超高层建筑给水排水设计中的节能、节材研究

摘要：随着整个国民经济的持续快速发展和城市化水平的不断提高，水资源短缺、电力供应短缺和原材料短缺的矛盾日益凸现。因此，对建筑给水排水设计来说，如何对现有设计进行不断优化，以求最大限度的节约每一寸管道、节省每一个阀门、降低每一度电力消耗等，就成为摆在广大给水排水设计者面前的一个不容回避的问题。下面结合笔者在某建筑高度 120m 的超高层建筑给水排水设计中的一些做法，谈谈笔者在落实贯彻“节能、节材”方面的一些做法，以期和广大国内同行共同探讨。 关键词： 超高层建筑 报警阀 末端试水 雨水管道 
 

　　项目概况： 
　　郑州某超高层综合楼位于郑州市郑东新区 CBD 外环，建筑高度 118.8m ，地上 30 层，地下 4 层。地上部分建筑面积 60863m 2 , 地下部分建筑面积 12317 m 2 。地下 1~4 层为设备机房和地下汽车库，可停放汽车 242 辆，其中地下 2~4 层战时为五级二等人员掩蔽所；地上 5 层裙房，作餐饮、娱乐和商业用；主楼部分主要做开敞式办公用。结构形式为框架 — 核心筒结构。 
在该项目设计中，笔者结合设计的基本要求，并在此基础上，征求了国内一些设计同行的意见，对设计进行了一些改进。希望能和广大设计同行共同探讨。 
  
　　1.避难层集中设置报警阀，省去减压阀的做法 
　　就建筑高度在 120m 左右超高层建筑的喷淋系统的报警阀设置来说，通常采用分散设置湿式报警阀的做法：在避难层内设置若干套湿式报警阀，供建筑高区自动喷水灭火系统使用；在地下室内设置若干套湿式报警阀，供避难层以下的低区自动喷水灭火系统使用。同时，根据《自动喷水灭火系统设计规范》（ GB50084-2001-2005 ）的相关要求，湿式报警阀入口压力不应大于 1.2Mpa, 在低区湿式报警阀环状供水管道入口设置减压阀组，控制阀前压力不大于 1.2Mpa 。 
　　在闭式自动喷水灭火系统设计中，根据计算，喷淋水泵扬程需要 1.8Mpa 。在整个闭式自动喷水灭火系统的各个组成部分中，结合相关喷淋产品所提供的技术参数，湿式报警阀的最大工作压力为 1.2Mpa ；普通玻璃球下垂型喷头的额定工作压力为 1.2Mpa ，出厂试验压力为 3.0Mpa ；一般水流指示器的额定工作压力为 1.2Mpa ，出厂密封测试压力为 2.4Mpa ；对夹式安全信号蝶阀的额定工作压力可达 1.6Mpa 。 
　　此外，根据《自动喷水灭火系统施工及验收规范》（ GB50261-2005 ） 6.2.1 条的规定：“当系统设计工作压力等于或小于 1.0 Mpa 时，水压强度试验压力应为设计工作压力的 1.5 倍，并不小于 1.4 Mpa ；当系统设计工作压力大于 1.0 Mpa 时，水压强度试验压力应为该工作压力加 0.4 Mpa 。”那么，当系统工作压力较大时，采用无缝钢管以及额定工作压力较大的阀门等材料即可满足系统的设计及施工验收需要。 
　　结合上述压力数据，在整个闭式自动喷水灭火系统设计中，作为整个系统中的重要一环，相比之下，湿式报警阀的最大工作压力只有 1.2Mpa ，小于整个系统的其他组件。有鉴于此，《自动喷水灭火系统设计规范》（ GB50084-2001-2005 ）才要求湿式报警阀入口压力不应大于 1.2Mpa 。 
　　在项目设计中，笔者曾作过如下考虑：如果按照常规设计，采取在地下室和避难层分散设置湿式报警阀的做法，如自动喷水灭火系统原理图（一）所示，在低区报警阀组前的环状管网上分别设置减压阀组。根据设计要求，减压阀组通常采用两组并联，每个报警阀组采用报警阀前后设置控制阀门，并在报警阀前加设过滤器的做法。由于报警阀前后的控制阀门一般采用普通手动阀门，一旦减压阀出现故障的情况下，控制阀门不具备自动关闭功能。因此，两组报警阀组通常不具备故障情况下的自动切换功能，只能手动进行切换。此外，由于报警阀分散设置，从一定程度上增加值班人员的工作强度。 
　　为了克服低区上述不足，进一步确保湿式报警阀的安全，经反复考虑，最终决定把湿式报警阀集中设置在避难层，如自动喷水灭火系统原理图（二）所示。由于避难层的建筑高度大约在 60m 左右，由喷淋水泵扬程减去报警阀和喷淋水泵间的高差（喷淋水泵设在地下三层。），从而可以确保湿式报警阀阀前压力小于 1.2Mpa 。相比之下，由于报警阀在避难层集中设置，无需在阀前设置减压阀组即可有效保证报警阀不会发生超压，从而可以充分确保报警阀的安全，进一步提高了整个自动喷水灭火系统的安全程度。同时，由于报警阀集中设置，必然利于系统日后的运行管理。 

