探讨建筑给排水系统基于可靠性优化设计

夏俊涛

摘要：建筑给水排水系统设计是一项复杂的系统工程，不管是旧项目改造还是新项目的设计，当项目一到手，要想拿出合理优化的设计方案，很关键的一步就是进行系统分析。通过系统分析，为决策提供各种分析数据、各种可供选择方案的利弊分析和可行条件等，系统决策的正确与否和系统分析的水平与质量关系极为密切。

关键词：建筑给排水； 系统可靠性；给水；消防；优化设计

中图分类号： S276 文献标识码： A

1、系统可靠性的基本概念

所谓建筑给排水系统的可靠性是指建筑给排水包含的各个系统在规定的使用条件下，在规定的时间内完成其预定功能的能力。可靠性的目的就是尽可能设计与制造不发生故障的系统，而这又恰恰是系统工程方法的可靠性技术。可靠性研究的目的是实现可靠性工程优化。系统的可靠性设计本身就是系统的优化设计过程。除了对一个已经存在的工程系统用可靠度概念进行评估外，对可靠度追求和把握的另一个原因是人们需要结合可靠度和经济指标来进行系统的优化设计。 2、系统可靠性模型分析

2.1 串联系统可靠性模型分析

如果系统由两个或两个以上组分组成，其中任何一个组分发生故障就使系统失效，这样的系统的可靠性模型就是串联模型。假设一个系统有n个组分，每个组分对应的失效率是 、…，对于串联系统，各组分是相互独立事件，根据概率论知系统的可靠度应该是各组分可靠度之积。即系统可靠度R为

由于各单元的可靠度均小于 1，故整个系统的可靠度会小于各单元的可靠度，且串联的单元越多，系统的可靠度就越小。

2.2 并联系统可靠性模型分析

如果系统的各组分，其中任何一个失效都不影响系统工作，只有全部都失效时系统才失效。这样的系统，它的可靠性模型是并联模型，在并联模型中，由于每个组分都失效时系统才失效，所以系统的不可靠度 F 等于组分不可靠度的乘积，

系统可靠度

并联系统多半是一种带后备的情况。如两台水泵并联工作，其中一台失效，并不影响另一台的正常工作，不致影响系统运行。并联系统的可靠度大于各单元的可靠度。需注意的是，并联系统指的是逻辑图上的并联，与安装图上的并联有时并不一致。如串联的止回阀或闸阀在逻辑图上则是并联系统。

2.3 复合系统可靠性模型分析

给水系统各组分的可靠性的相互关系，也可以构成，先串联后并联的串并联模型，或者先并联后串联的并串联模型。当各组分的可靠度相同，全是R时，

串并联模型系统可靠度为：；二并串联模型系统的可靠度是：。其中 n 与 N 分别为串联与并联的组分数。

3、建筑给排水系统基于可靠性的优化设计分析

在此我们可以从以下这几个方面着手，探讨如何改进建筑给排水系统的可靠性，进行给排水系统的可靠性优化设计。

3.1 管材

在设计过程中，做到既保证系统的供水可靠度，又能控制管材的成本，或者在同样工程成本的前提下，提高系统的供水可靠性，如何进行管材的选用就成了摆在我们每个工程师面前的一个难题。

3.1.1选用原则

1）技术方面：①管材应有省级政府卫生部门颁发的生产许可证。②管材应有制造标准和设计规程。我国给水管材有不同等级的制造标准及技术规程。一般具有技术手册或其他形式的认证，提供给设计人员选用依据及设计参数。③管材及管件应规格齐全，可系统配套，亦可与不同材质的管材连接。④管材供货厂商有相应的技术支持能力，包括对管材各种技术参数的说明及澄清、指导安装、试水、验收、售后服务等。

2）经济方面：①价格性能比。②与建筑物档次相适应。③业主、设计、施工及监理单位对管材的认识及接受程度。成熟的设计师会根据工程及业主的需要综合考虑技术及经济各项因素来决定管材的设计选用。

除了上述两方面外，在选用管材时，我们还应根据综合考虑管材安装的难易程度以及就地取材的因素。

3.2 给水系统

给水系统是旨在提供优良服务的开放的复杂巨系统，人民生活水平的提高，水源的匮乏，也要求给水系统不断提高其功能作用水平并可以生发出新的功能，如水质保证、实时供水及降低能耗、漏耗等。给水系统的可靠性同样包含水力（水压、水量）和水质两个方面。

