高層建筑給排水可靠性的方法研究

姚巧萍

0 引言

實(shí)踐表明，我國(guó)高層建筑給排水設(shè)計(jì)與施工一直是困擾建筑業(yè)的難題。為此，在實(shí)際施工過(guò)程中，可從圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、施工技術(shù)、安全生產(chǎn)、優(yōu)化改進(jìn)等幾個(gè)方面深入研究，保證給排水設(shè)計(jì)與施工建設(shè)水平達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。在此過(guò)程中，高層建筑給排水可靠性的研究較為重要，在做好有關(guān)的分析工作后，可達(dá)到推動(dòng)高層建筑給排水技術(shù)發(fā)展的實(shí)際成效。

1 高層建筑給排水施工中存在的問(wèn)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(shí)際問(wèn)題，如排水系統(tǒng)設(shè)置不合理、消防系統(tǒng)被忽視等等。隨后筆者在對(duì)高層建筑給排水施工進(jìn)行探索時(shí)，提出了建筑給排水設(shè)計(jì)存在的新問(wèn)題，這些新問(wèn)題因經(jīng)常出現(xiàn)所以也可被稱為“典型問(wèn)題”。

1.1 空調(diào)冷凝管排水系統(tǒng)缺失問(wèn)題

針對(duì)高層建筑給排水施工工序，在確保其穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，應(yīng)重視排水管細(xì)節(jié)問(wèn)題。但由于個(gè)別建筑沒(méi)有空調(diào)凝結(jié)管的排水管，其無(wú)法將排水系統(tǒng)與雨水系統(tǒng)相結(jié)合，從而導(dǎo)致雨水大量排放時(shí)，排水管會(huì)發(fā)出較大的噪聲，在這種情況下若沒(méi)有將雨水及時(shí)排放，屋頂、露臺(tái)都會(huì)出現(xiàn)積水，雨水會(huì)滲入室內(nèi)，產(chǎn)生嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題。

1.2 給水排水系統(tǒng)聯(lián)合設(shè)置問(wèn)題

現(xiàn)階段，根據(jù)對(duì)我國(guó)高層建筑的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，給排水施工中施工單位在實(shí)際工序中會(huì)按照聯(lián)合設(shè)置的方式完成該工序。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，為了方便和節(jié)省，在高層建筑施工中應(yīng)將排水與雨水系統(tǒng)相結(jié)合，并保障其可靠性，考慮選擇多層排水系統(tǒng)，但若聯(lián)合處理不當(dāng)將導(dǎo)致排水系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的問(wèn)題。

1.3 消防系統(tǒng)忽視問(wèn)題

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

1.4 二次加壓?jiǎn)栴}

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

本文通過(guò)對(duì)我國(guó)高層建筑二次增壓設(shè)計(jì)現(xiàn)狀的分析，發(fā)現(xiàn)除能部分合理地進(jìn)行二次增壓參數(shù)的高層建筑外，個(gè)別高層建筑存在二次加壓設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)膯?wèn)題。若二次加壓設(shè)計(jì)參數(shù)較大，則低層位置靜水壓力會(huì)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(shè)計(jì)參數(shù)較小，水壓效應(yīng)無(wú)法充分發(fā)揮，導(dǎo)致高層建筑用水問(wèn)題難以得到有效控制[1]。

1.5 空調(diào)立管排水設(shè)計(jì)

問(wèn)題：排水立管，空調(diào)冷凝水的豎管位置阻擋窗戶。

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

1.6 頂層排水設(shè)計(jì)

問(wèn)題：機(jī)房層頂僅設(shè)一根雨水管，不符合相關(guān)規(guī)范。

原因：《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》4.9.27：在建筑物的各個(gè)匯水區(qū)域，雨水排放管道的數(shù)量不得少于2個(gè)。

1.7 陽(yáng)臺(tái)給排水設(shè)計(jì)

