建筑排水系统优化设计思路研究

摘 要：本文基于笔者多年从事建筑排水系统设计的相关工作经验，以建筑排水系统优化设计为研究对象，论文首先分析了研究背景与意义，进而探讨了排水系统优化设计的特点，在此基础上，详细阐述了排水系统优化设计的思路和方法，全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：建筑排水系统 优化设计 雨水系统 污水系统

中图分类号：TU2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（a）-0096-02

1 研究背景与意义

建筑排水发展至今，业内研究其设计理论及优化设计的文献不多，从设计角度而言，有必要总结及研究建筑排水工程优化设计的相关问题。建筑排水设计从实质上说，是一种系统设计，有必要以系统工程的原理为基础，对其优化设计进行深入研究。

系统工程作为一门独立学科，应用日趋广泛，最著名的应用是美国的曼哈顿计划（原子弹研制）和阿波罗登月计划。从二战末期至今，其理论及实践逐渐完善，形成许多分支，如经营管理系统工程、后勤系统工程、行政系统工程、科研系统工程、环境系统工程、军事系统工程等。

系统工程是实现最优化的科学。用定量和定性相结合的系统思想和方法处理大型复杂系统的问题，无论是系统的设计或组织建立，还是系统的经营管理，都可以统一的看成是一类工程实践，统称为系统工程。系统工程是一门特殊的工程。一般的工程学，诸如建筑工程、机械工程、电子工程等都有其特定的工程物质为研究对象，而系统工程的对象，则不限定于某种特定的工程物质对象，不仅如此，它还包括自然系统、社会经济、经营管理系统等非物质系统。鉴于系统工程处理的对象主要是信息，国外有学者将其视为一门“软科学”。

在建筑排水设计、施工、运行和管理过程中，从业者总会希望尽量将工作做到最好，获得好的社会与经济效益。但最终出来的结果并不是都很理想，有的很好，有的很差，甚至有时结果与人们所预想相去甚远。造成此种差别的原因有很多，关键的一点是从业者的经验以及对优化方法的掌握程度。

从业者的经验是实现工作效果优化的重要知识来源，也是实现工作优化的重要方法，但个人的经验是有限的，遇到复杂的、综合性的问题时，仅仅依靠以往的知识和经验，难免考虑不周，存在局限性，是难于实现工作优化的。

社会经济的发展，建筑行业的快速发展，催生了大量大体量、多功能、超高层建筑。这些建筑层数多、体积大、功能全、结构复杂，这就对其中的排水设计提出了越来越高的要求。建筑排水设计可视作一个系统工程。运用系统工程的理论，找到工程设计的最优方案，则是我们研究的目标。

2 排水系统优化设计的特点

排水工程的最优化设计，是运用系统分析原理和最优化技术设计出效率高、能耗低、费用少、可靠性适当的排水系统，这其中包含两个方面的优化内容，一方面是满意的系统结构，另一方面是满意的系统参数。针对系统参数，目前国内已经开展了大量的优化方法研究，并且在前人研究的基础上已形成了一定的经验性数据，大大简化设计过程，减少重复性劳动。关于系统结构，往往是在理论与实践知识积累到一定程度后，由经验丰富的工程师们对系统的结构进行整体把握，分析系统结构，并给出适应新情况的新型系统。

从来不会有相同的两个项目，每个项目的问题都不会相同，没有现成的教科书可以教学，只能从经验中去总结一般规律，一般性方法，工程界流传一句话“越老越值钱”。这值钱的关键就在于经验丰富，针对新项目、新问题，不仅仅只是完成设计，而是要尽量做到目前技术水平下方案最合理，即最优化。相对常规设计，优化设计具有以下几大优点：（1）找到满意的参数与结构，使整体效能最佳，提高系统的效率，或降低投资和运行费用。（2）通过系统过程模拟，优化系统参数与结构，提高系统运行的可靠性和稳定性。（3）较好地实现系统的自动化运行及管理。（4）不断寻求更优良的系统，促进新系统的形成，为缺乏工程经验的人员作出优良工程设计提供有力的手段。