　　2.屋面雨水落水管兼作喷淋末端试水排水管道的做法 
　　对于高层框架 — 核心筒结构的高层建筑，由于高层建筑本身竖向管道较多，必然需要占用标准层有限的建筑面积。那么，就我们给水排水专业来说，能否对现有管道系统进行合理优化，在保证建筑使用功能的前提下，尽可能减少竖向管道数量，既利于节省管材，同时也利于节省建筑空间。 
　　对于高层建筑屋面雨水排水设计，《建筑给水排水设计规范》（ GB50015-2003 ）第 4.9.26 条规定 : “ 高层建筑雨水排水管材宜选用承压塑料管或金属管。 ” 同时，笔者也查阅了国内部分超高层建筑的设计实例，屋面雨水排水管道多采用热浸镀锌钢管，也有部分采用钢塑复合管。同时，在超高层建筑的喷淋设计中，结合喷淋末端试水装置的设置位置，需设置专门的喷淋末端试水排水管道。那么，在设计喷淋平面的时候，能否结合屋面雨水排水管道的设置位置（对超高层框架 — 核心筒结构的建筑，雨水管道通常靠外墙设计。），在靠近雨水管道处合理设置喷淋末端试水装置？这样设计的话，就可以把屋面雨水管道兼做喷淋末端试水排水管道。从理论上看，这样做应该是可行的。 　　在郑东新区该超高层项目设计中，笔者采用了如下做法：屋面雨水管道采用衬塑钢管，靠建筑外墙设置。在靠近喷淋末端的雨水落水管每层的适当位置（在室内吊顶以上。），引出一根 DN50 的排水支管（与雨水管道同材质。），并结合喷淋末端试水排水系统的需要，设置排水漏斗。同时，在该支管上设置控制阀门（设计采用球阀。根据排水需要，不宜设制截止阀。）。当该层需要打开喷淋系统末端试水装置进行试水时，手动开启该层雨水管道支管上的控制阀门（该阀门也可自动启闭。），排放喷淋试验用水；当试验结束时，关闭该阀门，以防止下雨时，屋面雨水从该层排水漏斗处进入室内。采用上述做法，既节省了一趟排水管道，并节减了相关安装费用；同时也尽可能减少对标准层建筑面积的占用。 

　　3.冷却塔的设计及节能运行问题 
　　通常对于有中央空调冷却循环水系统的建筑，结合高层（多层）建筑主楼、裙房和室外场地的关系，合理选择冷却塔的摆放位置，对于节省造价、降低日后运行成本有着重要意义。在冷却塔的设置位置方面，当建筑专业和室外环境允许的情况下，在室外场地上（绿化意内）直接设置冷却塔也是一个不错的选择。显然，冷却塔的位置距离空调制冷机组越近，相比之下更节省冷却循水管道，也必然利于降低冷却循环水系统的造价和建安成本。同时，冷却循环水管道长度越小，系统管路的水头损失必然降低，利于降低冷却循环水泵的扬程，也就降低了系统日后的运行成本。此外，由于日常地面风速比起高空要小的多。当冷却塔设置位置越低的时候，冷却循环水的飘失水量也就越小，利于整个系统的节水。而且，由于冷却塔设置位置较低，那么冷却循环水系统的补水系统可充分利用市政水压完成，避免了冷却塔补水系统的二次加压，势必从一定程度上降低系统日后的运行费用。同时，如果能够在室外地面上直接设置冷却塔没的话，势必减少了冷却塔在屋面上所带来的屋面荷载，节省了结构造价。 
　　在该项目设计中，结合该建筑底层的使用功能，同时，结合该建筑室外场地的情况，把冷却塔设置在该建筑南侧的室外绿地内。考虑美观需要，要求冷却塔厂家对塔体（方形横流式冷却塔）进行适当美化（借鉴电气专业室外箱式变电站的做法：室外箱式变电站经适当美化处理后，其外观效果可作为室外建筑小品）。由于冷却塔设在室外绿地上，为了防止室外落叶进入冷却循环水系统，设计要求在冷却塔的塔顶出风口上设置钢丝网。该系统经过空调季节运转，运行情况良好。同时，根据建成后的实际效果来看，由于室外冷却塔处理得当，相当于一个室外小品，对于丰富建筑环境，起到了不错的效果。 

　　结语：　
　　随着国家资源供需矛盾的日益突出，在设计中采取一切必要措施，充分贯彻“节水、节材、节地、节能、环保”的设计要求，成为摆在每个给排水设计师面前的一个不容回避的责任。这就需要我们在设计中，充分理解设计中的每一个细节，在保证设计功能需要的前提下，从每一个细微之处最大限度的节约每一寸管道、节省每一个阀门、降低每一度电力消耗，充分减少系统建造及运行成本。