問(wèn)題：陽(yáng)臺(tái)洗衣機(jī)的下層排水分支管道沒(méi)有安裝蓄水彎，會(huì)造成未來(lái)的露臺(tái)地漏返臭。

原因分析：設(shè)計(jì)圖中只說(shuō)明了地漏為洗衣機(jī)專用地漏，但是該處的漏水彎頭不能達(dá)到50 mm深度要求。

2 高層給水排水施工常見(jiàn)問(wèn)題的處理方法

針對(duì)上述提出的問(wèn)題，應(yīng)對(duì)高層給水排水進(jìn)行劃分，以便提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。

施工單位需采取“二次加壓”的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

泵房的設(shè)計(jì)要做到科學(xué)、合理，避免因長(zhǎng)度高度等問(wèn)題對(duì)整體施工造成影響。

安裝水箱，應(yīng)合理控制其高度，避免因壓力不足導(dǎo)致上層用戶供水系統(tǒng)產(chǎn)生不穩(wěn)定的因素。

減少供水系統(tǒng)的噪聲，避免產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)。

采用縱向分區(qū)、設(shè)置減壓閥等措施，以達(dá)到減少污水管網(wǎng)壓力的實(shí)際效果。

針對(duì)消防供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，下述將提出可靠性研究分析，在按照其可靠性計(jì)算后，應(yīng)確保達(dá)到統(tǒng)一給水的效果，確保供水系統(tǒng)科學(xué)合理，供水管線的獨(dú)立性。

廢水分流，需按照水的二次利用機(jī)制。一般來(lái)說(shuō)，衛(wèi)生間的排水管道應(yīng)設(shè)計(jì)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(dú)立排水的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)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(guó)內(nèi)，此類施工辦法較為常見(jiàn)。其基本原則是將高層建筑內(nèi)部給水系統(tǒng)以及外部供水管網(wǎng)相連接，以構(gòu)成完整的供水系統(tǒng)。直接供水方式與其他傳統(tǒng)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(nèi)缺少儲(chǔ)水功能，當(dāng)管網(wǎng)出現(xiàn)缺水等問(wèn)題時(shí)，供水系統(tǒng)將處于中斷狀態(tài)。

（2）采用設(shè)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(nèi)的給水系統(tǒng)完全相連。同時(shí)，為了滿足高層建筑內(nèi)部用戶用水需求，可在高層建筑中安設(shè)大量的高水位水箱。在供水高峰期，由于供水系統(tǒng)壓力參數(shù)較低，難以保證建筑內(nèi)用戶正常用水量，這種情況水箱會(huì)發(fā)揮其給水功能，保證用水量達(dá)到充足狀態(tài)。從實(shí)際使用情況來(lái)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(wèn)題，但同時(shí)也會(huì)引起高層建筑自身的負(fù)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(jiàn)的施工方式，其中分為整體與局部?jī)煞N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(gè)衛(wèi)生間地板降低300mm，根據(jù)這個(gè)高度，對(duì)排水管道進(jìn)行合理的處理，以保證它與其他室外管道相聯(lián)合?！熬植砍两怠迸潘┕し椒ㄅc整體沉降法基本一致，但由于整體下調(diào)的施工方式會(huì)干擾到建筑內(nèi)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(duì)高層建筑上層地面所鋪設(shè)的排水管道，確保其高層建筑外部的管道相連接，當(dāng)管道安裝敷設(shè)完畢后，還應(yīng)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(tǒng)可靠性分析

4.1.1 高層建筑雨水收集系統(tǒng)集雨裝置

在高層建筑樓頂?shù)匕逶O(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)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(nèi)，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(nèi)。同時(shí)，將流動(dòng)管線連接到水箱的底部，并在界面上安裝浮動(dòng)閥。這樣的集雨設(shè)備可在雨水較小時(shí)起到保護(hù)作用，在循環(huán)管路中，雨水流量小，不連續(xù)，會(huì)對(duì)發(fā)電效率產(chǎn)生一定的影響，同時(shí)也可以避免雨水過(guò)多，造成屋頂?shù)膿p壞以達(dá)到可靠性設(shè)計(jì)要求。