3 排水系统设计优化

3.1 污水排水系统

3.1.1 污水排水系统优化目标

室内排水系统主要用以排除建筑内部粪便污水和洗涤、洗浴废水，排水立管及横管的设计要求保证正常使用下能够顺畅排水，并防止卫生器具水封受到破坏而散发臭气，影响室内环境卫生。建筑物内排水设施的设计和安装的质量会对用户的日常生活造成很大的影响，尤其是排水设计，像噪音问题、有害气体从排水管进入室内、排水不畅等问题。在建筑排水系统设计中，如何做到将上述问题的影响减到最小，维护室内卫生，防止污染，使排水管道系统内气压稳定，保护水封不被破坏，维修方便，工程造价低，是排水系统设计的优化目标。

3.1.2 污水排水系统分析

室内生活排水系统分为污、废分流制以及污、废合流制。建筑物内排水系统采用何种排水形式，应根据所在城市室外排水制度、市政主管部门的要求及是否有利于综合利用与处理要求来确定。如北京市、深圳市等建筑物的排水系统采用的是合流制（建筑物采用中水系统除外），而大连市建筑物的排水系统则采用分流制，生活废水在化粪池后与粪便污水合并排入城市污水管网。“水规”第4.1.2条规定：建筑物内下列情况宜采用生活污水与生活废水分流的排水系统：（1）建筑物使用性质对卫生标准要求较高时。（2）生活污水需经化粪池处理后才能排入市政管道时。（3）生活废水需回收利用时。从提高建筑物的卫生标准来讲，污、废分流更合理，它可以减小化粪池的容积，提高化粪池的污水处理效果。但这样会增加室内的排水立管以及室外检查井的数量。

现各大城市均设有污水处理厂，针对有污水处理厂的情况下，是否需要设置化粪池，应具体情况具体分析对待。有城市污水处理厂还要设化粪池的目的是由于城市的快速发展，污水处理厂的建设不能适应城市建设的要求，污水处理构筑物处于超负荷的运转，为减轻污水处理厂的负担而设置化粪池。但有的地方出现过这样的情况，因建筑单体或小区均设有化粪池，生活污水经化粪池处理排入市政管网后再进入污水处理厂进行处理，结果出现污水处理厂的反应池内微生物养料不够，使污泥难以成熟，需要往里面投加粪便的情况。对于化粪池的设置，仍然存在一些需要探讨的地方。

总之，选用何种排水系统，应根据排水性质、排水污染程度，结合室外排水体制和有利于综合利用与处理的要求确定。

3.1.3 优化设计要点

解决排水系统问题，优化排水系统设计方案，可以采取的方法、手段很多，这其中有两个方面需要特别注意。

（1）通气管的设置：通气技术的主要目的是提供排水中气体的散逸，达到透气的作用，防止排水系统中出现水封的负压虹吸及正压喷溅现象，确保空气的循环，保持排水通畅、安静。建筑排水系统可根据通气方式分为伸顶通气排水系统、双立管排水系统、环形通气排水系统和器具通气排水系统四种。通常情况优先采用双立管排水系统，即设置专用通气立管。专用通气立管有效增加立管的排水能力，平衡立管内的正负气压，减少气塞现象，从而降低噪声。设置何种通气管，具体怎么设置，“水规”中有作为单独的一节进行说明，可见通气立管的设置正确与否直接影响到整个排水系统能否正常使用。

（2）排水管材：近年来，塑料管以其价格低、重量轻、安装方便、水流阻力小等优点在室内排水工程种得到广泛应用，已逐渐取代了传统排水铸铁管，但塑料管水流噪声大（比排水铸铁管高约10dB），易老化。在环境要求较高，对噪声有严格限制的场所，则应采用柔性接口离心铸造的排水铸铁管，或者选用噪声小的塑料管，如U-PVC 螺旋管等。当然不同管材价格会有差异，可以根据建筑物功能以及档次，对噪音的限制程度等来综合确定。

