香港超高層建筑給排水設(shè)計(jì)

香港超高層建筑給排水設(shè)計(jì)

0建筑發(fā)展階段20世紀(jì)80年代1972年8月，在美國(guó)賓夕法尼亞州的伯祿恒市召開的國(guó)際高層建筑會(huì)議上，高層建筑的分類和定義得到了討論。第一類高層建筑:9~16層(高度≤50m);第二類高層建筑:17~25層(高度≤75m);第三類高層建筑:26~40層(高度≤100m);超高層建筑:40層以上(高度>100m)。1976年,廣州白云賓館建成,主樓33層,高115m,標(biāo)志著中國(guó)大陸自行設(shè)計(jì)建造的高層建筑高度開始突破100m,進(jìn)入超高層建筑發(fā)展階段。20世紀(jì)80年代我國(guó)高層建筑發(fā)展進(jìn)入興盛時(shí)期。1985年建成的深圳國(guó)際貿(mào)易中心(50層、高160m)是20世紀(jì)80年代中國(guó)大陸最高的建筑。1990年落成的廣東國(guó)際貿(mào)易大廈以198.4m的絕對(duì)優(yōu)勢(shì),成為當(dāng)時(shí)中國(guó)大陸最高建筑。1990年建成的北京京廣中心(57層、高208m)是中國(guó)大陸首棟突破200m高度的超高層建筑。1996年,深圳地王大廈(81層、高325m)和廣州中天廣場(chǎng)(現(xiàn)中信廣場(chǎng),80層、高322m)相繼建成。特別是1998年88層、高420.5m的上海金茂大廈的建成使我國(guó)超高層建筑技術(shù)跨入世界先進(jìn)行列。20世紀(jì)60年代,超高層建筑在我國(guó)香港同樣得以迅速發(fā)展。1973年建成了當(dāng)時(shí)亞洲第一高樓52層、高179m的康樂(lè)中心。1980年65層、高216m的合和中心大廈的建成,取代康樂(lè)中心成為亞洲最高的建筑物。1989年建成的中國(guó)銀行大廈高達(dá)369m,72層,成為香港的標(biāo)志性建筑和美國(guó)以外最高的超高層建筑,也是當(dāng)時(shí)世界5幢最高的建筑之一。1993年78層、高374m的香港中環(huán)廣場(chǎng)大廈建成。2003年88層的國(guó)際金融中心二期建成,使香港超高層建筑高度突破400m大關(guān),達(dá)416m。隨著建筑高度的不斷刷新,對(duì)建筑技術(shù)的要求不斷增加。筆者參與了以下幾個(gè)超高層建筑的給排水設(shè)計(jì):天津某建筑高度336.9m、71層的辦公建筑;天津某建筑高度358m、82層的辦公及五星級(jí)酒店建筑;北京目前高度第三258m、56層的辦公建筑;就設(shè)計(jì)中遇到的幾個(gè)問(wèn)題與同行探討。1系統(tǒng)水泵采用密閉式泵來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力重力供水和變頻供水的節(jié)能性在學(xué)術(shù)界存在較大的分歧,目前為止沒(méi)有國(guó)家性的法規(guī)及權(quán)威資料表明哪種供水方式更有利于節(jié)能。就筆者所參與的幾個(gè)項(xiàng)目,筆者認(rèn)為辦公樓采用變頻供水更為合理。首先超高層建筑大概每隔15層會(huì)設(shè)置一個(gè)避難層兼設(shè)備層,可利用第一個(gè)避難層以及每隔一個(gè)避難層設(shè)置中間轉(zhuǎn)輸水箱,每?jī)蓚€(gè)避難層中間樓層分為一個(gè)大區(qū)采用一組變頻泵加壓供水,每個(gè)大區(qū)再采用減壓閥分為兩個(gè)小區(qū),而轉(zhuǎn)輸水泵采用液位控制啟停的工頻泵,這樣基本上只用在第一個(gè)避難層及第三個(gè)避難層設(shè)置中間轉(zhuǎn)輸水箱,有效減少機(jī)房占用面積。此外,采用上述系統(tǒng)給水設(shè)備及管材最大承壓為一、三避難層中間的高度,系統(tǒng)承壓不會(huì)超過(guò)2MPa,目前的技術(shù)及設(shè)備承受此壓力還是比較安全的。另外一方面由于辦公樓的用水量較小,時(shí)變化系數(shù)為1.5,在變頻加壓水泵的選型上采用一個(gè)大泵配一個(gè)小泵及一個(gè)氣壓水罐并備用一臺(tái)大泵,流量分配采用100%50%100%,其中最后一個(gè)100%為備用,其水泵的出水量基本可以和系統(tǒng)的用水量相吻合,同時(shí)轉(zhuǎn)輸水泵采用工頻泵,可以保證各水泵在高效區(qū)運(yùn)行,達(dá)到變頻節(jié)能的目的,并相應(yīng)減少了機(jī)房的面積以及二次污染的機(jī)率。