超高層建筑污、廢水排水系統設計探討

楊 建, 周 鵬, 何 能

(1.基準方中建筑設計股份有限公司,四川成都 610093; 2.重慶設計集團有限公司城市建設策略研究院, 重慶 400010)

1 超高層建筑的業態和排水系統形式

國內150 m以上的超高層建筑主要業態和功能一般為住宅、辦公、公寓、酒店以及商業娛樂等,超高層建筑的裙房一般為商業和酒店的公共活動用房及附屬用房,塔樓則由住宅、辦公、酒店、公寓等一種或多種業態組合而成,也可能包括一些不常見的特殊業態如廣播電視技術用房等。

超高層建筑的酒店客房大多都是采用污、廢分流的排水系統形式,也有部分高級公寓采用的污、廢分流,而其他業態如辦公、住宅和商業等幾乎都是采用的污、廢合流制。主要可能有2方面的原因,第一是酒店客房、高級公寓對衛生條件要求較高;第二是酒店和公寓用水量較大,并且都位于特超高層建筑高度較高的上部區域,易于進行中水的收集和再利用,收集上部水量較大業態的廢水,進行集中處理后,回用于辦公、商業等業態的沖廁以及車庫沖洗等用水。表1為國內部分超高層建筑生活排水系統情況統計。

表1 國內部分超高層建筑生活排水系統情況統計

2 排水系統的分區與通氣

2.1 排水系統的分區

對于超高層建筑,由于業態較為復雜,為明晰產權、便于物業管理,同時使各業態的排水互不影響,不同業態的排水系統(特別是塔樓部分)宜按不同功能采用分區排水系統[1]。GB 50015-2019《建筑給水排水設計標準》關于生活排水立管的最大設計排水能力表中數據系根據萬科試驗塔,采用塑料和鑄鐵直壁管材和管件,按立管垂直狀態下采用瞬間流測試方法得出的數據[2],萬科試驗塔的高度在122.9 m左右,對于高度更高的建筑并無相關排水流量測試數據。因此為避免排水高度過高時對排水能力影響的不可控因素,當采用分區排水系統時,每個分區的高度以不超過100～150 m(即2～3 個避難層間的建筑功能分區)為宜,如果單一業態豎向高度超過150 m時,建議豎向至少分設2根排水立管,設置2個及以上的豎向分區。

2.2 排水系統的通氣

超高層建筑由于建筑高度高,排水系統流量大、流速快,氣、液、固體三相流流態比普通建筑更加復雜多變,當瞬時排水量超過系統最大通水能力時,排水管系內就會產生較大的壓力波動,特別是在公寓、酒店等業態中由于立管不斷有水流匯入,立管下部混合后流量及流速大,導致立管上部會產生較大負壓,立管下部產生較大正壓,立管上下連接的衛生間器具水封均會受到影響。有研究人員采用定流量排水方法,對多種排水系統的排水能力進行了試驗研究,定流量排水量在2.5 L/s時系統產生的最大負壓大小依次為:伸頂通氣>自循環通氣>特殊單立管>專用通氣>主副通氣+環形通氣,最大正壓大小排序為:特殊單立管>伸頂通氣>專用通氣>主副通氣+環形通氣>自循環通氣[3]。因此對于特超高層建筑,建議首選采取專用通氣管+環形通氣或器具通氣的排水通氣形式。

各分區排水立管匯合后的排水總立管,雖無分支排水管接入,但條件允許時仍建議相應的配置專用通氣總立管,且排水總立管與專用通氣總立管宜采用結合通氣管或H管每層連接,對提高整個排水系統的排水能力并調節系統內氣、水的壓力平衡以及降低管道噪音有一定的效果。各分區頂層的通氣立管匯合后的匯合通氣總立管,也宜單獨伸出屋頂通氣,不宜與其他分區的匯合通氣總立管合用[1]。

2.3 降低水封破壞的措施

對于超高層建筑排水系統管道內氣壓波動可能引起的壓力變化導致水封破壞的問題,除采用設置環形通氣和器具通氣以外,還可通過增大水封深度和存水彎內水封水量的方法來降低水封破壞的可能性,如采用水封深度100 mm的存水彎,洗臉盆、洗滌盆等設置管徑不小于DN50的管道式存水彎,另外還可設置防虹吸存水彎,防風通氣帽、防返流H管等,如圖1所示。

