建筑暖通工程施工中的关键技术问题研究

刘楠

（北京市设备安装工程集团有限公司）

建筑暖通空调系统是建筑物在使用期间提供合适空气温度和湿度的重要基础设施，是保证建筑使用者工作和生活舒适度的重要物质保障，建筑暖通空调系统局域自身独特的特点，比如制冷制热等设备众多、管道直径大小不一、管道线路长、管道密集、管道存在交叉和并行现象，因此，在施工中，对于暖通管道的施工技术问题的研究尤为重要[1]。其中，解决管道的应力和变形问题是保证管道施工质量、敷设效果和管道运营质量的重要前提。这是因为管道在铺设的过程中，在水平方向和垂直方向为了满足跨越要求，往往采取大跨度施工，同时长距离的管道需要采用法兰连接，为了适应建筑物的形状的不规则变化，管道也要设置不同的弯曲角度，这些原因都会导致管道应力和形变，使得建筑暖通空调管道在使用期间存在变形、破裂、泄露等风险，不仅影响建筑物的使用性能，而且增加的了暖通空调的维修成本[2-3]。本文尝试结合实际工程案例，运用现场实测的手段，对影响管道应力和变形的施工关键问题展开研究，以达到施工阶段控制管道受力过大和位移变形的目的，研究成果可以应用有复杂条件下建筑工程暖通空调管道安装。

1 工程概况

北京市某中医院南区EPC 项目总占地20880.00m2，总建筑面积为72646.40m2，项目建设门诊住院综合楼地上17 层、地下2 层，后勤综合楼地上10 层、地下2 层，发热门诊楼地上2 层，地库2 层，项目效果图如图1 所示。本工程涉及的专业较多，须充分考虑主体工程、装饰装修、暖通空调、设备安装、供电照明、医疗专项等各项交叉施工，同时设备较多、管线布置极为复杂。门急诊楼、住院综合楼及后勤综合楼暖通空调系统冷源采用3 台冷水机组+燃气真空热水机组，空调末端采用风机盘管加新风系统，采用吊顶式新风机，中庭采用分层空调，气流组织部分采用侧送顶回的方式；在低压配电系统中，低压配电系统采用～220/380 V 放射式的方式，消防负荷采用双电源供电，工程接地型式采用TN-S 保护系统。等电位联结与防雷接地共接地网。

图1 北京市某中医院南区EPC项目

2 法兰安装位置对建筑工程暖通管道应力及变形影响分析

为研究法兰安装位置对暖通管道应力的影响，选取施工段2根6m长的暖通直管道进行应力分析，管道直径为273.1mm，管道壁厚12.7mm，管道材质为A53 Grand B，管道工作压力为2MPa，管道腐蚀裕量为1.7mm，其中1根直管道不安装法兰，作为对照组，另1 根直管道安装重量为2kg、长度为40cm 的法兰，并将法兰安装位置从直管道一端向另外一端按0.5m 间隔移动。管道工作温度为正常室温25℃，管道两端均为固定约束[4-6]。

图2 为暖通直管道安装法兰与未安装法兰一次应力最大应力比率曲线对比。从图2 中可以看出，在未安装法兰时，暖通直管道没有法兰重力外荷载，因此其管道一次应力最大应力比率为恒定值，为8.2%，而在安装法兰时，法兰从起始端（0m）向终点端（6m）移动的过程中，一次最大应力比率表现为对称曲线，法兰安装在直管道中间位置时，其的一次应力最大应力比率最小，大小为7.2%，小于未安装法兰的直管道一次应力最大应力比率，这是因为此时的直管道两端为固定约束，承担了更多的法兰重量，法兰安装位置从中间位置向直管道两端移动时，管道一次应力最大应力比率明显比为未安装法兰的直管道一次应力最大应力比率，且管道一次应力最大应力比率表现为先增大后减小的趋势。

图2 暖通直管道安装法兰与未安装法兰应力比率曲线对比

表1和图3为不同位置安装法兰时暖通直管道的挠度曲线，图中负值表明变形向重力方向。从图3 中可以看出，所有工况条件下暖通直管道的挠度曲线均呈现为对称的抛物线型，在管道两端的挠度近似为零，在管道的中部挠度最大；法兰从暖通直管道中部向两端移动时，随着偏移距离的增加，管道的挠度不断减小，且降低幅度越来越大，法兰在安装在暖通直管道中间位置时，挠度为0.86mm，而在法兰偏离3.0m 时，挠度为0.42，降低幅度约为51%。