3.2 雨水系统（如图1）

3.2.1 雨水排放系统的分析

雨水排放方案的确定，首先要以安全目标为依据，做到一般暴雨不积水，特大暴雨、历史上罕见的大暴雨，即使积水，也要在最短时间内退水。除了将雨水及时排放之外，现在越来越多的考虑将雨水进行滞留、储蓄并加以回用，将雨水综合利用起来，以创造资源节约型、环境友好型、雨水的综合利用问题越来近年来雨水的综合利用越来越受到重视，特别是随着绿色建筑的发展，作为完成绿色建筑评价指标的一项重要措施，雨水综合利用的研究在国内已经开展。

在实际设计时，应根据建筑物的类型、建筑结构形式、屋面面积大小、当地气候条件及生产生活的要求，经过技术经济比较来选择排除方式。但是，随着现代建筑日新月异的发展，建筑屋面形式多样化，随之也带来了屋面雨水排水系统设计的问题。

（1）雨水排放系统的划分。

雨水排放系统按照设计流态来分，分为重力流雨水系统和压力流（虹吸式）雨水排放系统。

重力流雨水系统是国内工程实践中通常采用的传统排水系统，使用65型、87型雨水斗，流态为半有压流。但重力流雨水系统在设计过程中存在一定的局限性，如悬吊管安装要有一定的坡度、宜单斗单排、需要设置检查口等，往往需要设置较多的雨水斗、较多的雨水立管及雨水出户管，从而也出现较多的雨水检查井及埋地雨水管道，因此为了达到设计效果可能会浪费宝贵的建筑面积和建筑空间。

虹吸雨水系统是近些年发展起来的新型雨水排放系统。这种系统设计建立在精确的计算模型基础上，突出的优势为流速高、管径小，适合于对排水悬吊管、立管和出户管管径、数量有所限制的情况。在屋面形式方面，与重力系统相比，对于大面积平屋面且对建筑内部空间要求严格的场所，虹吸系统自身所要求的较小管道坡度恰好能与建筑功能要求取得一致。正因为虹吸雨水系统具有上述特点，现主要应用于大型屋面雨水排水，如机场、大型工业厂房及仓库、体育馆、会展中心、大型超级市场等。

（2）新型雨水排放系统。

近几年，国内城市一遇暴雨，就陷入城市内涝的困境，有的城市被戏称为“东方威尼斯”。每年的春夏两季，各地进入汛期，一场暴雨就可以使整个城市陷入瘫痪，虽然采取了多项治理措施，先后投入大量资金进行治理河道、修建和改建排水设施，但城市内涝状况并没有得到太大的改善，在部分低洼地区经改造后得到改善的同时又有许多新的积水点出现。造成城市雨水内涝的原因很多，从生态学系统整体性原理来看，城市水环境系统是由自然循环系统和人工循环利用系统所组成。其中，城市人工循环利用系统由城市系统、排水和水处理系统组成。人类活动，不断地扩大其干预自然循环系统的范围，却忽视了对整个城市水环境系统的影响。针对这些情况，很多国家都从完善城市水文生态系统的新理论入手，积极探讨新的城市暴雨管理系统，并取得成熟的经验。

目前许多发达国家从雨水的地下渗透与滞留、贮存、净化处理与中水利用入手，积极探索新型的排水系统。雨水排放系统已由传统的雨水初期弃流、单独排放转变为以渗为主，贮蓄排相结合的排放系统；以储为主，渗排相结合的排水系统以及其他形式的排水方式。中国作为一个发展中国家，城市内涝状况频发，雨水排放问题早已引起社会各界的高度关注，国内也已经开始雨水生态化处理的道路探索。近年来，雨水入渗及调蓄系统得到越来越多的运用，一些具有前瞻性的城市管理政策已经或正在制订，包括鼓励采用雨水入渗及调蓄系统，倡导低影响开发（LID）理念，降低场地雨水径流系数等综合措施，在北京、天津、宁波等地已经有一些实施项目，把LID理念与技术成功应用到项目的规划设计中，并取得很好的经济效益和环境效益。

