超高层建筑排水系统相关设计要点介绍

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01概述

对于超高层建筑排水系统,需考虑生活排水系统的排水体制、合理分区和系统消能措施等。

表 17-1

为国内部分超限高层建筑生活排水系统设置情况。其中设有中水回用的建筑项目基本都采用污、废分流制系统,其余类型项目则采用污、废合流制居多。

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表 17-2

为内部分超限高层建筑塔楼雨水排水系统情况统计。塔楼屋面均采用半有压流(87型雨水斗)雨水排水系统,塔楼屋面雨水系统设计重现期基本在 10a 以上,雨水排水系统加溢流系统的合计排水能力最高达 100a。


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根据表 17-2 的统计情况及《建筑屋面雨水排水系统技术规程》CJJ142-2014 第 10.3.2 条的验收要求,大多数超限高层建筑塔楼雨水管材选用时均考虑半有压流雨水系统的承压能力,基本选用耐压能力较高的金属管材,如铸铁管、不锈钢管、无缝钢管、内衬塑镀锌钢管等。

表 17-3

为国内部分超限高层建筑塔楼屋面雨水系统减压、消能措施统计,主要采用的消能措施有立管横向转折、减压水箱、室外雨水消能井三种型式。

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02超限高层建筑生活排水设计

1、生活排水系统分类与选择

超限高层建筑生活排水系统分为污废合流、污废分流两种类型。当建筑物使用性质对卫生标准要求较高或换位部分要求生活污水需经过化粪池处理时宜采用污废分流。

当生活废水需回收利用时,为提高回用水原水的水质,也宜采用污废分流系统。设置中水系统时,根据建筑物内的功能分区和建筑性质,可考虑收集高区废水在设备层中中水机房处理后供给低区冲厕及浇洒等用水,以降低能耗。

2、生活排水系统管材选用与安装

超限高层建筑塔楼生活排水管道应选用符合使用特点和防火要求的金属排水管,如机制柔性接口铸铁排水管等。

超高层高层建筑裙房生活排水管道可选用塑料管或金属管材,如 HDPE 管材(热熔连接或电熔连接)、机制柔性接口铸铁排水管(法兰压盖连接或卡箍式连接)等。

用于同一排水系统的管材和管件,宜选用相同的材质,并应符合国家现行相关标准《排水用柔性接口铸铁管、管件及附件》GB/T 12772、《建筑排水塑料管道工程技术规程》CJJ/T 等的规定。

3、生活排水系统的分区与管道布置

1)排水立管的分区与通气立管布置

对于超限高层建筑,塔楼业态较为复杂,常见的业态有办公、公寓、酒店等不同类型,为明晰产权、便于物业管理,不同业态其排水系统宜按不同功能采用分区排水系统。排水试验表明,排水楼层基于 100m 高度左右的测试塔测试得出,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 100~150m(即 2~3 个建筑功能分区)为宜。

为进一步改善立管排水工况,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,仍宜相应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每层连接;各分区顶层通气立管汇合后的汇合通气总立管,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。如图 17-3 所示

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2)消能措施

超限高层建筑生活排水系统可采用加强型直通旋流器消能、苏维托管件消能、立管横管转向消能,也有采用乙字弯消能的。当中间楼层设有中水回用系统时,进可利用中水原水水箱兼作减压水箱,但中水机房应考虑防臭、预留污泥垂直和水平运输通道等措施。

4、生活排水系统水力计算

超限高层建筑生活排水系统设计流量按设计秒流量计算取值。实验表明,排水层数增加会引起排水立管排水能力降低。国内目前对 35 层以下的特殊单立管排水系统的排水能力进行过测试并得出相关成果,图 17-4 所示的实测数据,当排水层数为 10 层时立管排水能力为 8.2L/s,40 层时排水能力为 6.8L/s,折减系数约为 0.83,根据试验类推,超限高层的折减系数将小于国家现行《建筑给水排水设计标准》GB50015 推荐的数值 0.9,建议超限高层建筑设置器具通气管以改善立管排水能力。

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5、工程验收

超限高层建筑生活排水系统安装完成后,应按国家现行标准《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》、《建筑排水金属管道工程技术规程》、《建筑排水塑料管道工程技术规程》的规定进行通水、灌水、和通球试验,并根据建筑高度选择采用整段方式或分段方式进行通水试验。

03超限高层建筑雨水排水设计

1、超限高层建筑雨水排水系统的选择

1)超限高层建筑雨水排水系统水力设计要点

a.系统选用原则

超限高层建筑塔楼屋面雨水排水应选用半有压流系统。对高达 250m 以上的雨水立管,不建议采用压力流(虹吸式)雨水排水系统,主要基于以下原因:

