建筑给排水工程的设计优化研究

兰州有色冶金设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000

由于建筑给排水系统较为复杂，选择经济、合理的给排水方案已经成为设计人员需要解决的关键问题。鉴于此，许多学者通过理论推导、现场调研等方法对建筑给排水工程的设计开展了研究，并提出了一些有价值的研究成果。例如，陶源[1]分析了给排水管线的布置原则、布置方式及优化设计措施，指导了建筑给排水工程的施工；梁俊彦[2]以某高层建筑为研究对象，总结了建筑排水系统优化设计的基本步骤，并针对室内生活排水和室外生活排水进行了具体优化；韩松[3]从管道铺设和自动放气阀设置两个方面研究了建筑给排水管道设计的重难点，同时建立了排水管网水力优化模型。

1 建筑给排水系统的特性及设计影响因素

1.1 建筑给排水系统的特性

建筑给排水属于给排水工程中的一部分，与市政给排水、工业给排水共同组成系统的给排水体系。但是建筑给水排水又有其自身特点，与建筑结构、建筑供暖与通风、建筑电气等工程共同组成建筑物，其设计质量的好坏不仅会直接影响建筑物的正常运行，还是评价建筑标准等级的关键因素之一。同时，建筑给排水系统十分复杂，由若干个给水、排水子系统连接而成，并与系统边界或外环境合理对接，如图1所示。

图1 建筑给水排水系统连接

一个优秀的建筑给排水系统设计方案应当具有以下特性：（1）耐久性。在建筑物使用年限内，给排水工程的各种组成部件，如管道、仪表、加压（热）设备等，能维持较好的性能，与建筑物寿命相匹配。（2）安全性。设计给排水方案时应确保管道安装牢固，设备具有良好的抗震性能、耐腐蚀能力，消防给水系统响应迅速等，以保障排水工程在正常使用期间不影响使用者的人身安全与结构安全。（3）经济性。设计给排水工程时要深入地开展技术性和经济性比选，从而选择造价最低、效果最优的方案。（4）卫生性。供水水质标准和排放水质标准要满足相关国家规范的要求。（5）协调性。给排水管道的布置应和周围建筑物环境、市政管线等相互协调。

1.2 建筑给排水系统设计的影响因素

（1）给水系统设计。建筑给水系统的主要作用是提供洗涤用水和饮用水，与人体健康密切相关，其影响因素主要包括水质、水压、水量及各种仪表器具等。①水质。水质直接决定了建筑给水方案的适用性与安全性，如采用屋顶水箱直接供水时，水箱内的储存水出现二次污染的可能性会大幅度提高，如果选择市政管网直供或无负压设备供水，则外部污染源较少，可以改善水质。②水量。进行建筑给水设计时必须确保水量能满足人们的用水需求，否则会降低整个给水系统的适用性。但是，水量也不宜过大，否则储水、加压设备偏大，会占用过多的建筑空间，经济性不好。③水压。供水设备提供的水压应满足用水设备的出水大小及力度要求。水压过小，供水设备无法工作；水压过大，造成能量损失、水资源浪费。

（2）排水系统设计。建筑排水系统的主要作用是收集排放生活污水、废水、屋面雨水等，其影响因素包括管道、排放方式及相关构筑物等。①管道。管道是建筑结构排水的主要通道，对排水方案的影响程度最大。建筑排水管道应尽可能采用耐腐蚀性能好的管材，这样不仅能减轻污水、废水对排水管道的腐蚀作用，延长其使用年限，还能降低管道破裂渗水的可能性。同时建筑排水应选择内壁光滑、摩擦系数小的管道，以避免排水堵塞，提高排水速度。②排放方式。排放方式包括排水方式和排气方式。建筑物内的污、废水应排入相应的市政管道，在与市政管道相接时要注意核查两者的标高是否一致，否则水流难以排出。同时，建筑排水管道中的污水、废水等会产生难闻气体，应当在排水管道上设计通气口，以免污染环境，导致人的感官不适。③局部构筑物。对于普通的建筑项目，排水系统中应设计化粪池、隔油池等构筑物，对排水管道中的生活污水、废水进行简单处理，使其达到排放标准，减少对外部环境的干扰。

