超高层建筑给排水设计技术与完善措施探析

2022-12-30史永强中铁十五局集团城市建设工程有限公司助理工程师

中国建筑装饰装修 2022年4期

史永强中铁十五局集团城市建设工程有限公司助理工程师

为了有效缓解城市土地资源的供需矛盾，降低城市发展过程中空间使用成本，越来越多的地区在城市发展中，将超高层建筑纳入整体规划中。根据相关研究机构公布的数据，2020 年，我国超过300 m 的超高层建筑达到99 座，居世界第一。超高层建筑数量的增多以及规模的扩大，在很大程度上缓解了土地供需矛盾等问题，但是巨大的工程量和超高的建筑高度，对于给排水等配套设施提出了更高的要求[1]。基于超高层建筑平稳运行的要求，应当在现有设计经验的基础上综合考量各类因素，采取必要的技术举措，推动超高层建筑配套设施的稳步升级，确保其服务功能的充分实现。

1 超高层建筑给排水设计概述

对超高层建筑给排水设计内容、设计要点进行系统性梳理，有助于设计人员在思维层面形成完备的观念认知，精准把握超高层建筑给排水设计的基本要求，突出给排水设计技术应用重点领域，确保给排水设计方案的整体效果。

1.1 超高层建筑给排水系统组成

超高层建筑给排水系统主要由给水、排水以及消防等模块组成，采取气压罐供水和高水箱供水等方式，实现水资源的区域性调配，以满足不同场景下的使用需求。具体来看，气压罐供水是通过持续性的压力输出将给水传送到供水点。在此过程中，如果管道内的压力处于较低的范围，气压罐中的离心泵将开始运转，持续向管道内注水，确保水管压力保持在合理的范围内，当水管内气压达到规定数值时，离心泵停止运转[2]。高水箱供水是通过储水以及调节水压的方式来完成供水。当给水管道内的水压没有达到预设参数时，调节罐在离心泵的驱动下，提高给水管网内的水压，从而快速完成给水任务。

超高层建筑排水系统主要采用了分流系统，依托分流系统的结构优势，在保证排水效率的同时，减小整体能耗，避免产生额外费用。分流系统在设计过程中，需要设计人员采取水力计算的方式，对排水管道的流量进行分析，明确排水上限，避免盲目排水导致管道结构性损伤。消防管道设计则采取减压式的管网结构，以保证消防管道在结构布局方面的独立性，降低消防管网出现故障的概率，切实提升超高层建筑的消防安全属性。

1.2 超高层建筑给排水设计要点

在超高层建筑给排水设计过程中，为确保设计方案的可操作性，实现给排水结构功能的完整性，需要设计人员结合过往经验，精准把握给排水设计要点。由于超高层建筑整体垂直高度较高，静水压力较大，在供水管网设计环节，如果没有很好地将其与建筑结构进行分割，极有可能造成供水管网压力过大，出现管道破损等情况，影响超高层建筑的正常使用[3]。例如，超高层建筑给排水管网的覆盖面较大，为了满足给水、排水需求，往往需要做好设备层以及管井等结构的设计工作，通过科学布局给排水设施，确保给排水管道可以正常运转。

超高层建筑结构较为复杂，电气设备分布范围十分广泛，在长期的使用过程中，出现火灾风险的概率较大。为控制火灾危害性，设计人员需要做好消防给水管网设计，通过相应的结构优化，提升超高层建筑给排水系统的自救能力。与传统建筑不同，超高层建筑人员较多，人口密度较大，需水量与排水量较大。在这种情况下，为了保证给排水管网的正常运转，减少管网结构故障的发生，无疑需要设计人员在管道压力、管道结构等方面作出相应的调整。通过这种方式，持续提升管道的防噪声、防变形、防冲击以及防渗漏能力，确保给排水设计方案充分满足超高层建筑的使用需求。例如，超高层建筑的整体排水量较大，为了保证排水效果，部分设计人员采取了加大排水管道孔径、延长排水管道长度等措施，实现排水的定向汇集以及定点排出。但是这种设计方式往往导致排水管道内部压力波动较大，影响管道的结构稳定性，造成排水管道使用寿命缩短等系列问题。

