超高层建筑污、废水排水系统设计探讨

杨 建, 周 鹏, 何 能

(1.基准方中建筑设计股份有限公司,四川成都 610093; 2.重庆设计集团有限公司城市建设策略研究院, 重庆 400010)

1 超高层建筑的业态和排水系统形式

国内150 m以上的超高层建筑主要业态和功能一般为住宅、办公、公寓、酒店以及商业娱乐等,超高层建筑的裙房一般为商业和酒店的公共活动用房及附属用房,塔楼则由住宅、办公、酒店、公寓等一种或多种业态组合而成,也可能包括一些不常见的特殊业态如广播电视技术用房等。

超高层建筑的酒店客房大多都是采用污、废分流的排水系统形式,也有部分高级公寓采用的污、废分流,而其他业态如办公、住宅和商业等几乎都是采用的污、废合流制。主要可能有2方面的原因,第一是酒店客房、高级公寓对卫生条件要求较高;第二是酒店和公寓用水量较大,并且都位于特超高层建筑高度较高的上部区域,易于进行中水的收集和再利用,收集上部水量较大业态的废水,进行集中处理后,回用于办公、商业等业态的冲厕以及车库冲洗等用水。表1为国内部分超高层建筑生活排水系统情况统计。

表1 国内部分超高层建筑生活排水系统情况统计

2 排水系统的分区与通气

2.1 排水系统的分区

对于超高层建筑,由于业态较为复杂,为明晰产权、便于物业管理,同时使各业态的排水互不影响,不同业态的排水系统(特别是塔楼部分)宜按不同功能采用分区排水系统[1]。GB 50015-2019《建筑给水排水设计标准》关于生活排水立管的最大设计排水能力表中数据系根据万科试验塔,采用塑料和铸铁直壁管材和管件,按立管垂直状态下采用瞬间流测试方法得出的数据[2],万科试验塔的高度在122.9 m左右,对于高度更高的建筑并无相关排水流量测试数据。因此为避免排水高度过高时对排水能力影响的不可控因素,当采用分区排水系统时,每个分区的高度以不超过100～150 m(即2～3 个避难层间的建筑功能分区)为宜,如果单一业态竖向高度超过150 m时,建议竖向至少分设2根排水立管,设置2个及以上的竖向分区。

2.2 排水系统的通气

超高层建筑由于建筑高度高,排水系统流量大、流速快,气、液、固体三相流流态比普通建筑更加复杂多变,当瞬时排水量超过系统最大通水能力时,排水管系内就会产生较大的压力波动,特别是在公寓、酒店等业态中由于立管不断有水流汇入,立管下部混合后流量及流速大,导致立管上部会产生较大负压,立管下部产生较大正压,立管上下连接的卫生间器具水封均会受到影响。有研究人员采用定流量排水方法,对多种排水系统的排水能力进行了试验研究,定流量排水量在2.5 L/s时系统产生的最大负压大小依次为:伸顶通气>自循环通气>特殊单立管>专用通气>主副通气+环形通气,最大正压大小排序为:特殊单立管>伸顶通气>专用通气>主副通气+环形通气>自循环通气[3]。因此对于特超高层建筑,建议首选采取专用通气管+环形通气或器具通气的排水通气形式。

各分区排水立管汇合后的排水总立管,虽无分支排水管接入,但条件允许时仍建议相应的配置专用通气总立管,且排水总立管与专用通气总立管宜采用结合通气管或H管每层连接,对提高整个排水系统的排水能力并调节系统内气、水的压力平衡以及降低管道噪音有一定的效果。各分区顶层的通气立管汇合后的汇合通气总立管,也宜单独伸出屋顶通气,不宜与其他分区的汇合通气总立管合用[1]。

2.3 降低水封破坏的措施

对于超高层建筑排水系统管道内气压波动可能引起的压力变化导致水封破坏的问题,除采用设置环形通气和器具通气以外,还可通过增大水封深度和存水弯内水封水量的方法来降低水封破坏的可能性,如采用水封深度100 mm的存水弯,洗脸盆、洗涤盆等设置管径不小于DN50的管道式存水弯,另外还可设置防虹吸存水弯,防风通气帽、防返流H管等,如图1所示。

