高层建筑燃气供应设计中的问题及控制对策研究

龙森

（中铁建设集团有限公司，北京 100043）

1 引言

随着城市经济水平的提升，高层建筑成为满足新时期居民生活的重要建筑结构。但是为进一步完善高层建筑的供电、供气性能，还应做好建筑物燃气供应设计工作，确保燃气供应系统的安全性、可靠性。在此背景下，本文就当前阶段高层建筑燃气供应设计中存在的问题展开讨论，借此针对性地排查燃气设计隐患，提升高层建筑燃气供应系统的设计水平。

2 高层建筑燃气供应设计的关键内容

1）高层建筑中，燃气设计应坚持自低向高的基本原则，所以，可将调压系统独立设置在建筑物外部结构中，为后期维护创造良好条件。

2）高层建筑物中的厨房是设置燃气管线的主要区域，可分别在电梯出口处、天井槽两侧布设燃气管线，使其与建筑物整体设计相互协调[1]。

3）设计燃气管井时，还应强调专道专用，避免与其他管井混合安装。管井材料应具有较强的耐火性，周围应设有通风口。在此期间，还应重视燃气管井的防漏设计，避免因燃气泄漏问题而诱发安全隐患和经济损失。

4）高层建筑燃气设计中，燃气立管一般可敷设在建筑物外墙、生活阳台、管道井上，相关人员应根据高层建筑燃气供应的实际需求，合理选择立管敷设位置。但是相较于其他敷设方式，室外敷设燃气立管的安全性更强，且不会因钻孔、管道安装而影响室内建筑结构。

3 高层建筑燃气供应设计中的问题

3.1 附加压力问题

燃气供应过程中，高层建筑需承受较多的附加压力，所以，在燃气供应设计中，还应严格控制燃气压力波动，减少燃气附加压力对燃气使用造成的影响。据了解，高层建筑供应燃气资源时，附加压力会引起死火、脱火等问题，导致燃气使用过程中存在安全隐患，无法满足居民使用天然气燃具的相关要求[2]。燃气供应设计中，附加压力超出标准范围后会导致天然气燃热效率降低，产生燃烧不稳定的情况，脱火后则会引起爆炸风险，难以保障居民的人身安全。

3.2 建筑物沉降风险

1）高层建筑室内沉降量大于室外时，燃气供应管道局部应力则会增加，管道受力不均匀。建筑物室内外沉降差过大时，还会导致燃气管件旋转、焊缝断裂的情况，继而出现天然气泄漏问题。

2）室外沉降量过大时，燃气管道会随室外沉降而下沉，管道下沉后燃气引入管局部应力偏大，相连的附属管道、设备受损，同样会造成漏气问题[3]。

3.3 建筑位移问题

高层建筑是指高度大于31 m的建筑物，建筑物高度过大时，高层建筑会承受较大的风荷载，过大的风荷载会导致高层建筑出现水平位移情况。建筑位移同样会作用于高层建筑燃气供应系统，影响燃气系统运行的稳定性。对此，相关人员在设计燃气供应系统时，还应充分考虑高层建筑的风动力，灵活地根据建筑物结构特征布设燃气供应管道。

4 高层建筑燃气供应设计问题的控制对策

4.1 合理控制附加压力

1）高层建筑每隔6层可将节流阀设置在燃气立管上，以此提升燃气立管局部的阻力，缓解燃气供应时的附加压力。但供应燃气时，由于燃气流量具有可变性，局部阻力变化后无法准确控制燃气压力值。所以，在此基础上，相关人员还应在燃气立管上再次安装低压调压器，用低压调压设备消除燃气供应时的附加压力。燃气供应设计中，低压调压器可设置在燃气立管或燃气立管横向支管上。

2）通过消除立管自重的方式控制热膨胀后燃气立管所形成的推力。对此，相关人员可结合高层建筑结构设计，每隔几层在立管中间设置支撑结构，用支撑结构分解立管所承受的推力与自重[4]。

3）在满足高层建筑低层用户燃气需求的基础上，通过降低调压箱出口压力控制附加压力。对此，设计人员可采用改变立管管径的方式使燃气管道阻力增加。具体设计参数见表1。为确保附加压力控制的可靠性，在设计高层建筑燃气时，还应单独进行水力计算，制订符合燃气项目供应需求的调压变径方案。正式通气前，还需要测量燃具前压力，并结合实际情况，将超压值控制在3 000 Pa、1 500 Pa以内。

表1 高层建筑增加燃气管道阻力时的设计参数

4.2 有效预防建筑物沉降

为解决高层建筑燃气供应设计中的建筑物沉降问题，相关人员应通过沉降补偿的方式保障建筑的稳定性，使燃气能够安全、顺利地引入建筑物内。具体来说，沉降补偿是在燃气供应设计中用弹性补偿弯头优化燃气引入管设计，缓解建筑物沉降后外部应力对管道的作用力。目前，常用的弹性补偿弯头包括套筒式、波纹式两种。相关人员可结合高层建筑所处区域勘测周围环境系数选择适当的弹性补偿弯头[5]。