所谓低影响开发（LID），是通过模拟自然水文条件，采用源头控制理念，采取结构性与非结构性的技术措施，尽可能维持或恢复区域开发前的水文特征。雨水生态化处理，采用低影响开发（LID）理念，设置雨水入渗及调蓄系统，通过分散的小规模措施对雨水径流进行源头控制，减少雨水径流峰值流量和总量，可以采取多种多样的实现手段，透水材料、渗透排水沟、植物过滤带、植被浅沟等。露天硬地面如道路、广场、停车场等尽量铺设透水材料，使大气降水渗入地下，形成含水量较多的土壤层，使径流量由短期变成长期。道路两侧设置渗透排水沟，将部分雨水渗入地下，同时可以过滤掉雨水径流中的污染物，形成的雨水径流，采用渗透管，而非采用传统的雨水管道，尽最大可能将雨水在形成径流的过程中渗入土壤，这样可以有效削减暴雨期形成洪峰的频率和径流量。绿地及其他植被根系保持水土涵养，大面积的绿化草坪，设计规划为植被过滤带，建立适当的雨水管理辅之以工程渗透技术，使雨水充分渗入地下，可以有效地去除雨水中的污染物质，降低暴雨径流量。

雨水生态化处理，一改传统的尽快将雨水弃流的观念，采用雨水渗透-排放一体化模式，从整体考虑，结合低影响开发（LID）理念及技术，将雨水的控制及利用贯穿于整个项目的规划设计过程之中。

3.2.2 雨水系统的选择原则

建筑物雨水系统的选择原则。

（1）选择的雨水系统应尽量迅速及时、有组织地将屋面雨水排至室外地面或管渠。屋面雨水是指以小于建筑物设计使用年限为重现期的降雨。（2）屋面雨水排除应优先选用既安全又经济的雨水系统。安全的含义首先包括：室内地面不冒水、屋面溢水现象应尽量减少或避免、管道能承受正、负压的作用，不漏水冒水。经济是指：在满足安全排水的前提下，系统的工程造价低、投资费用少，少额外占用空间高度；系统的寿命长。在保证安全性和经济性的同时要兼顾施工方便。（3）雨水从屋面溢流口溢流不符合第①条的精神，属于非正常排水，应尽量减少或者避免。

3.2.3 雨水系统优化设计要点

新型雨水排水系统在国内的实施项目虽然不多，但发展速度快，发展潜力大。它的成功应用需要多部门、多专业的配合，专业间存在技术接口问题。作为排水设计人员，在进行雨水排放系统的设计时，要改变传统的尽快将雨水排放的观念，倡导LID 理念的运用，考虑雨水以渗为主，贮蓄排相结合的排放系统，或者以储为主，渗排相结合的排水系统，雨水渗透-排放一体化，且储蓄的雨水还可以进行雨水的利用，用以绿化浇灌及车库的地面冲洗等。

近年来校园及小区规划设计越来越多，校园或小区中往往包含大面积的景观水体。在进行校园或小区的水系规划时，我们可以运用系统工程的整体性思维，进行水环境综合考虑，通过将片区内污水排放系统、雨水排放系统、中水系统与景观水体进行整合，将校园或小区内水环境的人工循环系统与自然循环系统结合起来，实现校园或小区“零排放”的概念，减少对外界环境的影响。这可以作为片区水系规划的一个优化目标。

4 结论

本文主要研究关于建筑排水系统的优化设计。首先，研究其设计理论，总结了优化设计的指导思想，评价指标以及优化程序；其次，从系统工程可靠性角度出发，通过分析系统可靠性，指出了关于提高建筑排水系统可靠性的方法及途径；接着，从设计者角度出发，依照设计开发流程，具体介绍建筑排水工程的优化设计，从拿到设计任务书，对建筑排水系统环境分析开始，对其进行系统建构工作，总结了排水的优化设计目标以及优化设计要点。

参考文献

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