(a)防虹吸存水弯 (b)防风通气帽 (c)防返流H管 图1 防虹吸存水弯、防风通气帽、防返流H管

通气立管管径应与排水立管管径相同,安装空间允许时专用通气立管与排水立管应优先采用结合通气管进行连接,如采用H管应选用防止排水返流的管件。通气立管与排水立管采用普通H管连接在实验塔作试验时,发现H管有返流现象,如污、废分流采用共轭的普通H管道连接,1/3的污水和1/3的废水会通过普通H管件返流至通气立管,污、废水从分流变为合流,通气立管进水,影响通气,也影响排水,进而破坏水封。对于在避难层有横管转换的排水,底部卫生间应考虑单排,单独设置横管,单排管至少向下一层设置竖向管道后再并入主排水立管内,减少由于压力波动对底层卫生间排水的影响,在排水横干管转折的起端或末端设置通气管。

3 排水系统管材与消能

3.1 排水系统的管材

根据统计的国内部分超高层排水管材使用情况,超高层排水管主要采用机制柔性接口铸铁排水管道。机制柔性接口铸铁排水管主要应用在高层和超高层建筑内,能够适用于抗震设防烈度6度以上的地区,同时能适应建筑内管道系统较大径向和轴向位移;排水时噪音小,对周边环境影响较小,防火及阻火的效果好;铸铁管还能适应0 ℃以下的环境温度,适应连续或瞬时排水温度大于80 ℃的排水。有研究表明在34层高度的试验塔上,采用定流量和瞬间流量2种排水方式进行测试,相同条件下铸铁管排水立管通水能力大于同管径的塑料管,铸铁管系统瞬间流量排水时的排水能力约为PVC-U塑料排水管的1.4倍[4]。由于铸铁排水管具有的以上特性使其成为超高层建筑最理想的排水管材。

铸铁排水管属于脆性材料,立管直线长度过高时,排水管道内可能出现的硬物会对横干管或转换管道造成冲击性破坏,关于铸铁管的国标要求排水立管直线管段长度不宜超过100 m,对于超高层,立管直线管段长度超过100 m时应进行适当管道转换,超高层连接立管直线管道长度较长的横干管或转换管道建议采用内涂防腐材料的钢管,底部弯头也可采用内涂防腐材料的铸钢材质代替,以提高排水管的抗冲击能力。另外柔性接口铸铁排水管材抗拉拔能力较弱,因此在横支管、底部弯头及横干管等关键接口节点应采用防脱加固措施,管件应采用加强性管件,可提高接口抵抗水流冲击的能力和水压承载能力。

3.2 排水系统的消能

排水系统消能措施主要有设置“乙字弯”或“门型弯”消能、中间横管转折消能、设置苏维托管件消能,设置中间水箱如中水收集池消能等,但对于超高层建筑的污、废水排水系统是否需要设置消能措施目前行业内并未达成共识。有学者认为排水系统设置转折消能时排水横管上也会形成水跃,降低排水能力。有学者通过在60 m高的山西泫氏实验塔进行实验,研究了建筑中安装“乙字弯”时对双立管排水系统通水能力的影响,结果表明排水系统中安装“乙字弯”会显著的降低排水系统通水能力,系统最大排水流量从10 L/s降低为6.5 L/s,如采用加装防返流H管时最大排水流量为8.0 L/s。安装“乙字弯”的系统排水过程与传统垂直转折管道不同,水流经过“乙字弯”时会产生水舌,导致“乙字弯”下方出现水塞现象改变了原来的流态,从而引起系统压力变化,降低系统排水能力[5]。“门字弯”(双“乙字弯”)示意见图2。

图2 “门字弯”消能示意(单位:mm)

国内超高层案例多数没有明确提出排水系统的消能措施,对这块内容进行了选择性的忽略或者默认排水管道无需进行消能,有部分项目明确表达有消能措施,如高度597 m的深圳平安金融中心污、废水排水系统间隔约50 m在排水立管设置有门型弯消能措施;高度358 m的天津中钢国际广场间隔50～70 m在排水立管上设置有门型弯消能;成都绿地468 m项目污、废水管在部分避难层设置有门型弯消能和转折消能;高度372 m的华润总部春笋大厦在间距50～100 m的污、废水立管直线管道上设置有管道转折消能等。由于柔性铸铁排水管道有排水立管直线管段长度不宜超过100 m的要求,另外特超高层由于功能变化、电梯的转换以及避难层核心筒布局的变化,实际上排水管完全不出现转换的情况较少。通过分区设置排水立管控制排水流量,合理设置排水通气系统,可减少转折管对排水系统通水能力的影响,因此在不牺牲或少牺牲排水系统排水能力的前提结合建筑布局采取适当的消能措施对提高管道系统的稳定性和使用寿命、降低管道底部的压力、振动和噪音是有利的。