2 超高层建筑给排水设计的技术难题

超高层建筑自身独特的属性使给排水设计面临更为复杂的环境。为保持给排水设计方案的有效性与合理性，确保给排水设计方案可以满足超高层建筑的使用需求，有必要对给排水设计过程中面临的主要技术难题进行梳理。

超高层建筑由于垂直高度较高，为保证水体可以快速达到供水点，往往采用高压泵组和低压泵组的供水方式。这种供水方案使得整个超高层建筑的给水压力较大，导致给水管网在压力作用下出现结构性损伤的概率较大，无形中增加了超高层建筑给水管道的使用成本。超高层建筑给排水管网在使用过程中，暴露出用水高峰期水压较低的情况。在某一时间周期内，用水人数较大，需水量较大，导致超高层建筑顶部的水压不足，从而影响用户的正常使用。超高层建筑结构布局较为复杂，给排水设计过程中，往往需要根据不同的场景，临时调整给排水设计方案，这种临时性的变更调整可能会导致超高层建筑水压水量不足、水压持续下降等情况。

3 超高层建筑给排水设计技术应用策略

在应用超高层建筑给排水设计技术的过程中，设计人员应当着眼于实际，坚持问题导向、需求导向、结果导向，以科学性原则与实用性原则为框架，拓宽思路、创新方法，积极推动给排水技术的合理化应用，以全面提升超高层建筑给排水等配套设施的服务能力。

3.1 精准把握超高层建筑给排水设计要求

超高层建筑给排水设计过程中面临一些技术性难题，需要妥善解决其中出现的给水压力不稳等系列问题。在开展给排水设计工作的过程中，应当着重做好相关设计工作，实现水气混合两相流通。具体而言，对给排水管网中的立管设计流量进行评估，借助系统化的立管设计流量核算，确保立管的最大流量不超过规定流量的上限，完成给排水管网管道的科学选型。同时，还需要做好管道消能处理，通过消能处理降低水流下降的速度，防止水流速度过快，对给排水管网带来额外的损伤，进而影响管网的使用寿命。

为实现水气混合，保证管网运行的稳定性，设计人员可以在超高层建筑给排水系统的相关位置增加专用的通风立管，借助通风管道来提升给排水管道内部的压力调控能力，减少负压情况的出现概率，保证给排水管道内的空气可以相互流通，实现水质的保障与改善[4]。为保持给水供给能力，设计人员可以采取变频泵，实现水压与供水高度的有效匹配。同时，合理安排避难层的空间布局，实现输送泵与输水箱的有效设置。

3.2 完善超高层建筑消防给水系统设计方案

为了保证超高层建筑的消防安全，提升给排水管网的消防自救能力，在整个给排水系统设计过程中，设计人员应当针对性地做好消防给排水系统设计工作，逐步建立完善的消防给水模式。实际设计环节，设计人员应当根据《高层民用建筑设计防火规范》的相关规定，采取特殊的消防策略，做好消防给水设计方案的备案审核工作。例如，当高层建筑的整体高度达到250 m 时，设计人员需要根据建筑的空间布局制定特殊的消防策略，并上报消防主管部门进行审核论证，审核通过后组织实施。

在明确设计基本框架与主要流程后，设计人员应当根据超高层建筑的消防设计要求，对消防给水系统的主要参数作出相应的调整。例如，在超高层建筑的相关位置设置消防栓箱，同时设置喷淋系统，强化超高层建筑对于小规模火灾的应急处置能力。喷淋系统在设计过程中，不仅需要结合高层建筑的整体空间布局，对水泵、阀门以及管路开展合理安排，确保喷淋系统的覆盖范围以及应急能力，还需要提高喷淋系统的抗压能力，以应对超高层建筑给水压力过大的问题，保证喷淋系统各类组件的高效、平稳运转。