對(duì)于酒店,由于其對(duì)壓力的穩(wěn)定性要求較高,為避免變頻加壓供水出現(xiàn)的用水忽冷忽熱,酒店采用屋頂水箱重力供水更加合理。對(duì)于屋頂水箱二次污染問(wèn)題,酒店一般有比較完善的物業(yè)管理,同時(shí)屋頂水箱設(shè)置為2個(gè),可定時(shí)沖洗,并且酒店為24小時(shí)用水,水箱里的儲(chǔ)水可得到及時(shí)更新,有效避免出現(xiàn)二次污染。此外,酒店建筑的用水特點(diǎn)是用水變化比較大,時(shí)變化系數(shù)為2~2.5,如采用變頻給水其水泵配置很難與用水曲線吻合,因此水泵不能保證在高效區(qū)運(yùn)行,從而造成效率下降,能源浪費(fèi)。因此酒店建筑的超高層建筑建議采用屋頂水箱重力供水。2中間轉(zhuǎn)輸水壓容積的確定超高層建筑中間轉(zhuǎn)輸水箱包括消防轉(zhuǎn)輸水箱和生活轉(zhuǎn)輸水箱兩部分。消防的中間轉(zhuǎn)輸水箱在《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施給水排水》(2003年)中規(guī)定:“采用水泵轉(zhuǎn)輸串聯(lián)時(shí),中間轉(zhuǎn)輸水箱同時(shí)起著上區(qū)輸水泵的吸水池和本區(qū)消防給水屋頂水箱的作用,其儲(chǔ)水容積按15~30min的消防設(shè)計(jì)水量經(jīng)計(jì)算確定,并不宜小于60m3。”假如超高層建筑消火栓用水量為40L/s,自動(dòng)噴水用水量為30L/s,則中間轉(zhuǎn)輸水箱的容積=(40+30)×10×60+(40+30)×5×60=63000(L),其中10min水量為本區(qū)屋頂消防水箱的水量,5min為上區(qū)水泵吸水池的水量,如還有其他水消防系統(tǒng)則把有可能在火災(zāi)時(shí)同時(shí)啟動(dòng)的消防系統(tǒng)的水量疊加計(jì)算,作為中間轉(zhuǎn)輸水箱容積。而對(duì)于生活給水系統(tǒng),《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50015—2003)3.7.8條規(guī)定:生活給水用中途轉(zhuǎn)輸水箱轉(zhuǎn)輸調(diào)節(jié)容積宜取5~10min轉(zhuǎn)輸水泵的流量。作為生活給水系統(tǒng)的轉(zhuǎn)輸水箱,其作用有兩個(gè):一為上區(qū)加壓水泵的吸水井,此部分水量為上區(qū)水泵3~5min的出水量;二為下區(qū)轉(zhuǎn)輸泵的調(diào)節(jié)容積,即為保證初級(jí)水泵每小時(shí)啟動(dòng)次數(shù)不大于6次的調(diào)節(jié)水量,此部分水量為轉(zhuǎn)輸水泵5~10min的出水量,如上區(qū)水泵的流量為8L/s,轉(zhuǎn)輸水泵的流量也為8L/s,則轉(zhuǎn)輸水箱容積=8×5×60+8×10×60=7200(L)。此為采用變頻供水系統(tǒng)時(shí)的計(jì)算方法。如系統(tǒng)為重力供水系統(tǒng),則中間轉(zhuǎn)輸水箱除作為上區(qū)水泵的吸水井外,還需有儲(chǔ)存本區(qū)用水的調(diào)節(jié)容積,一般此部分調(diào)節(jié)容積按水箱重力供水服務(wù)區(qū)域最大時(shí)用水的50%計(jì),兩部分疊加計(jì)算為重力供水系統(tǒng)中間轉(zhuǎn)輸水箱的容積。3保證排水管系的安全由建筑高度引起的勢(shì)能如何消除?水流從300多米高處下落,對(duì)排水管系是否造成破壞,水流的沖擊是否破壞較低層的水封?要解決這些困擾問(wèn)題需從排水管系中的水流狀態(tài)分析入手。排水立管中的水流是斷續(xù)、非均勻的,帶有空氣,下落時(shí)是水氣混合的兩相不穩(wěn)定流,流量時(shí)大時(shí)小,滿流與非滿流交替。立管中水流的具體變化過(guò)程為附壁螺旋流→水膜流→等速水膜流→柱塞流,而對(duì)排水管系造成破壞的水流狀態(tài)為柱塞流。如立管中的水流狀態(tài)為柱塞流而其中的氣流又不足以破環(huán)水塞時(shí),水塞造成有壓沖擊流,在其運(yùn)動(dòng)的前端為大于大氣壓的正壓,后端為小于大氣壓的負(fù)壓,隨著水塞的下落,管中的氣壓發(fā)生激烈變化,會(huì)形成正壓噴濺或負(fù)壓抽吸,對(duì)排水管系中衛(wèi)生器具水封層的穩(wěn)定產(chǎn)生嚴(yán)重影響,導(dǎo)致排水管道系統(tǒng)不能正常工作。