  • 超限高层建筑塔楼屋面一般汇水面积不大,采用半有压流系统,立管设置数量并不多,从节省建筑空间和降低建造成本的角度看,压力流系统并不具备优势;

  • 因系统高差大,可供利用水头也大,压力流雨水系统中的负压区会相应增大,且最低负压值随之增大后,系统形成气蚀的风险增大,容易产生振动、噪声甚至吸瘪管道破坏雨水正常流态,威胁系统运行安全;

  • 压力流系统设计流态为满管有压流,对超限高层建筑,几百米高度的雨水系统处于满管有压流状态,对管材附件承压能力要求更高。而对于相同设计重现期的半有压流系统,其流态为重力流或半有压流,减压、消能的任务相对较轻,一方面可以节省系统造价(如管材承压等级相对较低)和减少消能装置设置数量,节省建筑空间,另一方面可提高系统的运行安全性。

超限高层建筑的裙房屋面通常面积较大,屋面结构构造也相对负责(如屋面形态、标高复杂的钢结构屋面),相对于半有压流雨水系统,压力流雨水系统具有立管设置数量少、悬吊管无需坡度敷设等优点,可节约建筑空间、增加有效利用层高等,宜采用压力流雨水排水系统。当裙房屋面面积较小,经技术、经济比较后,也可采用半有压流雨水排水系统。

b.半有压流雨水排水系统运行特点分析

87 型雨水斗随着斗前水深的加大,其流态会从重力流逐步过渡到半有压流甚至满管压力流,其设计排水能力会远大于设计流量。表 17-4 为国内某企业 87 型雨水斗实测在不同斗前水深下的排水能力和管内流态。

从表中数据可以得知,国内三种常用规格的 87 型雨水斗,当其斗前水深在 80~110mm 时,系统即可形成满管流。以 87 型 DN100 雨水斗为例,设计排水能力通常按 12~16L/s 取值,当形成满管流态时实际排水能力可达 40L/s。

超限高层建筑选用半有压流系统时,应充分考虑超重现期雨水进入室内雨水排水系统(形成满流或局部满管流)的应对措施。如塔楼屋面雨水排水系统一般选用承压等级较高的金属管材,并需采用相应的加强消能措施(如中间设备层设置减压水箱、出户管部位设置消能井等)。

裙房屋面当采用半有压流雨水排水系统时,若管材选用塑料管,则除要求其能承受满水试验所需要的正压外,还要求其耐负压能力不小于-80kPa,以避免管材因满流时形成的负压被吸瘪,导致产生系统失效漏水的风险。

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c.压力流雨水排水系统运行特点分析

当超限高层建筑裙房屋面采用压力流雨水排水系统时,其管道布置、消能措施、水力计算(如连接管高度、虹吸启动时间、节点压力平衡、最大负压等)详见本《手册》12.6 节。

2)超高层建筑裙房压力流屋面雨水排水系统

当超限高层建筑裙房设计选用压力流屋面雨水排水系统时,设计重现期不宜大于 10a(以保证在较小降雨强度时,系统水平悬吊管仍有足够的自净流速,防止重现期选用过大时少雨水季节管内泥沙淤积堵塞管道过流断面、虹吸破坏)。压力流雨水排水系统应设溢流设施(溢流口或溢流管道系统,溢流管道系统可采用虹吸式雨水系统或 87 型雨水系统),雨水系统加溢流设施的总排水能力不小于 50a 设计重现期。

超限高层建筑裙房屋面设计计算雨水量时,塔楼侧墙汇水面积取值对裙房屋面系统设计影响较大。如上海某超限高层建筑,裙房屋面面积 4800㎡、雨棚面积 700㎡,按现行规范考虑塔楼侧墙面积的一般作为汇水面积后,裙房雨水系统需增加汇水面积 30000㎡、雨棚增加汇水面积 40000㎡(雨棚沿塔楼侧墙狭长型布置,侧墙汇水面积急剧增加),侧墙计入汇水面积达裙房屋面面积的数倍甚至数十倍。

超限高层裙房屋面考虑侧墙汇水面积时,是否可认为一定高度(如 300m)以上的侧墙雨水(尤其是对于狭长型布置的雨棚屋面)大部分被风吹散,从而可以减少侧墙计算汇水面积?这些尚待进行工程实践或水力试验等进一步分析、论证。

3)超限高层建筑塔楼半有压流屋面雨水排水系统

如前所述,超限高层塔楼屋面雨水排水系统应采用半有压流雨水排水系统,且推荐设置溢流设施。当设置溢流设施时,雨水排水系统的设计重现期不应低于 10a,且排水系统加溢流设施的总排水能力不应小于 50a。当不设置溢流设施时,应根据建筑物的重要性和系统出现满管流后可能产生的危害,适当提高雨水系统的设计重现期。