表1 不同位置安装法兰时暖通直管道挠度测试结果

图3 不同位置安装法兰时暖通直管道挠度曲线

3 管道水平弯头角度和施工温度对建筑工程暖通管道应力影响分析

为了研究水平弯头角度和温度对建筑工程暖通管道的应力影响，选取15 种不同的水平弯头角度，弯头角度的变化范围从15°至145°不等，角度增量为10°，同时考虑3 种不同的施工温度工况影响，施工温度分别为35℃、25℃和15℃[7]。管道的直径为273.1mm，管道壁厚为12.7mm，管道材质为A53 Grand B，管道工作压力为2MPa，管道的腐蚀裕量为1.7mm。

表2和图4为管道一次应力最大应力比率随着水平弯头角度的变化结果。从图4 中可以看出，不同温度施工工况下，建筑暖通管道的一次应力最大应力比率均随着管道水平弯头角度的增加而呈线性降低；随着施工温度的增加，管道一次应力最大应力比率不断增加，且在弯曲角度的增大同时，施工温度越大，其线性下降的斜率有减小的趋势。

表2 管道一次应力最大应力比和二次应力最大应力比率随弯曲角度变化

图4 管道一次应力最大应力比率随弯曲角度变化曲线

表2和图5为管道二次应力最大应力比率睡着水平弯头角度的变化结果。从图5 中可以看出，不同温度施工工况下，建筑暖通管道的二次应力最大应力比率均随着管道水平弯头角度的增加而呈非线性降低，表现为幂函数降低的规律，在水平弯头角度小于25°时，二次应力最大应力比率下降幅度剧烈，而在水平弯头角度大于25°时，二次应力最大应力比率下降幅度较小且趋于收敛稳定；随着施工温度的增加，管道二次应力最大应力比率不断增加，但增加幅度较小。由此表明，暖通管道水平弯曲角度和施工温度对管道的一次应力影响显著，水平弯曲角度对管道的二次应力影响显著，而施工温度对管道的二次应力影响较小。

图5 管道二次应力最大应力比率随弯曲角度变化曲线

4 建筑工程暖通管道施工优化措施

结合前文中的应力和变形分析，对研究项目的暖通空调管道系统进行的了优化，主要采取调整措施包括优化支吊架间距、设置保温层和调整管道水平弯头角度[8]，图6 和图7 为研究项目暖通空调系统优化前后的三维可视化图形。

图6 建筑工程暖通管道节点优化前三维可视化图形

图7 建筑工程暖通管道节点优化后三维可视化图形

表3建筑工程暖通管道优化后的施工参数。表3中优化后的建筑工程暖通管道施工参数考虑了研究对象中的各种大小的管道，管道直径变化范围较广泛，从76.1mm 至559.2mm 不等，设置的管道保温层厚度从50mm～80mm 不等，安装时按照管道直径的大小进行选取，支吊架的间距取用为3.9m 至9.5m，施工安装时，按照管道直径的增加而增加。

表3 建筑工程暖通管道优化后的施工参数

5 结论

以北京市某中医院南区EPC 项目暖通工程施工为研究对象，运用现场实测的方法对施工中的关键问题进行研究，分析管道的应力和变形的变化规律，得到结论：

⑴一次最大应力比率表现为对称曲线，法兰安装在直管道中间位置时，其的一次应力最大应力比率最小，法兰安装位置从中间位置向直管道两端移动时，管道一次应力最大应力比率明显比为未安装法兰的直管道一次应力最大应力比率，且管道一次应力最大应力比率表现为先增大后减小的趋势。

⑵所有工况条件下暖通直管道的挠度曲线均呈现为对称的抛物线型，在管道两端的挠度近似为零，在管道的中部挠度最大；法兰从暖通直管道中部向两端移动时，随着偏移距离的增加，管道的挠度不断减小，且降低幅度越来越大。

⑶不同温度施工工况下，建筑暖通管道的一次应力最大应力比率均随管道水平弯头角度的增加而呈线性降低，二次应力最大应力比率为幂函数降低；施工温度对管道一次应力影响显著，对管道二次应力影响较小。