要保證排水管系安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理,首先要保證排水立管中的水流不形成柱塞流,應(yīng)維持在等速水膜流,這就需要進(jìn)行嚴(yán)格水力計(jì)算,控制立管設(shè)計(jì)流量的負(fù)荷極限值為在等速水膜流狀態(tài)下達(dá)到終限流速時(shí)的流量;此外在排水立管中采取一些消能措施,減小水流的下降速度,避免由于水流的沖擊對(duì)管系造成破壞,試驗(yàn)表明在立管上隔一定的距離設(shè)置“乙”字彎可以減小約50%的流速,工程中一般自頂層起每隔6層設(shè)置一套消能裝置;另一保證排水管系安全的重要措施就是設(shè)置專用的通氣立管與大氣相通,從而釋放排水管系中的正壓以及補(bǔ)給空氣減小負(fù)壓,使管內(nèi)的氣壓保持接近大氣壓力,保證立管內(nèi)的空氣流通,排除排水管道中的有害氣體,保護(hù)衛(wèi)生器具的水封,試驗(yàn)表明設(shè)置專用通氣立管可使立管排水能力提高一倍。以上措施可以保證在超高層建筑排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)由于建筑高度引起的排水勢(shì)能得到有效消除,保證系統(tǒng)安全。4雨水的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期與雨水設(shè)計(jì)結(jié)果由于降雨不可人為控制,雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)不安全對(duì)建筑尤其是超高層建筑的損害非常大,因此超高層建筑屋面雨水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的取值應(yīng)慎重?！督ㄖo水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》4.9.5條規(guī)定,重要公共建筑屋面雨水排水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期不宜小于10年;4.9.9條規(guī)定,重要公共建筑的屋面雨水排水工程與溢流設(shè)施的總排水能力不應(yīng)小于50年重現(xiàn)期的雨水量。超高層建筑不可能設(shè)置溢流口,建議屋面雨水的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期取50年,同時(shí)按100年校核雨水系統(tǒng)的排水能力。除了設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的取值問(wèn)題外,還有一個(gè)問(wèn)題需要考慮。由于建筑高度很高,目前常用的65型、87型雨水斗設(shè)計(jì)流態(tài)為重力流但需要考慮排水壓力,因此在選用雨水系統(tǒng)管材時(shí)需要考慮由于建筑高度引起的靜壓力,建議雨水管材在普通鋼管壓力范圍內(nèi)選用普通鋼管,承壓比較高的部分采用無(wú)縫鋼管。超高層建筑屋面雨水排水采用純重力流雨水系統(tǒng)是比較經(jīng)濟(jì)安全的,但重力流雨水斗的研制和標(biāo)準(zhǔn)圖目前還在進(jìn)行當(dāng)中,沒(méi)有成型的產(chǎn)品可供使用,目前還是按87型雨水斗系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此外室內(nèi)雨水排入的第一個(gè)室外檢查井選用消能井,以防止由于排出管壓力過(guò)高引起噴濺事故。超高層建筑雨水系統(tǒng)還有一個(gè)不容忽視的問(wèn)題——雨篷的雨水排水。雨篷的面積雖然不大,其雨水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期可按5年取值,但是雨篷所截留的上方側(cè)墻的面積(面積取值折減一半)遠(yuǎn)大于雨篷的面積,一般也遠(yuǎn)大于屋面的面積,因此雨篷的雨水排水量遠(yuǎn)比屋面的排水量大。由于雨篷面積小,雨水斗多,立管也多,并且雨篷是建筑專業(yè)的門面,因此建筑專業(yè)對(duì)雨水斗、立管的設(shè)置有諸多限制,而雨篷下面是人員的出入口,安全性十分重要,因此在配合此部分的設(shè)計(jì)時(shí)要妥善處理,首先要做到安全可靠再考慮美觀因素。5消防分區(qū)設(shè)置《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB50045—95,2005年版,以下簡(jiǎn)稱“高規(guī)”)7.4.5.2條規(guī)定,消防給水為豎向分區(qū)供水時(shí),在消防車供水壓力范圍內(nèi)的分區(qū),應(yīng)分別設(shè)置水泵接合器。