(a)防虹吸存水彎 (b)防風通氣帽 (c)防返流H管 圖1 防虹吸存水彎、防風通氣帽、防返流H管

通氣立管管徑應與排水立管管徑相同,安裝空間允許時專用通氣立管與排水立管應優先采用結合通氣管進行連接,如采用H管應選用防止排水返流的管件。通氣立管與排水立管采用普通H管連接在實驗塔作試驗時,發現H管有返流現象,如污、廢分流采用共軛的普通H管道連接,1/3的污水和1/3的廢水會通過普通H管件返流至通氣立管,污、廢水從分流變為合流,通氣立管進水,影響通氣,也影響排水,進而破壞水封。對于在避難層有橫管轉換的排水,底部衛生間應考慮單排,單獨設置橫管,單排管至少向下一層設置豎向管道后再并入主排水立管內,減少由于壓力波動對底層衛生間排水的影響,在排水橫干管轉折的起端或末端設置通氣管。

3 排水系統管材與消能

3.1 排水系統的管材

根據統計的國內部分超高層排水管材使用情況,超高層排水管主要采用機制柔性接口鑄鐵排水管道。機制柔性接口鑄鐵排水管主要應用在高層和超高層建筑內,能夠適用于抗震設防烈度6度以上的地區,同時能適應建筑內管道系統較大徑向和軸向位移;排水時噪音小,對周邊環境影響較小,防火及阻火的效果好;鑄鐵管還能適應0 ℃以下的環境溫度,適應連續或瞬時排水溫度大于80 ℃的排水。有研究表明在34層高度的試驗塔上,采用定流量和瞬間流量2種排水方式進行測試,相同條件下鑄鐵管排水立管通水能力大于同管徑的塑料管,鑄鐵管系統瞬間流量排水時的排水能力約為PVC-U塑料排水管的1.4倍[4]。由于鑄鐵排水管具有的以上特性使其成為超高層建筑最理想的排水管材。

鑄鐵排水管屬于脆性材料,立管直線長度過高時,排水管道內可能出現的硬物會對橫干管或轉換管道造成沖擊性破壞,關于鑄鐵管的國標要求排水立管直線管段長度不宜超過100 m,對于超高層,立管直線管段長度超過100 m時應進行適當管道轉換,超高層連接立管直線管道長度較長的橫干管或轉換管道建議采用內涂防腐材料的鋼管,底部彎頭也可采用內涂防腐材料的鑄鋼材質代替,以提高排水管的抗沖擊能力。另外柔性接口鑄鐵排水管材抗拉拔能力較弱,因此在橫支管、底部彎頭及橫干管等關鍵接口節點應采用防脫加固措施,管件應采用加強性管件,可提高接口抵抗水流沖擊的能力和水壓承載能力。

3.2 排水系統的消能

排水系統消能措施主要有設置“乙字彎”或“門型彎”消能、中間橫管轉折消能、設置蘇維托管件消能,設置中間水箱如中水收集池消能等,但對于超高層建筑的污、廢水排水系統是否需要設置消能措施目前行業內并未達成共識。有學者認為排水系統設置轉折消能時排水橫管上也會形成水躍,降低排水能力。有學者通過在60 m高的山西泫氏實驗塔進行實驗,研究了建筑中安裝“乙字彎”時對雙立管排水系統通水能力的影響,結果表明排水系統中安裝“乙字彎”會顯著的降低排水系統通水能力,系統最大排水流量從10 L/s降低為6.5 L/s,如采用加裝防返流H管時最大排水流量為8.0 L/s。安裝“乙字彎”的系統排水過程與傳統垂直轉折管道不同,水流經過“乙字彎”時會產生水舌,導致“乙字彎”下方出現水塞現象改變了原來的流態,從而引起系統壓力變化,降低系統排水能力[5]?！伴T字彎”(雙“乙字彎”)示意見圖2。

圖2 “門字彎”消能示意(單位:mm)

國內超高層案例多數沒有明確提出排水系統的消能措施,對這塊內容進行了選擇性的忽略或者默認排水管道無需進行消能,有部分項目明確表達有消能措施,如高度597 m的深圳平安金融中心污、廢水排水系統間隔約50 m在排水立管設置有門型彎消能措施;高度358 m的天津中鋼國際廣場間隔50～70 m在排水立管上設置有門型彎消能;成都綠地468 m項目污、廢水管在部分避難層設置有門型彎消能和轉折消能;高度372 m的華潤總部春筍大廈在間距50～100 m的污、廢水立管直線管道上設置有管道轉折消能等。由于柔性鑄鐵排水管道有排水立管直線管段長度不宜超過100 m的要求,另外特超高層由于功能變化、電梯的轉換以及避難層核心筒布局的變化,實際上排水管完全不出現轉換的情況較少。通過分區設置排水立管控制排水流量,合理設置排水通氣系統,可減少轉折管對排水系統通水能力的影響,因此在不犧牲或少犧牲排水系統排水能力的前提結合建筑布局采取適當的消能措施對提高管道系統的穩定性和使用壽命、降低管道底部的壓力、振動和噪音是有利的。