对于有中水回用要求的建筑,在避难层设置中水收集池进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势能进行重力供水,但避难层设置中水收集与处理系统对于设备的管理维护、污泥的处置运输等又会造成一定的困难。对于建筑高度300 m及以下的建筑除必要的管道转换外不建议再另外考虑消能的措施。

4 超高层建筑消防排水系统

对于高度超过150 m的超高层建筑,一般都会设置有中间消防转输水箱,重力供水和常高压系统可能还会有中间减压水箱,普通超高层建筑的室内消防用水量一般在70～80 L/s之间,如果室内有净空高度超过12 m的场所,室内消防水量可能会达到100 L/s以上,为防止溢流能力不足造成机房被淹没等事故,屋顶消防水池、消防转输水箱、消防减压水箱的溢流排水流量不应小于进水管损坏以后的进水流量,这就会造成溢流管管径非常大。各种溢流形式的溢流管设计溢流量可参照以下公式进行计算,在溢流漏斗口的直径D取溢流管直径的1.5倍时,不同直径钢管在不同淹没深度的溢流排水量详见表2。

表2 不同直径钢管的在不同淹没深度时的溢流排水量

式中:Q为溢流量,(L/s);μ为溢流系数,取0.49;ω为漏斗的面积,(m2);g为重力加速度,取9.81m/s2;H为漏斗口淹没深,(m);D为漏斗口的上口直径,(m)。

从表2中可以看出DN250～DN300的溢流管道在漏斗口直径取溢流管直径的1.5倍,漏斗淹没深度在0.1～0.15 m的范围内时溢流排水量基本都能满足超高层的室内消防用水量。然而GB 50974-2014《消防给水及消火栓系统技术规范》5.2.6第8条规定:高位消防水箱溢流管的直径不应小于进水管直径的 2 倍,且不应小于 DN100,溢流管的喇叭口直径不应小于溢流管直径的1.5 ～2.5倍[6]。而对消防水池溢流管管径则可按比进水管大一级的要求执行,笔者分析主要原因可能是因为消防水池的平面面积远大于消防水箱,单位高度的储水容量也就相应更大,在溢流水位以上有更多的调节容积,所以消防水池溢流时机房被淹的风险并不大。转输水箱、减压水箱因归为高位消防水箱的类别,由于消防转输泵不能自动停泵,溢流管管径按进水管管径的2倍确定,根据消防转输水量和减压水箱进水量,进水管管径通常在DN200～DN250之间,若按此管径的2倍确定溢流管的管径在实际工程是不可接受的(表3)。

表3 国内部分超高层建筑消防排水系统情况统计

从表3可以看出,选取的超高层案例多数溢流管管径并未按进水管管径的2倍设计,这可能跟各院的对规范的理解不同有关,目前国内还没有150 m以上超高层建筑的火灾案例,也没有火灾时的实际消防排水情况可供借鉴和分析。为减少溢流管管径,GB 50974-2014《消防给水及消火栓系统技术规范》实施指南建议如按溢流排水量70 L/s设计时,可在转输水箱或减压水箱附近设置一座L×B×H=1.0 m×1.0 m×0.5 m的集水箱,在集水箱底设2个DN150的87型雨水斗(单斗设计流量宜取26～36 L/s,有地方做法建议采用虹吸雨水斗),再用一根DN200(泄流量在75～90 L/s)或为减少溢流管管径也可将转输水箱和减压水箱进水管分成多根DN150或DN100的进水管并在水管上设置浮球阀或电控浮球阀，考虑水箱满水时转输水泵继续运行，需要在转输水箱进水管上设置DN32的小管泄压，此时可考虑单个进水阀门损坏时按单个进水管管径的2倍确定溢流管管径，可将溢流管管径控制在DN300以内，项目中建议优先采用此种方式，系统设置相对简单同时也能满足规范要求，见图3。

图3 分设多根进水管的消防水箱溢流

一根DN250(泄流量在135～155 L/s间)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冲击动能太大,使得承接溢流管的消防水池进入大量的空气使水池内水气充分混合,进而影响消防水泵的正常运行,因此建议溢流管间隔50 m左右设置一处门字弯消能同时在溢流管出口设置消能筒等消能措施,另外也可将溢流排水管逐级接至下一区消防转输水箱、减压水箱或消防水池内,减少溢流管道竖向设置高度,从而降低出口流速。由于中间消防转输水箱和减压水箱的设置位置高度高,溢流排水管底部横管有较高位置水头,溢流排水管接入消防水池的水平管段可无坡度敷设,但不应出现倒坡。

