美标体系国际工程给排水系统计算方法分析

谢春雨

（1.北京城建集团有限责任公司，北京 100088；2.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037）

1 概要

近年来，随着国家“一带一路”倡议的实施，我国建筑设计、施工等领域企业在境外参与国际竞标工程建设的业务量呈逐年上升趋势。在东南亚、非洲等国家地区，存在建筑设计规范体系不够健全的情况，工程设计中经常需要参考美国、英国、法国等国家的规范标准，其中美国的规范标准应用相对较为广泛，但对于习惯使用我国国标规范的设计人员，美标规范体系及使用要求与我国的规范存在较大的差异，因此，准确掌握美标体系中主要参数的计算方法，成为涉外工程设计工作中的重点内容。设计流量是给排水系统设计的核心参数，能否准确计算系统设计流量，是给排水设计工作的关键环节，然而以国标规范中的方法计算得出的设计流量，通常难以获得境外审图人员的认可。因此，本文以孟加拉国某机场项目为例，介绍分析美国规范标准中给排水系统的设计流量计算方法以及与国标计算方法的差异。

2 工程概况

2.1 项目概述

本项目位于孟加拉国Sylhet市，是一座新建国际客运机场，包含国际客运航站楼、货运航站楼、行政办公楼、控制塔台、助航灯光站、消防救援站等共计10个建筑单体以及跑道、滑行道、停机坪等室外附属设施，总建筑面积约6万m2，规划远期年客运量238万人，项目无市政水源，采用自打井供水，原水处理后经配水泵站供应到全部单体，最高用水点为塔台，高度为35 m，供水系统流程如图1所示。

图1 Sylhet国际机场供水流程示意图

2.2 规范体系

美国现行有若干种建筑给排水设计规范，目前在国际上应用较多的，主要有以下3种：《国际建筑给 水 排 水 规 范》（International Plumbing Code）、《统一建筑给水排水规范》（Uniform Plumbing Code）和《美国标准建筑给水排水规范》（National Standard Plumbing Code），3种规范中，《国际建筑给水排水规范》在美国各州中应用最为广泛，也是国际工程中其他国家借鉴最多的，本项目的设计同样以此规范为主要依据，结合《美国标准建筑给水排水规范》对于给排水设计流量的确定进行分析介绍。

3 计算应用

在国际项目给排水系统设计工作中，设计流量是系统的重要参数，直接关系到水泵型号、系统规模的确定，在我国国标规范《建筑给水排水设计标准》GB50015-2019[1]中，对于不同建筑类型给水系统和排水系统的设计流量都给出了明确的计算公式和参数选择依据，但本项目所在国家建筑设计规范仅有一本全专业汇编规范《孟加拉国家建筑规范》（Bangladesh National Building Code），对于给排水系统的计算仅给出了最高日最大时用水量计算方法，对于设计秒流量的计算并无描述[2]，因此结合当地的设计习惯，需要参照美国标准计算系统设计秒流量。

3.1 给水系统

美国规范体系在设计流量的计算中，与国标类似，也使用了当量的概念，根据当量计算给水设计流量的主要依据为亨特计算理论[3]，规范中并未给出计算过程，而是列出了不同当量值下对应的设计流量，下面以本项目国际客运航站楼为例，计算其给水总管的设计流量。

国际客运航站楼内主要用水点为公共卫生间与餐饮厨房用水，统计全部用水器具数量如表1所示：

表1 国际客运航站楼用水器具统计

类似于国内的规范，在《美国标准建筑给水排水规范》（National Standard Plumbing Code，以下简称NSPC）中对于不同的卫生器具和用水设备，给出了各自的给水当量，主要当量值详见表2，在该规范中对于不同的建筑类型，分别定义了不同的当量，本文是以机场客运航站楼为实例，仅展示公共建筑一类的常用器具[4]。

结合表1统计值和NSPC给出的表2当量值，分项加和，得出国际客运航站楼的给水总当量数为2 113（由于未给出普通冲洗龙头的当量，孟加拉当地每个大便器和每组小便器位置需设置冲洗水嘴，用水量较小，设计中参照洗手池的当量计算其水量）。国内的《建筑给水排水设计标准》对于给水设计流量的计算，针对住宅和公建给出了两个不同的公式，由于普通的生活用水器具均为间歇性用水，所以设计流量的计算不是所有卫生器具流量的累加，国内规范中提出了同时出流概率的概念[4]，相应的，NSPC中也给出了多样性因素（Diversity Factor）的概念，考虑到了器具同时使用的概率问题。可以看出，美国给排水设计流量的计算方法虽然与国内的计算方法有所区别，但是原理是相似的，二者的区别在于NSPC并未给出具体的计算公式，而是类似于《建筑给水排水设计标准》的附录C，给出了当量与设计流量的对应关系，在设计工作中，直接按照对应关系选用即可，如表3所示。NSPC分别对以冲洗阀为主和冲洗水箱为主的两类建筑列出了不同的当量－流量对应关系，本文按照项目实例的特点，仅展示以冲洗水箱为主的部分参数。

表2 常用卫生器具的给水当量值（公建）

表3 卫生器具给水当量数与设计流量对照表

按照表3中的对应关系，近似选取当量2 000与2 500之间的流量均值，计算得出卫生器具总当量数为2 113的条件下，国际客运航站楼的高峰用水量（Peak Flow）约等于337 gal/min，换算为21.23 L/s。