2、雨水系统管材的选用和安装

1)管材选型原则

现行国家行业标准《建筑屋面雨水排水系统技术规程》CJJ142-2014 规定:高度超过 250m 的雨水立管,灌水高度对下部 250m 高度进行灌水试验,按此要求雨水管材及配件的承压能力可取 2.5MPa,对于超过 250m 的雨水立管,其承压能力可限定在 2.5MPa,主要基于两点:一是管道被污物堵塞时如果积水高度超过 250m,污物也会被冲开或冲走;而是目前市面上能采购到的雨水管材及配件,承压能力一般为 2.5MPa 以内。

雨水排水系统的管材与耐压值需结合超高层塔楼雨水系统的选型和减压、消能措施来综合分析确定。当超高层建筑设计重现期取值较低(如 10a)且没有溢流系统时,超重现期原水(如 50a)进入管道后,管道形成满管流的风险相对较大,此时选用雨水管道管材耐压值不低于 2.5MPa,降低管道超压爆管风险,提高系统安全性。超限高层设有中间减压水箱时,相当于将雨水系统立管高度一分为二,降低了雨水管道因堵塞而产生的超高静压的风险,当雨水管道高度低于 250m 时,则可根据实际灌水高度选用相应的工程压力等级的管材。

2)管材类型

超高层建筑塔楼屋面雨水排水系统管道宜选用金属或复合管材,并应对立管底部管道和管件进行加强处理,QB 型雨水排水球墨铸铁管、不锈钢管(下部加厚不锈钢管)、涂塑钢管(不得采用衬塑钢管,因衬层容易脱落)和无缝热浸镀锌钢管等。

超高层建筑裙房屋面雨水排水系统管道宜选用 HDPE 管、不锈钢管、涂塑钢管、镀锌钢管和柔性接口铸铁排水管。

用于同一系统的管材和管件,宜选用相同材质,并应符合国家现行相关产品标准《低压流体输送用焊接钢管》GB/T 3091、《流体输送用不锈钢焊接钢管》GB/T 12771、《排水用柔性接口铸铁管、管件和附件》GB/T 12772、《建筑屋面雨水排水铸铁管、管件及附件》GB/T 37357、《给水涂塑复合钢管》GB/T 120 等的规定。

3)管道安装

超限高层建筑塔楼屋面雨水排水系统管材为 QB 型雨水排水球墨铸铁管时,宜采用 B 型机械式柔性承插连接,其管道安装及加固措施可参考现行国家标准《建筑屋面雨水排水铸铁管、管件及附件》附录 F 的要求;当未不锈钢管时,宜采用沟槽式连接或带惰性气体保护氩弧焊连接;为涂塑钢管时,宜采用沟槽式或法兰式连接;当为无缝钢管时,宜采用沟槽式连接。

超限高层建筑裙房屋面雨水排水系统管材为 HDPE 管时采用热熔焊接或电熔管箍连接,不锈钢管采用焊接,压力流系统负压区除外的涂塑钢管采用沟槽式或法兰连接、镀锌钢管采用螺纹或沟槽式连接。

3、溢流设施

1)溢流口

一般认为,超过 300m 的建筑,屋顶风速很大,可吹散从溢流口流出的水柱,使其均匀飘洒在空中。当超过 300m 的超限高层建筑采用溢流口溢流时,可利用幕墙构造设计,使溢流口沿建筑四边布置,以减少风压对溢流效果的影响。

从表 17-4 数据可知,在实际工程中,为防止出现溢流的频率过高,溢流口的下底标高一般设在集水沟顶面以上至少 100mm,加上集水沟深度 100~150mm,在溢流水位,难免出现满管流的工况。高层建筑特别是排水高度大于 250m 的超限高层建筑,若为防止 87 型雨水斗排水系统面对超重现期雨水时因形成局部满管流、局部管段系统上部出现较大负压、在局部管段系统底部出现较高正压,需要根据选用的 87 型雨水斗水力特征,控制溢流口的起点水深。

同时,溢流口的设置方向应在背风面;有条件时,宜沿建筑物四周均设置溢流口,反之溢流口因设在迎风面而溢流困难,多个溢流口也可以有效缩短天沟上游至溢流口的距离,不至于因水力坡度造成天沟上游水位过高导致超重现期雨水进入 87 型雨水斗系统。

2)溢流管道系统

250~300m 的超限高层建筑,当雨水溢流可能会对建筑周边地面产生不良影响时,可采用溢流管道系统,溢流管道系统应独立设置;也可对半有压流雨水系统直接按不低于 50a 重现期设计。

