香港超高層建筑給排水設計

香港超高層建筑給排水設計

0建筑發(fā)展階段20世紀80年代1972年8月，在美國賓夕法尼亞州的伯祿恒市召開的國際高層建筑會議上，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,標志著中國大陸自行設計建造的高層建筑高度開始突破100m,進入超高層建筑發(fā)展階段。20世紀80年代我國高層建筑發(fā)展進入興盛時期。1985年建成的深圳國際貿(mào)易中心(50層、高160m)是20世紀80年代中國大陸最高的建筑。1990年落成的廣東國際貿(mào)易大廈以198.4m的絕對優(yōu)勢,成為當時中國大陸最高建筑。1990年建成的北京京廣中心(57層、高208m)是中國大陸首棟突破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(現(xiàn)中信廣場,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超高層建筑技術跨入世界先進行列。20世紀60年代,超高層建筑在我國香港同樣得以迅速發(fā)展。1973年建成了當時亞洲第一高樓52層、高179m的康樂中心。1980年65層、高216m的合和中心大廈的建成,取代康樂中心成為亞洲最高的建筑物。1989年建成的中國銀行大廈高達369m,72層,成為香港的標志性建筑和美國以外最高的超高層建筑,也是當時世界5幢最高的建筑之一。1993年78層、高374m的香港中環(huán)廣場大廈建成。2003年88層的國際金融中心二期建成,使香港超高層建筑高度突破400m大關,達416m。隨著建筑高度的不斷刷新,對建筑技術的要求不斷增加。筆者參與了以下幾個超高層建筑的給排水設計: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層的辦公及五星級酒店建筑;北京目前高度第三258m、56層的辦公建筑;就設計中遇到的幾個問題與同行探討。1系統(tǒng)水泵采用密閉式泵來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力重力供水和變頻供水的節(jié)能性在學術界存在較大的分歧,目前為止沒有國家性的法規(guī)及權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項目,筆者認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層會設置一個避難層兼設備層,可利用第一個避難層以及每隔一個避難層設置中間轉輸水箱,每兩個避難層中間樓層分為一個大區(qū)采用一組變頻泵加壓供水,每個大區(qū)再采用減壓閥分為兩個小區(qū),而轉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避難層及第三個避難層設置中間轉輸水箱,有效減少機房占用面積。此外,采用上述系統(tǒng)給水設備及管材最大承壓為一、三避難層中間的高度,系統(tǒng)承壓不會超過2MPa,目前的技術及設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,時變化系數(shù)為1.5,在變頻加壓水泵的選型上采用一個大泵配一個小泵及一個氣壓水罐并備用一臺大泵,流量分配采用100%50%100%,其中最后一個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,同時轉輸水泵采用工頻泵,可以保證各水泵在高效區(qū)運行,達到變頻節(jié)能的目的,并相應減少了機房的面積以及二次污染的機率。對于酒店,由于其對壓力的穩(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。對于屋頂水箱二次污染問題,酒店一般有比較完善的物業(yè)管理,同時屋頂水箱設置為2個,可定時沖洗,并且酒店為24小時用水,水箱里的儲水可得到及時更新,有效避免出現(xiàn)二次污染。此外,酒店建筑的用水特點是用水變化比較大,時變化系數(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)運行,從而造成效率下降,能源浪費。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中間轉輸水壓容積的確定超高層建筑中間轉輸水箱包括消防轉輸水箱和生活轉輸水箱兩部分。消防的中間轉輸水箱在《全國民用建筑工程設計技術措施給水排水》(2003年)中規(guī)定:“采用水泵轉輸串聯(lián)時,中間轉輸水箱同時起著上區(qū)輸水泵的吸水池和本區(qū)消防給水屋頂水箱的作用,其儲水容積按15~30min的消防設計水量經(jīng)計算確定,并不宜小于60m3?！奔偃绯邔咏ㄖ鹚ㄓ盟繛?0L/s,自動噴水用水量為30L/s,則中間轉輸水箱的容積=(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)則把有可能在火災時同時啟動的消防系統(tǒng)的水量疊加計算,作為中間轉輸水箱容積。而對于生活給水系統(tǒng),《建筑給水排水設計規(guī)范》(GB50015—2003)3.7.8條規(guī)定:生活給水用中途轉輸水箱轉輸調(diào)節(jié)容積宜取5~10min轉輸水泵的流量。作為生活給水系統(tǒng)的轉輸水箱,其作用有兩個: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)轉輸泵的調(diào)節(jié)容積,即為保證初級水泵每小時啟動次數(shù)不大于6次的調(diào)節(jié)水量,此部分水量為轉輸水泵5~10min的出水量,如上區(qū)水泵的流量為8L/s,轉輸水泵的流量也為8L/s,則轉輸水箱容積=8×5×60+8×10×60=7200(L)。此為采用變頻供水系統(tǒng)時的計算方法。如系統(tǒng)為重力供水系統(tǒng),則中間轉輸水箱除作為上區(qū)水泵的吸水井外,還需有儲存本區(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區(qū)域最大時用水的50%計,兩部分疊加計算為重力供水系統(tǒng)中間轉輸水箱的容積。3保證排水管系的安全由建筑高度引起的勢能如何消除?水流從300多米高處下落,對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,下落時是水氣混合的兩相不穩(wěn)定流,流量時大時小,滿流與非滿流交替。