现阶段，综合考量各种因素，喷淋系统中水泵、阀门以及管道的压力参数应当保持在2.5 MPa，选择的管路应当以无缝钢管为主。通过设备性能参数的稳步提升，可以较好地兼顾喷淋系统的实用性与稳定性。基于超高层建筑消防系统有序运转的要求，设计人员可以在地下室内设置泵房。考虑到消防供水差异较大，对于水泵可以开展单独设置，并且运用高低水压来进行压力划分，确保消防供水系统运转过程中，水泵高低区可以共同启动，同时确保超高层建筑消防系统的水压符合预期[5]。

4 BIM 技术在超高层建筑给排水设计中的应用

超高层建筑给排水项目在设计过程中，需要充分利用BIM 技术，完成设计方案的论证与模型的构建，持续提升超高层建筑给排水设计结果的有效性与精准性，确保设计方案达到预期要求。具体来看，设计人员根据设计任务书建立BIM 模型，根据相关设计参数以及设计要求形成相对完备的装饰建筑模型。模型中涵盖了室内装饰的主要构件等多种要素，逐步模拟出空间状态，实现设计方案的直观化。

BIM 技术可以对设计方案的物理属性作出评估，对空间内采光、通风、声学以及色彩等要素展开分析，根据分析结果不断调整设计方案，在保证设计方案质量的前提下压缩设计周期，降低设计方案变更的概率，为项目工程量的管控提供便利条件。在完成设计方案确定后，设计人员根据相关要求，依序做好综合碰撞检查。检查过程中，设计人员需要确立综合化的评估体系，对超高层建筑给排水不同要素开展针对性调整，尤其注重做好特殊结构相关信息的记录，实现结构的参数化处理。

各项综合碰撞检查工作完成后，生成二维装饰施工图。在这一过程中，充分利用Revit软件组建相应的施工模型，这种施工模型与BIM 装饰施工图纸有着较强的内在关联性。当设计人员根据施工要求，调整Revit 模型的相关数据后，可动态调整制图模型，缩减了中间环节，实现工作效率的稳步提升。同时，BIM技术与Revit 软件联合使用，支持手工图形绘制操作，设计人员可以根据需要在图纸的相关位置标注文字注释或者相关说明，以更好地提升设计方案的可行性，推动超高层建筑给排水项目后续活动的顺利开展[5]。

BIM 技术在超高层建筑给排水项目中的应用可以持续提升项目管理工作的精细化管理水平，形成系统化、全面化的项目管理模式。例如，在施工进度管理过程中，管理部门组织人员利用BIM技术实时掌握项目的进展情况，将施工进展与设计方案进行横向对比，判定施工进度是否达到预期。对于施工进度较慢的建设项目，施工企业可以组织人员进入施工现场，实地掌握施工区域人员、设备以及材料的管理情况。通过综合性评估，明确施工现场管理过程中暴露出的相关问题，以问题为导向，以需求为牵引，综合考量各类因素，在BIM 技术框架下，有针对性地开展超高层建筑给排水施工现场管理工作。

针对部分施工体量较大、施工难度较高的超高层建筑给排水，施工人员可以充分借助BIM 技术对施工流程开展全方位的模拟。模拟过程中，通过物理碰撞以及规则碰撞等方式，测试模拟施工流程的可行性，论证施工流程是否可以在保障施工质量的前提下压缩施工周期，保证施工进度。在这一过程中，管理人员利用计算机技术持续记录建筑工程项目的节点数据，抓住项目施工管理的重点要求，通过科学把控管理重点，使施工企业在物料选型、购买以及管理等环节可以更好地开展管理工作，从源头上杜绝质量问题的发生，实现超高层建筑给排水质量的科学管理，同时确保可以在规定的时间内，快速完成项目施工任务。