随着高层建筑的快速发展，二次供水系统日益增多，它给生活供水带来了方便，但同样带来了二次污染的潜在威胁，二次供水污染问题早已引起了社会各界的关注。在进行项目设计过程中，设计人员应该具备卫生意识，尽量避免出现水质污染问题，下面列出了常见的几个导致水质污染的原因：

a)生活水箱与消防水箱混用，使二次供水受到污染；b) 储水箱容积过大，水箱储水量超过正常生活用水量，水体停留时间过长，导致余氯耗尽，微生物生长繁殖。设计时要考虑储水箱的大小，不易使水在水箱中储存时间过长。c) 没有考虑生活水池与化粪池等污染场所的相对空间位置，也未作相应的防护措施，一旦出现渗漏，地下污水就会渗入水池污染水质。设计中要注意二次供水设施与周围环境的相对位置，防止潜在的污染源。d) 高位水箱的出水口设计不合理，高于池底，池中水不能排净，微生物繁殖，造成水质污染。e) 蓄水池的进水管、溢流管处理不当或防护措施差，进水管无盖或密闭不严，溢流管根本就无防护措施，容易造成别的生物进入水池污染水质。f) 防倒流污染措施未严格按照规范执行，水质污染的途径很多，因倒流而造成污染是最常见的原因。设计中应避免出现漏设或误设等现象，如将应设置倒流防止器的地方设置成止回阀。g) 二次供水系统缺乏必要的消毒设施。h) 生活饮用水管道与非饮用水管道标识不明或无标识。生活饮用水与非饮用水管道应有明确标识，及应有相应的防护措施。

3.3.消防系统

一般来讲，消防系统由消防水源、水泵阀门、管网、报警阀、灭火设备（喷头或消火栓）、屋顶水箱等部分组成， 这些组成部分构成一个串联系统，其可靠度为

这里的模型是可靠性的结构模型，并非部件连接的物理模型。只要其中一个部件发生故障，整个消防系统都不能正常工作。要提高整个系统的可靠度，优化消防系统设计，仅就消防供水及消防给水方式两个方面展开讨论。

⑴ 消防供水

能否确保消防给水水源直接影响火灾扑救效果，建筑消防供水的可靠性会影响建筑扑救火灾的成功率。需要指出的是，这里所指的消防水源，我们可以将其含义引申为接入室内消防管网前的消防供水，将从消防水源以及水泵接合器两个方面探讨。

①消防水源：消防给水水源可取自市政给水管网、天然水源和消防水池消防水源，

必须保证规定火灾延续时间内的用水量。如果消防设施出现设备故障或操作不当，整个消防供水设施就处于瘫痪，甚至连属于市政供水压力范围内的楼层都无法得到可靠的消防供水。为提高系统的可靠性，合理利用市政水压，可以考虑如下做法：在自动喷水灭火系统中，在喷淋泵后、湿式报警阀前将市政给水管道并联在喷淋泵的出水管上，同样在消火栓系统中，也将市政给水管道并联在消火栓泵的出水管道上，这样，无论是人为因素或设备故障，市政供水都能靠自身压力进入消防管网，直接扑灭属于市政供水压力可达楼层的火灾。但进水管道上要安装止回阀，防止喷淋泵启动后出水倒流到市政管网中，同时又起到防止污染生活饮用水的作用。

②水泵接合器的设置：按规范要求通常在消防车供水压力范围内的每个消防分区都设置水泵接合器。在实际设计中，许多设计人员往往将所有的水泵接合器集合起来，设在一处，这是很不合理的，应分开设置，水泵接合器之间的距离一般不宜小于 15m，以便于消防车在现场展开灭火工作。

此外，在连接水泵接合器时应注意，应将水泵接合器接在室内消防管网与消防环管相连接处的止回阀靠室内消防管网一侧。否则容易出现的一个问题是，当发生火灾时，消防车从室外消火栓吸水加压后，打入水泵接合器的消防水在室外消火栓和水泵接合器间循环，经加压后的消防水不能进入室内消防管网，导致室内消防系统水压和流量不能满足要求。

⑵ 消防给水方式

高层建筑的火灾扑救以自救为主，高层建筑消防以室内消防为主，室内消防管网要保证消防需要的水量和水压都时刻处于临战状态。因此室内消防给水系统采用常高压、稳高压或临时高压给水系统。火灾时消火栓系统一般考虑相关层消火栓同时工作，若在分区中界面发生火灾时就要求高低区消防水泵同时工作。整个设计的配电负荷应按高低区消防水泵同时工作配置，而高低区消防水泵均按室内消防用水量设计。故当分区中界面发生火灾时，实际消防流量比设计流量要大。为保证系统的安全性可靠性，应采取一定的技术措施。

在减压阀前后应安装压力监控装置，同时能将压力状况传送至消防控制中心以便及时察看减压阀的工作状况。当减压阀失灵后远传压力变送器将压力信号传至消防控制中心，中心接到报警后能及时派人检修。使用减压阀应采取保证水质的技术措施。一般做法是在阀前安装过滤器且对减压阀前管道的材质亦需相应提高要求。减压阀采取备用措施，即采取一用一备的减压阀组。消防给水方式的选择要根据工程具体情况由与之相关的各种因素综合评价。通过对高层建筑消防系统进行合理的竖向分区以及选择经济合理的给水方式，有利于系统的安全运行并可节约初期投资节约能源和减少运行费用。

4、结语

建筑给水排水工程发展至今，正逐渐成为一门相对独立的工程学科。随着经济建设中，大体量、多功能、超高层建筑的出现，对建筑给水排水设计提出了新的要求。深入研究建筑给水排水系统的优化设计，总结其优化的指导思想、评价指标、优化程序，在此基础上从系统可靠性角度探讨如何优化系统设计，并且针对建筑给水排水常用的各个子系统，分别进行方案优化设计分析，以供在设计中参考，选择最优方案。