于水泵可以開展單獨(dú)設(shè)置，并且運(yùn)用高低水壓來(lái)進(jìn)行壓力劃分，確保消防供水系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，水泵高低區(qū)可以共同啟動(dòng)，同時(shí)確保超高層建筑消防系統(tǒng)的水壓符合預(yù)期[5]。

4 BIM 技術(shù)在超高層建筑給排水設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

超高層建筑給排水項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中，需要充分利用BIM 技術(shù)，完成設(shè)計(jì)方案的論證與模型的構(gòu)建，持續(xù)提升超高層建筑給排水設(shè)計(jì)結(jié)果的有效性與精準(zhǔn)性，確保設(shè)計(jì)方案達(dá)到預(yù)期要求。具體來(lái)看，設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書建立BIM 模型，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)以及設(shè)計(jì)要求形成相對(duì)完備的裝飾建筑模型。模型中涵蓋了室內(nèi)裝飾的主要構(gòu)件等多種要素，逐步模擬出空間狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的直觀化。

BIM 技術(shù)可以對(duì)設(shè)計(jì)方案的物理屬性作出評(píng)估，對(duì)空間內(nèi)采光、通風(fēng)、聲學(xué)以及色彩等要素展開分析，根據(jù)分析結(jié)果不斷調(diào)整設(shè)計(jì)方案，在保證設(shè)計(jì)方案質(zhì)量的前提下壓縮設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)方案變更的概率，為項(xiàng)目工程量的管控提供便利條件。在完成設(shè)計(jì)方案確定后，設(shè)計(jì)人員根據(jù)相關(guān)要求，依序做好綜合碰撞檢查。檢查過程中，設(shè)計(jì)人員需要確立綜合化的評(píng)估體系，對(duì)超高層建筑給排水不同要素開展針對(duì)性調(diào)整，尤其注重做好特殊結(jié)構(gòu)相關(guān)信息的記錄，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化處理。

各項(xiàng)綜合碰撞檢查工作完成后，生成二維裝飾施工圖。在這一過程中，充分利用Revit軟件組建相應(yīng)的施工模型，這種施工模型與BIM 裝飾施工圖紙有著較強(qiáng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。當(dāng)設(shè)計(jì)人員根據(jù)施工要求，調(diào)整Revit 模型的相關(guān)數(shù)據(jù)后，可動(dòng)態(tài)調(diào)整制圖模型，縮減了中間環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)工作效率的穩(wěn)步提升。同時(shí)，BIM技術(shù)與Revit 軟件聯(lián)合使用，支持手工圖形繪制操作，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)需要在圖紙的相關(guān)位置標(biāo)注文字注釋或者相關(guān)說明，以更好地提升設(shè)計(jì)方案的可行性，推動(dòng)超高層建筑給排水項(xiàng)目后續(xù)活動(dòng)的順利開展[5]。

BIM 技術(shù)在超高層建筑給排水項(xiàng)目中的應(yīng)用可以持續(xù)提升項(xiàng)目管理工作的精細(xì)化管理水平，形成系統(tǒng)化、全面化的項(xiàng)目管理模式。例如，在施工進(jìn)度管理過程中，管理部門組織人員利用BIM技術(shù)實(shí)時(shí)掌握項(xiàng)目的進(jìn)展情況，將施工進(jìn)展與設(shè)計(jì)方案進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，判定施工進(jìn)度是否達(dá)到預(yù)期。對(duì)于施工進(jìn)度較慢的建設(shè)項(xiàng)目，施工企業(yè)可以組織人員進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)地掌握施工區(qū)域人員、設(shè)備以及材料的管理情況。通過綜合性評(píng)估，明確施工現(xiàn)場(chǎng)管理過程中暴露出的相關(guān)問題，以問題為導(dǎo)向，以需求為牽引，綜合考量各類因素，在BIM 技術(shù)框架下，有針對(duì)性地開展超高層建筑給排水施工現(xiàn)場(chǎng)管理工作。

針對(duì)部分施工體量較大、施工難度較高的超高層建筑給排水，施工人員可以充分借助BIM 技術(shù)對(duì)施工流程開展全方位的模擬。模擬過程中，通過物理碰撞以及規(guī)則碰撞等方式，測(cè)試模擬施工流程的可行性，論證施工流程是否可以在保障施工質(zhì)量的前提下壓縮施工周期，保證施工進(jìn)度。在這一過程中，管理人員利用計(jì)算機(jī)技術(shù)持續(xù)記錄建筑工程項(xiàng)目的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，抓住項(xiàng)目施工管理的重點(diǎn)要求，通過科學(xué)把控管理重點(diǎn)，使施工企業(yè)在物料選型、購(gòu)買以及管理等環(huán)節(jié)可以更好地開展管理工作，從源頭上杜絕質(zhì)量問題的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)超高層建筑給排水質(zhì)量的科學(xué)管理，同時(shí)確?？梢栽谝?guī)定的時(shí)間內(nèi)，快速完成項(xiàng)目施工任務(wù)。

5 結(jié)語(yǔ)

超高層建筑給排水設(shè)計(jì)對(duì)于建筑物內(nèi)部水資源管控能力的提升大有裨益。為發(fā)揮給排水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與社會(huì)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性、美觀性以及實(shí)用性，嘗試從多個(gè)角度出發(fā)，通過有效整合技術(shù)資源，持續(xù)增強(qiáng)給排水設(shè)計(jì)方案的有效性，確保給排水各類設(shè)施的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。