其條文說(shuō)明明確提出:只有采用串聯(lián)給水方式時(shí),上區(qū)用水由下區(qū)水箱抽水供給,可僅在下區(qū)設(shè)水泵接合器,供全樓使用?！蹲詣?dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50084—2001,2005年版,以下簡(jiǎn)稱“噴規(guī)”)10.4.2條規(guī)定,當(dāng)水泵接合器的供水能力不能滿足最不利點(diǎn)處作用面積的流量和壓力要求時(shí),應(yīng)采取增壓措施。其條文說(shuō)明提出:根據(jù)某些省市消防局的經(jīng)驗(yàn),規(guī)定在當(dāng)?shù)叵儡嚬┧芰咏鼧O限的部位,設(shè)置接力設(shè)施?？梢钥闯?根據(jù)“高規(guī)”,在消防車供水范圍之外的消防分區(qū),無(wú)論是消火栓系統(tǒng)還是自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng),均可不再設(shè)置水泵接合器;但是根據(jù)“噴規(guī)”,在超出消防車供水范圍之外的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的消防分區(qū)需要設(shè)置接力設(shè)施。根據(jù)上述規(guī)定首先可以得到一個(gè)結(jié)論,自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)在消防車供水范圍之外的分區(qū)也需要設(shè)置水泵接合器。那消火栓系統(tǒng)在消防車供水范圍之外的消防分區(qū)是否有必要設(shè)置水泵接合器呢?“高規(guī)”1.0.5條規(guī)定,當(dāng)高層建筑的建筑高度超過(guò)250m時(shí),建筑設(shè)計(jì)采取的特殊的防火措施,應(yīng)提交國(guó)家消防主管部門組織專題研究、論證。從中可以看出,當(dāng)建筑高度超過(guò)250m,目前的“高規(guī)”僅作為設(shè)計(jì)參考,所有的消防系統(tǒng)均需通過(guò)消防局組織的專題消防論證會(huì)論證。而“高規(guī)”1.0.2條規(guī)定,高層建筑的防火設(shè)計(jì),必須遵循“預(yù)防為主,防消結(jié)合”的消防工作方針,針對(duì)高層建筑發(fā)生火災(zāi)的特點(diǎn),立足自防自救,采用可靠的防火措施,做到安全使用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。從消防的原則可以看出,對(duì)于超高層建筑更應(yīng)立足于自救,從超高層建筑火災(zāi)的危害和影響以及火災(zāi)的撲救難度考慮,更應(yīng)加強(qiáng)消防設(shè)施的設(shè)計(jì)。雖然沒(méi)有規(guī)范明確規(guī)定消火栓系統(tǒng)在超出消防車供水范圍之外的分區(qū)也需要設(shè)置水泵接合器,但是筆者建議此種情況也設(shè)置水泵接合器,以保證消防系統(tǒng)的安全可靠。因此在消防車供水范圍之外的消防分區(qū)無(wú)論消火栓系統(tǒng)還是自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)均需設(shè)置水泵接合器。如何設(shè)置?首先要了解水泵接合器的作用?！案咭?guī)”7.4.5條文說(shuō)明提到:水泵接合器的主要用途,是當(dāng)室內(nèi)消防水泵發(fā)生故障或遇大火室內(nèi)消防用水不足時(shí),供消防車從室外消火栓取水,通過(guò)水泵結(jié)合器將水送到室內(nèi)消防給水管網(wǎng),供滅火使用。一般消防水泵采用1用1備或2用1備,備用泵為電力泵,一般2臺(tái)水泵同時(shí)發(fā)生機(jī)械故障的概率較小,只有電力故障情況下2臺(tái)水泵均不會(huì)投入工作,因此建議設(shè)置柴油泵作為消防系統(tǒng)的備用泵,以避免在電力故障時(shí)消防加壓泵不能工作。采用柴油泵作為備用泵時(shí),一般設(shè)計(jì)人員都會(huì)考慮柴油泵所使用燃料的儲(chǔ)存和日常維護(hù)。柴油泵的國(guó)家制造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定柴油泵本身的油箱儲(chǔ)存燃料為柴油泵運(yùn)行3小時(shí)的燃料,因此不必