4、超限高层建筑室内雨水排水系统的消能措施

1)立管横向转折和门型弯

250~300 的超限高层建筑,塔楼雨水立管可采用横向转折或门型弯消能(见图 17-5),但由于这二种做法尚缺少试验和理论计算数据,消能效果能以确认。半有压流系统当有控制超重现期雨水进入管道内的措施时,系统按重力流或半有压流运行,设置横管转折和门型弯,可能在这两种消能管件处产生水跃,引起管道振动和噪声,需引起重视并采取有效措施。半有压流系统若无控制超重现期雨水进入管道系统的措施时,根据 87 型雨水斗的运行特点,可能在超重现期降雨时形成满管流或局部满管流(指水气比大于 90%~95%时),如采用横管转折和门型弯的局部水头损失消能,按满管流计算,其水头损失优先(但因管道流速不能设计得太大,否则会出现局部气蚀,导致管道的剧烈震振动或管道破裂),不足以抵消立管高差产生的重力势能。


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2)雨水减压水箱
如前所述,当超高层建筑高度超高 300m 时,为提高消能效果,不建议采用立管横向转折和门型弯等消能措施,而宜采用减压水箱。当采用减压水箱与雨水收集回用水箱相结合的设计工艺时,既解决了雨水系统的消能,又依靠在超限高层中间楼层设置的雨水收集、利用下,将在高位收集的雨水供地区楼层再利用,减少了水泵提升的能耗,如图 17-6 所示:


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3)出户排水管消能(消能井)

超限高层建筑塔楼屋面雨水排水系统出户管部位应设消能井,裙房屋面雨水系统当采用压力流雨水系统且过渡段长度小于 3m 或流速大于 1.8m/s 时也应设置消能井,消能井宜采用带排气功能的钢筋混凝土井。具体做法详见本手册 12.5 节,当消能井接有多根雨水排水管道时,消能井的规格应通过 CFD 模型计算确定。

04超限高层建筑其他排水设计

1、水灭火系统设备机房排水设计要点

1)屋顶层消防水箱间排水设计

超限高层建筑屋顶通常设置防水保温层,厚度一般为 300mm 左右。屋顶消防水箱间地坪高于室外完成面 100mm 左右,宜保证水箱泄水和地面积水能通过重力自流至室外屋面(如设置侧排地漏排出地面积水)。屋顶水箱间可采用结构抬板或垫层回填等措施,以满足地坪高于屋面完成面等要求。

2)设备层消防转输水箱间排水设计

超限高层建筑消防转输量较大,消防转输水箱间溢流管管径设计时宜按转输管进水流量设计,防止溢流能力不足造成机房被淹没等事故。消防转输水箱溢流管、泄水管和报警阀压力试验排水管等宜设置独立排水管并接至下一区消防转输水箱或地下室消防水池,以便回收利用。消防水箱间可设置排水地漏排出地面积水。

2、水暖设备机房排水设计要点

1)水暖设备机房排水设计

生活水箱间溢流、泄水排水应采用间接排水,其排水可排至机房专用排水沟。

生活水箱间、新风机房、空调机房等机房的地面排水宜采用明沟排水。空调冷凝水排水管宜单独设置,排水管末端应间接排水。

热水机房排水系统应单独设置,其管道材质应选用金属管或耐温塑料排水管。

2)餐饮废水隔油机房排水设计

超限高层建筑当塔楼部分设有餐饮用房时,隔油机房宜就近设置于高区内的设备层。若餐饮功能用房设在高区,而隔油机房设于地下室,则含油废水排至地下室的管道长度预计会超过 100m 甚至几百米,厨房含油废水容易凝固,造成管道内部淤积堵塞,需要对整个管道进行频繁的清掏处理;且管道过长时,还需逐段清理;因厨房废水本身的特殊性质,清理手段需要采用高温水(堵塞严重时还需要高温蒸汽),导致增大清理难度、清理成本。因此,建议隔油机房尽量设置于靠近餐饮的楼层。

当在超限高层建筑高区设置隔油机房时,应提请建筑专业考虑设备和处理物的运输路线,确保油脂的清运方式便捷,清运路线合理、不通过厨房区、不影响周边环境。同时应结合建筑、暖通专业做好如下卫生防护措施:

  1. 油水分离设备不得设置在厨房操作区内;

  2. 油水分离设备应设置在专用设备间内,专用设备间与厨房的距离不宜小于 5m;

  3. 专用设备间应设置排风系统,且宜形成负压。设备间的通风次数不宜小于 8 次/h,设备维护、保养时,通风次数不宜小于 15~20 次/h;

  4. 设备间内应留有油水分离设备维护、保养空间;

  5. 设备间内应配置用于地面冲洗的水龙头及地面排水设施。


文章分类: 给排水
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