對于有中水回用要求的建筑,在避難層設置中水收集池進行消能是最理想的消能措施,既能降低排水管道流速,又可以充分利用水池的勢能進行重力供水,但避難層設置中水收集與處理系統對于設備的管理維護、污泥的處置運輸等又會造成一定的困難。對于建筑高度300 m及以下的建筑除必要的管道轉換外不建議再另外考慮消能的措施。

4 超高層建筑消防排水系統

對于高度超過150 m的超高層建筑,一般都會設置有中間消防轉輸水箱,重力供水和常高壓系統可能還會有中間減壓水箱,普通超高層建筑的室內消防用水量一般在70～80 L/s之間,如果室內有凈空高度超過12 m的場所,室內消防水量可能會達到100 L/s以上,為防止溢流能力不足造成機房被淹沒等事故,屋頂消防水池、消防轉輸水箱、消防減壓水箱的溢流排水流量不應小于進水管損壞以后的進水流量,這就會造成溢流管管徑非常大。各種溢流形式的溢流管設計溢流量可參照以下公式進行計算,在溢流漏斗口的直徑D取溢流管直徑的1.5倍時,不同直徑鋼管在不同淹沒深度的溢流排水量詳見表2。

表2 不同直徑鋼管的在不同淹沒深度時的溢流排水量

式中:Q為溢流量,(L/s);μ為溢流系數,取0.49;ω為漏斗的面積,(m2);g為重力加速度,取9.81m/s2;H為漏斗口淹沒深,(m);D為漏斗口的上口直徑,(m)。

從表2中可以看出DN250～DN300的溢流管道在漏斗口直徑取溢流管直徑的1.5倍,漏斗淹沒深度在0.1～0.15 m的范圍內時溢流排水量基本都能滿足超高層的室內消防用水量。然而GB 50974-2014《消防給水及消火栓系統技術規范》5.2.6第8條規定:高位消防水箱溢流管的直徑不應小于進水管直徑的 2 倍,且不應小于 DN100,溢流管的喇叭口直徑不應小于溢流管直徑的1.5 ～2.5倍[6]。而對消防水池溢流管管徑則可按比進水管大一級的要求執行,筆者分析主要原因可能是因為消防水池的平面面積遠大于消防水箱,單位高度的儲水容量也就相應更大,在溢流水位以上有更多的調節容積,所以消防水池溢流時機房被淹的風險并不大。轉輸水箱、減壓水箱因歸為高位消防水箱的類別,由于消防轉輸泵不能自動停泵,溢流管管徑按進水管管徑的2倍確定,根據消防轉輸水量和減壓水箱進水量,進水管管徑通常在DN200～DN250之間,若按此管徑的2倍確定溢流管的管徑在實際工程是不可接受的(表3)。

表3 國內部分超高層建筑消防排水系統情況統計

從表3可以看出,選取的超高層案例多數溢流管管徑并未按進水管管徑的2倍設計,這可能跟各院的對規范的理解不同有關,目前國內還沒有150 m以上超高層建筑的火災案例,也沒有火災時的實際消防排水情況可供借鑒和分析。為減少溢流管管徑,GB 50974-2014《消防給水及消火栓系統技術規范》實施指南建議如按溢流排水量70 L/s設計時,可在轉輸水箱或減壓水箱附近設置一座L×B×H=1.0 m×1.0 m×0.5 m的集水箱,在集水箱底設2個DN150的87型雨水斗(單斗設計流量宜取26～36 L/s,有地方做法建議采用虹吸雨水斗),再用一根DN200(泄流量在75～90 L/s)或為減少溢流管管徑也可將轉輸水箱和減壓水箱進水管分成多根DN150或DN100的進水管并在水管上設置浮球閥或電控浮球閥，考慮水箱滿水時轉輸水泵繼續運行，需要在轉輸水箱進水管上設置DN32的小管泄壓，此時可考慮單個進水閥門損壞時按單個進水管管徑的2倍確定溢流管管徑，可將溢流管管徑控制在DN300以內，項目中建議優先采用此種方式，系統設置相對簡單同時也能滿足規范要求，見圖3。

圖3 分設多根進水管的消防水箱溢流

一根DN250(泄流量在135～155 L/s間)的排水管接至底部的消防水池[7]。

因溢流排水管高度高造成出口流速和沖擊動能太大,使得承接溢流管的消防水池進入大量的空氣使水池內水氣充分混合,進而影響消防水泵的正常運行,因此建議溢流管間隔50 m左右設置一處門字彎消能同時在溢流管出口設置消能筒等消能措施,另外也可將溢流排水管逐級接至下一區消防轉輸水箱、減壓水箱或消防水池內,減少溢流管道豎向設置高度,從而降低出口流速。由于中間消防轉輸水箱和減壓水箱的設置位置高度高,溢流排水管底部橫管有較高位置水頭,溢流排水管接入消防水池的水平管段可無坡度敷設,但不應出現倒坡。