2 建筑给排水工程优化设计流程

建筑项目给排水优化设计的目的是设计出效率高、能耗少、造价低、可靠性高的给排水系统。建筑给排水系统较为复杂，要想将其从工程问题简化为能模拟优化的模型难度较大。同时，由于各项目均有其特点，不可能有完全一样的优化方法。当遇到新项目时，只能先依据以往工程经验和统计调查资料，制订常规性的优化方案，随后再结合该项目的具体特点进行优化。建筑给排水系统的优化流程如下：分析给排水系统中存在的问题→明确系统优化目标→建立优化模型→模型计算和验证。

（1）分析问题。弄清楚建筑给排水系统中存在的问题是对其进行优化的首要步骤，直接影响系统优化结果的准确性。给排水系统中的问题分析可采用逐级分解的办法，即先将给排水系统分解成若干层次和子系统，再针对每个子系统特点去分析问题，从而建立问题层次模型。

（2）明确优化目标。设计人员应根据每个层次问题提出相应的优化目标。建筑给排水系统功能优化目标包括技术、经济、社会三个方面，具体指标见表1。

表1 建筑给排水系统优化总目标

（3）建立优化模型。建立数学模型的目的是定量表示建筑给排水设计方案，以便对多个方案进行对比分析。建立数学模型的最基本要求是表达出给排水系统的基本属性，此时可忽略其次要的特征因素。同时，应确保优化模型简单，便于与其他专业模型相互衔接。建筑给排水系统优化模型的内容包括三个方面：第一，明确优化模型的边界条件、约束条件；第二，建立系统内部各变量间的关系模型；第三，建立系统内各变量与相应优化目标间的目标函数。

（4）模型求解检验。建筑给排水系统优化模型建立后，可采用数学规划法或灵敏度分析法等方法求出最佳设计方案，并将计算结果与各层次优化目标进行对比，以检验优化结果是否满足预期要求。

3 建筑给排水工程优化设计要点

3.1 给水系统优化

建筑给水系统优化的关键是选择合适的给水方案，传统的给水系统主要采用市政水源→水池→加压泵→高位水箱或气压罐→用户的模式。随着技术的进步，越来越多的建筑工程开始采用变频调速加压泵或二次供水前置设备为用户供水，但是通常以单一的供水方案为主。笔者认为可根据建筑结构类型选择合适的供水方案并组合使用。以高层建筑为例，可采用二次供水前置设备+常速泵组+高位水箱供水方案，其中高位水箱可放在建筑物避难层，一部分水流可充分利用重力供给低楼层，另一部分通过加压方式给高楼层供水；水泵房选择二次供水前置设备，以充分利用市政水压。

3.2 排水系统优化

（1）污、废水分离。为了提高建筑结构物的卫生标准，改善化粪池处治能力，排水系统应尽可能将污水、废水分流。如果建筑单物体量较小，也可将生活污水经化粪池直接排进市政管网，再通过污水厂处理。（2）通气管设置。设置通气管是为了避免建筑排水系统中出现负压虹吸与正压喷溅现象，改善排水管道中的空气循环。建筑排水系统的通气管按照通气方式分为伸顶式、双立管式、环形通气式及器具通气式，双立管排水系统应优先选择双立管式，这样可以有效平衡立管内的正负气压，减少“气塞”现象。（3）管材选择。目前建筑排水系统中多采用价格低、重量轻、水流阻力小的塑料管来取代传统铸铁管，但塑料管水流噪声较大，易老化。在噪声控制严格的建筑区域，可参考建筑物功能及档次，选择柔性接口的铸铁管或U-PVC螺旋管。

4 结论

（1）建筑给排水系统是由若干子系统连接而成，受水质、水量、水压、管道、排放方式、局部构筑物等因素的影响；（2）建筑给排水系统优化流程包括分析问题、明确优化目标、建立优化模型、计算和检验模型等内容；（3）给水系统优化可根据建筑结构类型选择合适的供水方案进行组合，排水系统优化可从污废水分离、通气管设置、管材选择等方面着手。