4.1.2 高層建筑雨水收集系統(tǒng)過(guò)濾

雨水過(guò)濾是利用濾液或滲透性的媒介來(lái)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(tǒng)過(guò)濾處理中，可以使用粗濾的表面過(guò)濾，使用篩網(wǎng)或相似的有孔洞的物料作為過(guò)濾介質(zhì)，所捕獲的微粒大于0.1mm，且經(jīng)過(guò)的介質(zhì)極少，不會(huì)損害水輪機(jī)發(fā)電機(jī)。過(guò)濾費(fèi)用低廉，可在每個(gè)排水管入口安裝過(guò)濾器[3]。

4.1.3 高層建筑雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)

雨水管的設(shè)計(jì)參數(shù)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(duì)高層建筑雨水管系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。Advance First Order Second Moment method（AFOSM）該方法以泰勒展開(kāi)為基礎(chǔ)，以性能函數(shù)為估算辦法計(jì)算出其分布。在該設(shè)計(jì)參數(shù)矢量中，用 W（X）表示，X=X（X1、X2…XN）。其主要目標(biāo)是估計(jì)X滿足正常分布時(shí)W（X）的分布。在可靠性研究過(guò)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(chǔ)上，給出W（X）=QC-QD的例子。如果W（X）=0，表示設(shè)計(jì)的流量剛好能滿足實(shí)際的流量要求。

AFOSM法按以下方式進(jìn)行計(jì)算：

（1）定義相應(yīng)的約束條件 W（X）=0.

（2）定義各設(shè)計(jì)點(diǎn)的設(shè)計(jì)參數(shù)向量X*。

（3）計(jì)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(diǎn)。

（5）迭代運(yùn)算直到方向參數(shù)β hl的收斂為止。

（6）由收斂方向參數(shù)βhl求出故障概率 pf。

在計(jì)算完畢后，需按照高層建筑實(shí)際情況，分別對(duì)各個(gè)管段在不同的降水重現(xiàn)期情況下的故障概率進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上，對(duì)管道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞概率分析，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，例如：底部寬度 b.直徑d、斜率s、曼寧糙率系數(shù) n等。

在暴雨強(qiáng)度的計(jì)算中，通常不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，工作人員只需按照規(guī)范中所規(guī)定的時(shí)間和設(shè)計(jì)重現(xiàn)時(shí)間來(lái)進(jìn)行。而在計(jì)算雨水流量時(shí)，其工作重點(diǎn)是確定匯水面積。對(duì)于普通的平屋頂，其水平投影面積可被統(tǒng)計(jì)；對(duì)于高出屋頂?shù)南噜弶w，按照規(guī)范規(guī)定，其最大垂直投影面積為1/2。

同時(shí)，在根據(jù)設(shè)計(jì)要求完善其排水設(shè)施的布置時(shí)，需注意地漏、立管，確保其達(dá)到排水要求，保證在設(shè)計(jì)重現(xiàn)期間不積水，整體管路系統(tǒng)應(yīng)該按照自重流的體系來(lái)考慮，在多條走廊的排水豎管的底部匯合后，應(yīng)特別注意排出管道的排水能力，特別是經(jīng)常遇到臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣的沿海地區(qū)。

4.2 高層建筑消防供水系統(tǒng)可靠性分析

在對(duì)高層建筑的消防供水系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)以可靠性為基礎(chǔ)，并明確安全性與經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系。在結(jié)合高層建筑結(jié)構(gòu)特征以及消防給水系統(tǒng)自身特點(diǎn)后，還需考慮到其滅火性能，下述從幾點(diǎn)辦法提出高層建筑消防供水系統(tǒng)可靠性分析措施。