5 其他排水系统

为降低多级换热效率下降的影响,超高层建筑上部塔楼业态有将制冷机房和冷却塔设置在塔楼避难层或屋顶的案例,另外上部设置酒店业态的特超高层也会有在酒店内设置游泳池,由于循环过程中有加药措施,制冷机房排水、冷却塔排水、泳池机房过滤设备反冲洗排水、中间雨水处理机房设备反冲洗排水以及中水处理机房排水不能直接接入雨水管网,应与普通生活污水分设排水立管,单独接入室外污水系统;泳池的泄空排水宜单独设置排水立管,排入室外雨水排水系统,通过控制放空阀门的开启度来条件泄空管的排水量。此类排水管建议采用柔性铸铁排水管,不宜采用内壁未经防腐处理的金属管道。

特超高层建筑体量一般较大,塔楼部分的空调冷凝水水量相当可观,而且水质较好无需进行水质处理,冷凝水中含盐量几乎为零,是最理想的冷却塔补水水源。可通过收集塔楼上部的空调冷凝水,在裙房小屋面设置冷凝水收集水箱,重力供给裙房冷却塔补水。

超高层建筑当塔楼有酒店业态时通常会在上部设置厨房区域,隔油机房宜就近设置于塔楼的设备层或避难层内。若厨房设置在塔楼,而隔油机房设于地下室,则含油废水排水管道长度过高,厨房含油废水容易凝固,造成管道内部淤积堵塞,需要对管道进行频繁的清掏处理。另外高度过高对油脂分离设备的冲击负荷较大,油水分离效果较差,也影响设备使用寿命,因此建议隔油机房尽量设置在靠近厨房区域的楼层里面。当在塔楼设置隔油机房时,应提前考虑设备和油脂清掏时的运输路线,确保油脂的清运方式便捷,清运路线合理并且不影响周边环境。

对于超高层的各避难层几乎都会有各种需要排水的机房,而排水主立管主要设置在核心筒内,避难层的各种排水设计也是超高层建筑的一个设计难点。首先,应提前与建筑和方案沟通增加避难层下一层的层高,因为各种管线都会在避难层下层进行转换,还会涉及到一些机房的降板等要求,势必对避难层下一层的净高有很大的影响,建议设置有主要排水设备机房的避难层下层净高至少提高0.4 m以上;其次对于排水量较大的机房如消防转输水箱间、生活水箱间等机房应尽量设置在靠近排水主立管管井位置或者在核心筒公共区域设置专门的排水立管靠近主要排水机房位置,减少溢流排水管和机房排水管线的长度;对于公寓、酒店客房等有居住功能的房间位于避难层上、下层时,可通过在地坪设置浮筑楼板的隔振、隔音措施,在顶部设置双层板,四周和顶板采用隔声处理(机房内的管道采用一定静绕度的钢制弹簧支吊架)来解决规范中不能毗邻的问题,但是排水问题仍无法解决,这种情况避难层下一层的层高还需进一步加高,通过加大降板高度和降板范围或者设置管道转换层来解决,由于特超高层建筑功能业态调整的不确定性,这些问题都需要在设计前期有所考虑。

6 结束语

(1)超高层建筑排水系统建议根据业态进行分区排水,单个分区高度不宜大于150 m,通气系统建议首选采取专用通气+环形通气或器具通气的排水通气形式,专用通气管与排水立管的连接优先采用结合通气管,若设置空间不允许时采用防返流的H管。

(2)超高层建筑排水和通气管管材应选用机制柔性铸铁排水管,底部弯头及横干管等关键接口节点应采用防脱加固措施,管件应采用加强性管件,对于建筑高度300 m及以上的建筑建议在不减少或少减少排水能力的前提下可考虑排水管消能的措施。

(3)消防转输水箱、减压水箱的溢流排水实际项目中建议优先采用进水管设浮球阀并分设多根进水管的方式减少单根进水管径,从而降低溢流管的管径的方式。为降低水箱溢流管流速和冲击负荷,避免因消防水池进入大量的空气使水池内水气充分混合,进而影响消防水泵的正常运行,建议溢流管间隔50 m左右设置一处门字弯消能同时在出口设置消能筒等消能措施。