5 其他排水系統

為降低多級換熱效率下降的影響,超高層建筑上部塔樓業態有將制冷機房和冷卻塔設置在塔樓避難層或屋頂的案例,另外上部設置酒店業態的特超高層也會有在酒店內設置游泳池,由于循環過程中有加藥措施,制冷機房排水、冷卻塔排水、泳池機房過濾設備反沖洗排水、中間雨水處理機房設備反沖洗排水以及中水處理機房排水不能直接接入雨水管網,應與普通生活污水分設排水立管,單獨接入室外污水系統;泳池的泄空排水宜單獨設置排水立管,排入室外雨水排水系統,通過控制放空閥門的開啟度來條件泄空管的排水量。此類排水管建議采用柔性鑄鐵排水管,不宜采用內壁未經防腐處理的金屬管道。

特超高層建筑體量一般較大,塔樓部分的空調冷凝水水量相當可觀,而且水質較好無需進行水質處理,冷凝水中含鹽量幾乎為零,是最理想的冷卻塔補水水源?？赏ㄟ^收集塔樓上部的空調冷凝水,在裙房小屋面設置冷凝水收集水箱,重力供給裙房冷卻塔補水。

超高層建筑當塔樓有酒店業態時通常會在上部設置廚房區域,隔油機房宜就近設置于塔樓的設備層或避難層內。若廚房設置在塔樓,而隔油機房設于地下室,則含油廢水排水管道長度過高,廚房含油廢水容易凝固,造成管道內部淤積堵塞,需要對管道進行頻繁的清掏處理。另外高度過高對油脂分離設備的沖擊負荷較大,油水分離效果較差,也影響設備使用壽命,因此建議隔油機房盡量設置在靠近廚房區域的樓層里面。當在塔樓設置隔油機房時,應提前考慮設備和油脂清掏時的運輸路線,確保油脂的清運方式便捷,清運路線合理并且不影響周邊環境。

對于超高層的各避難層幾乎都會有各種需要排水的機房,而排水主立管主要設置在核心筒內,避難層的各種排水設計也是超高層建筑的一個設計難點。首先,應提前與建筑和方案溝通增加避難層下一層的層高,因為各種管線都會在避難層下層進行轉換,還會涉及到一些機房的降板等要求,勢必對避難層下一層的凈高有很大的影響,建議設置有主要排水設備機房的避難層下層凈高至少提高0.4 m以上;其次對于排水量較大的機房如消防轉輸水箱間、生活水箱間等機房應盡量設置在靠近排水主立管管井位置或者在核心筒公共區域設置專門的排水立管靠近主要排水機房位置,減少溢流排水管和機房排水管線的長度;對于公寓、酒店客房等有居住功能的房間位于避難層上、下層時,可通過在地坪設置浮筑樓板的隔振、隔音措施,在頂部設置雙層板,四周和頂板采用隔聲處理(機房內的管道采用一定靜繞度的鋼制彈簧支吊架)來解決規范中不能毗鄰的問題,但是排水問題仍無法解決,這種情況避難層下一層的層高還需進一步加高,通過加大降板高度和降板范圍或者設置管道轉換層來解決,由于特超高層建筑功能業態調整的不確定性,這些問題都需要在設計前期有所考慮。

6 結束語

(1)超高層建筑排水系統建議根據業態進行分區排水,單個分區高度不宜大于150 m,通氣系統建議首選采取專用通氣+環形通氣或器具通氣的排水通氣形式,專用通氣管與排水立管的連接優先采用結合通氣管,若設置空間不允許時采用防返流的H管。

(2)超高層建筑排水和通氣管管材應選用機制柔性鑄鐵排水管,底部彎頭及橫干管等關鍵接口節點應采用防脫加固措施,管件應采用加強性管件,對于建筑高度300 m及以上的建筑建議在不減少或少減少排水能力的前提下可考慮排水管消能的措施。

(3)消防轉輸水箱、減壓水箱的溢流排水實際項目中建議優先采用進水管設浮球閥并分設多根進水管的方式減少單根進水管徑,從而降低溢流管的管徑的方式。為降低水箱溢流管流速和沖擊負荷,避免因消防水池進入大量的空氣使水池內水氣充分混合,進而影響消防水泵的正常運行,建議溢流管間隔50 m左右設置一處門字彎消能同時在出口設置消能筒等消能措施。