立管中水流的具體變化過程為附壁螺旋流→水膜流→等速水膜流→柱塞流,而對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,水塞造成有壓沖擊流,在其運動的前端為大于大氣壓的正壓,后端為小于大氣壓的負壓,隨著水塞的下落,管中的氣壓發(fā)生激烈變化,會形成正壓噴濺或負壓抽吸,對排水管系中衛(wèi)生器具水封層的穩(wěn)定產(chǎn)生嚴重影響,導致排水管道系統(tǒng)不能正常工作。要保證排水管系安全可靠和經(jīng)濟合理,首先要保證排水立管中的水流不形成柱塞流,應維持在等速水膜流,這就需要進行嚴格水力計算,控制立管設計流量的負荷極限值為在等速水膜流狀態(tài)下達到終限流速時的流量;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管系造成破壞,試驗表明在立管上隔一定的距離設置“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給空氣減小負壓,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,保護衛(wèi)生器具的水封,試驗表明設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)設計時由于建筑高度引起的排水勢能得到有效消除,保證系統(tǒng)安全。4雨水的設計重現(xiàn)期與雨水設計結果由于降雨不可人為控制,雨水系統(tǒng)設計不安全對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計重現(xiàn)期的取值應慎重?！督ㄖo水排水設計規(guī)范》4.9.5條規(guī)定,重要公共建筑屋面雨水排水設計重現(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施的總排水能力不應小于50年重現(xiàn)期的雨水量。超高層建筑不可能設置溢流口,建議屋面雨水的設計重現(xiàn)期取50年,同時按100年校核雨水系統(tǒng)的排水能力。除了設計重現(xiàn)期的取值問題外,還有一個問題需要考慮。由于建筑高度很高,目前常用的65型、87型雨水斗設計流態(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)濟安全的,但重力流雨水斗的研制和標準圖目前還在進行當中,沒有成型的產(chǎn)品可供使用,目前還是按87型雨水斗系統(tǒng)設計。此外室內(nèi)雨水排入的第一個室外檢查井選用消能井,以防止由于排出管壓力過高引起噴濺事故。超高層建筑雨水系統(tǒng)還有一個不容忽視的問題——雨篷的雨水排水。雨篷的面積雖然不大,其雨水設計重現(xiàn)期可按5年取值,但是雨篷所截留的上方側墻的面積(面積取值折減一半)遠大于雨篷的面積,一般也遠大于屋面的面積,因此雨篷的雨水排水量遠比屋面的排水量大。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)對雨水斗、立管的設置有諸多限制,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計時要妥善處理,首先要做到安全可靠再考慮美觀因素。5消防分區(qū)設置《高層民用建筑設計防火規(guī)范》(GB50045—95,2005年版,以下簡稱“高規(guī)”)7.4.5.2條規(guī)定,消防給水為豎向分區(qū)供水時,在消防車供水壓力范圍內(nèi)的分區(qū),應分別設置水泵接合器。其條文說明明確提出:只有采用串聯(lián)給水方式時,上區(qū)用水由下區(qū)水箱抽水供給,可僅在下區(qū)設水泵接合器,供全樓使用?！蹲詣訃娝疁缁鹣到y(tǒng)設計規(guī)范》(GB50084—2001,2005年版,以下簡稱“噴規(guī)”)10.4.2條規(guī)定,當水泵接合器的供水能力不能滿足最不利點處作用面積的流量和壓力要求時,應采取增壓措施。其條文說明提出:根據(jù)某些省市消防局的經(jīng)驗,規(guī)定在當?shù)叵儡嚬┧芰咏鼧O限的部位,設置接力設施?？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),無論是消火栓系統(tǒng)還是自動噴水滅火系統(tǒng),均可不再設置水泵接合器;但是根據(jù)“噴規(guī)”,在超出消防車供水范圍之外的自動噴水滅火系統(tǒng)的消防分區(qū)需要設置接力設施。根據(jù)上述規(guī)定首先可以得到一個結論,自動噴水滅火系統(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)是否有必要設置水泵接合器呢?“高規(guī)”1.0.5條規(guī)定,當高層建筑的建筑高度超過250m時,建筑設計采取的特殊的防火措施,應提交國家消防主管部門組織專題研究、論證。從中可以看出,當建筑高度超過250m,目前的“高規(guī)”僅作為設計參考,所有的消防系統(tǒng)均需通過消防局組織的專題消防論證會論證。而“高規(guī)”1.0.2條規(guī)定,高層建筑的防火設計,必須遵循“預防為主,防消結合”的消防工作方針,針對高層建筑發(fā)生火災的特點,立足自防自救,采用可靠的防火措施,做到安全使用、技術先進、經(jīng)濟合理。從消防的原則可以看出,對于超高層建筑更應立足于自救,從超高層建筑火災的危害和影響以及火災的撲救難度考慮,更應加強消防設施的設計。雖然沒有規(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)也需要設置水泵接合器,但是筆者建議此種情況也設置水泵接合器,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)無論消火栓系統(tǒng)還是自動噴水滅火系統(tǒng)均需設置水泵接合器。如何設置?首先要了解水泵接合器的作用?！案咭?guī)”7.4.5條文說明提到:水泵接合器的主要用途,是當室內(nèi)消防水泵發(fā)生故障或遇大火室內(nèi)消防用水不足時,供消防車從室外消火栓取水,通過水泵結合器將水送到室內(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臺水泵同時發(fā)生機械故障的概率較小,只有電力故障情況下2臺水泵均不會投入工作,因此建議設置柴油泵作為消防系統(tǒng)的備用泵,以避免在電力故障時消防加壓泵不能工作。采用柴油泵作為備用泵時,一般設計人員都會考慮柴油泵所使用燃料的儲存和日常維護。柴油泵的國家制造標準規(guī)定柴油泵本身的油箱儲存燃料為柴油泵運行3小時的燃料,因此不必