4.2.1 評(píng)估的方法

高層建筑消防給水系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)方法有：關(guān)聯(lián)矩陣法（原始方法）、層次分析法（多要素評(píng)價(jià)）、多評(píng)價(jià)主體的模糊綜合評(píng)價(jià)、系統(tǒng)可靠性分析、專家評(píng)價(jià)、模型評(píng)價(jià)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法。其中依據(jù)綜合評(píng)估的方法需針對(duì)不同的評(píng)估對(duì)象以及目標(biāo)，選擇合適的體系并按照可靠性評(píng)估為目標(biāo)[4]。

利用相關(guān)矩陣方法，可以將A1、A2… An作為不同的消防供水系統(tǒng)評(píng)價(jià)方案；X1、X2… Xm是評(píng)價(jià)因子，如各個(gè)功能指數(shù)（項(xiàng)），其中 W是權(quán)重，Vi是得分，參見(jiàn)表1。

表1 關(guān)聯(lián)矩陣原理

AHP是一種綜合定性和定量相結(jié)合的多目標(biāo)評(píng)估決策方法。模糊綜合評(píng)價(jià)方法可以對(duì)多個(gè)系統(tǒng)的影響因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，并將多個(gè)因素結(jié)合起來(lái)后運(yùn)用其理論評(píng)價(jià)其優(yōu)劣[5]。

4.2.2 評(píng)估的指標(biāo)與評(píng)估

評(píng)價(jià)系統(tǒng)劃分的指標(biāo)系統(tǒng)可以分為4個(gè)等級(jí)，即目標(biāo)和功能、系統(tǒng)性能、經(jīng)濟(jì)效果和其他四個(gè)方面，見(jiàn)表2。在此每個(gè)評(píng)估指標(biāo)都需進(jìn)行評(píng)分。

表2 消防給水系統(tǒng)的評(píng)價(jià)項(xiàng)目、評(píng)估指標(biāo)

在高層建筑消防供水系統(tǒng)的分區(qū)評(píng)價(jià)中，各評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的4項(xiàng)指標(biāo)總得分均為100。4個(gè)項(xiàng)目的分?jǐn)?shù)分別為Q1,Q2,Q3,Q4，合計(jì)100分。各體系方案的總分是各項(xiàng)指標(biāo)與加權(quán)系數(shù)之和[6]。

4.2.3 可靠度的計(jì)算

針對(duì)消防給水組件的可靠性進(jìn)行計(jì)算，一般來(lái)說(shuō)需在規(guī)定的時(shí)間與條件下完成對(duì)預(yù)定功能能力的概率度量。其包括安全性、適應(yīng)性和消防給水組件的耐久度。在高層建筑消防給水系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)中，首先要建立可靠度模型，其次是可靠性分析。其中按分級(jí)分區(qū)的消防供水系統(tǒng)可作為單元，消防供水系統(tǒng)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(duì)各個(gè)消防供水系統(tǒng)的構(gòu)成單位及管網(wǎng)進(jìn)行分級(jí)、分區(qū)的可靠性進(jìn)行合理的分析與評(píng)估，并完成其測(cè)試工序[7]。

5 結(jié)論

基于建筑行業(yè)與施工技術(shù)的快速發(fā)展，在高層給水排水系統(tǒng)的建設(shè)方面，形成了比較成熟的施工技術(shù)。為此，在實(shí)際施工中，首先需保障設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性，其次應(yīng)結(jié)合以往的施工經(jīng)驗(yàn)，采用先進(jìn)的施工技術(shù)，進(jìn)而保障施工質(zhì)量。最后，依據(jù)可靠性設(shè)計(jì)分析，努力完善評(píng)估措施，明確消防給水系統(tǒng)、雨水系統(tǒng)的可靠性能，進(jìn)而保障高層建筑給排水系統(tǒng)發(fā)揮其最大的利用價(jià)值，在滿足用戶日常用水需求后，減少施工難度、達(dá)到節(jié)能減排的實(shí)際成效。