由于在设计中通常认为管道基本不具备储水的功能，所以给水系统的设计秒流量近似等于卫生器具的高峰流量。在实际应用中，可以将常用的当量区间绘制成曲线图，方便使用，如图2所示，此部分内容在规范中并未给出，需要设计人员根据项目区间范围需求自行完成。

图2 设计流量曲线

由图2也可以看出，给水总当量大约在1 000以下时，以冲洗水箱为主的卫生器具系统设计流量在相同当量下略高于以冲洗阀为主的卫生器具系统，当给水总当量超过1 000以后，两种系统的差别对给水设计流量基本不产生影响，设计流量的大小取决于绝对当量总数的大小，同时需说明冲洗水箱和冲洗阀大便器的当量数是不同的（见表2），使用时应当注意区分。

3.2 排水系统

建筑排水系统设计工作中，需要根据排水量的大小来确定排水系统水平管道与立管的管径。国标与美标体系关于排水系统的设计计算方法也存在一定差异。

在国标《建筑给水排水设计标准》中，分别给出了排水系统设计秒流量与排水横管流速的计算公式，再通过Q=A·ν（式中：Q—流量，A—过水断面面积，ν—流速）的流量-流速关系可计算出排水横管管径，并使用规范中的表4.5.7，按照不同的通气方式与设计流量，选择出合适的排水立管管径[1]。在美标体系中，给出了不同的排水系统设计方法。排水系统计算需要参照《国际建筑给水排水规范》（International Plumbing Code，以下简称IPC），在IPC的相关章节中，同样给出了卫生器具的排水当量，但此规范为了设计方便，不再进行排水设计流量计算，而是直接给出当量对应管径的经验表格，根据每一管段的排水总当量数选择合适的排水横管与立管管径[5]，主要器具排水当量值如表4所示。

表4 卫生器具的排水当量值

IPC中对于排水系统管径的确定，分别就水平干管、支管与立管给出了当量-管径对应表格，如表5和表6所示，表5中详细给出了建筑物排水管（Building Drain，表示立管底部的排水横管，只有立管和底层的排水横支管接入其中）在不同坡度下各个管径对应的最大当量值，对于建筑物排水管，按照对应的当量数，结合管道坡度，即可选出合适的管径。IPC排水系统水力计算的原理是曼宁公式，与《建筑给水排水设计标准》相同[1，5]，所以坡度的选择可以参照国标规范选用。

表5适用于室内的排水横干管和室外排水管道，表中空白处表示无效的坡度范围，在该管径-坡度下的管道流速偏小，不建议使用。表6中列出了排水系统中水平支管和立管的对应最大排水能力，其中水平支管的坡度对应不同管径的最小坡度，IPC中未对管道的最小坡度做出约定，结合美标设计习惯，建议1.25～2.5英寸采用0.02，3～6英寸采用0.01，8英寸及以上采用0.005。排水立管的管径同样根据表6来确定，表中根据立管连接层数的不同分别给出3列管径的对应排水能力，分别为单层可排入总数、2～3层可排入总数、以及大于3层的立管可排入总数，由此可见相同管径下连接的层数不同，立管的排水能力也有区别。需要注意，在立管与横支管管径相同的条件下且当管径大于3英寸时，立管的排水能力要小于横支管，此时横支管的排水能力应以下游连接的立管为准。例如，当一根5英寸的水平支管接入5英寸的立管时，此时水平支管可接入的排水当量总数应该是200，而不是360。此外，IPC中特别指出，对于马桶排水连接管道的管径单独注明不小于3英寸[5]，即76.2 mm，不同于《建筑给水排水设计标准》中的相关要求为100 mm[1]。

表5 建筑物排水管最大排水能力

在实际工程设计中，不能单一的使用表6中的数据确定立管的管径，应当结合通气条件综合考虑。按照表6的设计思路，排水立管随着层数的变化将会产生变径，虽然IPC中明确表示排水立管可以变径，但结合实际工程经验，仍建议排水立管按照统一管径设计。

表6 排水横支管及立管最大排水能力

3.3 局限性

由以上对比可以看出，美标体系下的给排水系统设计流量确定不需要设计人员进行计算，直接按卫生器具统计当量，查表即可得出，且得到的数据相对更为可靠，不易出现计算错误。

但是，由于NSPC与IPC对于给排水系统设计流量的计算均未给出基本的计算方法，在美标体系下的建筑给排水系统设计只能选择表格中给出的管径和坡度参数，在设计工作中虽然应用方便，但由于所列规格的精度不足，在使用过程中也具有一定的局限性。

4 总结

美标给排水设计规范种类较多，各个规范之间有较多重叠内容，规范的侧重点也有所不同，因此在使用过程中，对规范的选择尤为重要，需要了解各个规范的适用方向，以便更高效地开展设计工作。

对于给水和排水系统设计流量的计算，《美国标准建筑给水排水规范》和《国际建筑给水排水规范》两本规范分别给出了区别于国标规范的选定方法，这两本规范在国际工程上应用较为广泛，可以作为可靠的设计依据。

美国标准与我国国标规范对于设计工作的指导作用存在较大的差异，且系统体系较为分散，与国标规范的匹配性不高，使用时更多需要设计人员的经验和主观判断，在设计中应当与工程当地规范结合使用，并将国标规范作为参考和验证的依据，以保障设计质量。