利用弹性补偿弯头对燃气管道进行沉降补偿时，还应按照高层建筑实际沉降情况制订补偿方案。

1）高层建筑室内沉降量较大时，相关人员可在建筑物封顶后进行燃气管道设计，同时在引入管区域设置弹性补偿弯头、挠性管，用该类构件补偿因建筑物沉降而使燃气管道形成的位移差，消除燃气管道因应力分布不均匀而出现的破损风险，预防燃气供应阶段的漏气问题。

2）室外沉降量过大时，燃气供应设计人员应与施工方进行沟通，要求后期施工中施工单位应夯实回填土，确保回填土的密实度，然后安装燃气管道，降低漏气风险。

3）高层建筑地基沉降时，燃气供应设计可通过金属软管补偿燃气管道，同时增加管道布设时的钻孔尺寸，以此减少建筑物沉降对燃气供应造成的影响。

在此过程中，由于高层建筑地面沉降与管线沉降不同步，且下沉幅度存在差异，而燃气管线下沉是因高层建筑沉降导致的，因此，应用弹性补偿弯头时，由于该构件接头挠度的变化，可用于计算管线下沉量，帮助相关人员掌握建筑物的沉降量，针对性地整改燃气管道供应设计方案，预防燃气管线下沉造成的安全隐患。

4.3 加强建筑水平位移的控制

风荷载、地震是引起高层建筑位移的主要因素，而建筑物水平位移会导致建筑体振动频率增加，影响燃气供应系统的正常运行。所以，在燃气供应设计中，不仅需要加强建筑水平位移的控制，还应重视燃气管道的抗震设计。

1）风荷载和地震会增加高层建筑顶层结构的位移变化值，设计燃气管道时，相关人员可选择具有抗震性能、质地较轻的管道材料。

2）燃气立管可增设震动传感器，以便及时发现建筑物震动问题，从而采取相应的应急手段，控制燃气安全事故。

3）将波纹补偿器安装在燃气管道上，借此应对高层建筑水平位移、振动时出现的管道受力不均匀等问题。

4.4 优化管道固定、热补偿设计

高层建筑燃气供应设计中，由于建筑物过高，燃气系统中的立管较长，管道自重大。为使燃气管道受力均匀，减小燃气管道的压缩应力，还应通过管道固定及支撑设计使燃气立管产生的压缩应力均匀分布。首先，在燃气立管底部设置支架，用于承担立管自重；然后，使用可活动的立管支架承担立管因建筑风荷载产生的弯曲应力。但是，为保障高层建筑立管支架设计的科学性，还应严谨控制立管支架间距，见表2。

表2 燃气立管活动管支架间距设计

高层建筑布设燃气立管时，施工环境也会导致燃气管道出现极限变形情况，所以，需要通过热补偿的方式应对立管变形问题。高层建筑燃气供应设计中，燃气立管常用的热补偿装置包括波纹补偿器、方形补偿器两种。其中，波纹补偿器可直接通过吸收补偿器管壁的弹性变形量控制立管伸缩量，具有占地面积小、结构紧凑的优势。

方形补偿器则是利用柔性弯头、钢管弯制对立管进行自然补偿，具有补偿能力强、安装便捷、使用周期长、补偿量大等优势。例如，当燃气立管固定支架间距为30 m时，有空调房、管道井温度分别处于20℃、30℃时，燃气立管热伸缩量分别为7.3 mm、10.8 mm，方形补偿器的补偿量分别为3.6 mm、5.4 mm；当燃气立管固定支架间距为45 m时，有空调房、管道井温度分别处于20℃、30℃时，燃气立管热伸缩量分别为10.8 mm、16.2 mm，方形补偿器的补偿量分别为5.4 mm、8.1 mm，可满足高层建筑燃气供应时的热补偿要求。

4.5 优化燃气供应安全设计

1）连接建筑物各区域的燃气管道时，相关人员应采用焊接的方式，用可靠的焊接手段控制燃气泄漏风险。相关人员应提前在使用燃气的建筑空间内安装泄漏报警装置、燃气泄漏切断装置，其中，切断装置可直接安装在天然气的引入管上，并与燃气泄漏报警装置相互联动，及时发送报警信号，以此确保燃气供应系统运行过程中的安全管理效果。

2）燃气供应设计过程中，还应严把设计质量关，重点加强管沟设计、管线设计等方面的质量管理。同时结合实际情况分析高层建筑的土质条件，准确计算管道敷设时管道的开挖深度，科学选定燃气供应时各构件的设计值。

3）合理选择燃气管材，用规格适宜、质量合格的管材建设高层建筑燃气供应系统，为居民安全、稳定地提供燃气资源。需要注意的是，敷设燃气管道时，相关人员还应减少管道的安装应力，高层建筑燃气设计时，管卡固定、钢管焊接都会增加燃气管道应力；而管线应力增加后则会因外力而偏移原有管位，引起立管倾斜问题，所以，必要时需要在燃气引入管区域增设柔性接头。

5 结语

综上所述，为确保高层建筑内燃气供应系统稳定、安全运行，相关人员还应针对燃气供应设计中的建筑物沉降、位移等现实问题优化建筑燃气供应设计，消除燃气设计质量隐患。同时加强燃气管道固定、补偿及调压设计，重视高层建筑燃气供应系统的安全管理，为居民创造良好的居住环境，有效降低高层建筑燃气供应阶段的质量、安全风险。