装配式住宅建筑给排水管线的设计探究

王国栋

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550016)

装配式住宅给排水管线设计的工作中需按照给排水管线的特点和情况，制定完善的设计方案和体系，统一设计标准和模式，提升给排水管线的设计质量，为促使给排水系统的良好稳定运行夯实基础。

1 装配式住宅建筑给排水管线架构

装配式住宅建筑的给排水管线架构通常采用模块化设计和预制管道系统，以提高施工效率和质量，整体架构如图1所示。

图1 给排水管线架构

1.1 给水管线架构

主供水管道：从建筑物外部供水系统连接到住宅。通常通过地下或墙体中的进水管进入建筑物，并连接到水表或水箱。配水支管：主供水管道通过配水支管分支到各个供水点，如厨房、浴室、卫生间等。配水支管可以采用PVC、PEX或铜管等材料。热水管道：在需要热水的供水点，如浴室和厨房，安装热水管道。这些管道通常与热水锅炉或太阳能热水系统连接，以供应热水。

1.2 排水管线架构

排水管道：从住宅内的各个排水点，如厨房水槽、浴缸、马桶等，通过下水管道将废水引导到建筑物外部的下水道系统。排水管道通常采用PVC或铸铁管材。通气管道：为了防止排水管道中的真空和负压现象，需要安装通气管道。通气管道通常连接到排水管道的高点，以允许空气进入系统，维持正常排水。

2 装配式住宅建筑给排水管线的设计措施

2.1 预留孔洞和预埋套管设计

2.1.1 预留孔洞设计

预留孔洞的设计需要做好以下3点工作：1)确定给排水设备的位置：在设计阶段，确定各个给排水设备(如水槽、马桶、浴缸等)的位置，并在相应位置预留孔洞。这些孔洞需要根据设备的尺寸和安装要求进行大小和位置的合理确定；2)确保孔洞位置合理：预留孔洞的位置应考虑到设备的使用便利性和布局合理性。例如，厨房水槽的孔洞应预留在工作台上方，卫生间设备的孔洞应预留在合适的位置，以方便使用和布置；3)孔洞防水处理：为了防止孔洞处漏水，可以在孔洞周围涂抹防水涂料或安装防水套管。这样可以确保孔洞处的防水性能，避免漏水问题。同时还需按照工程具体情况设计预留孔洞，如表1所示。

表1 给排水预留孔洞设计的指标 单位：mm

2.1.2 预埋套管设计

1)预埋套管位置和数量：在设计阶段，根据给排水系统的布局和管线走向，确定预埋套管的位置和数量。预埋套管通常位于墙体或地板内，用于将给排水管道引入到相应的设备位置；2)套管尺寸和材质：预埋套管的尺寸和材质应根据给排水管道的直径和材质进行选择。一般采用PVC或金属材质的套管，尺寸应略大于管道的外径，以确保管道的顺利安装和维修；3)套管固定和密封：预埋套管需要固定在墙体或地板内，并进行必要的密封处理，以防止漏水。可以使用固定夹或防水胶带固定套管，并在连接处进行密封处理。

2.2 管道附件的设计

在装配式住宅建筑中给排水管道附件的设计主要为：1)根据具体的使用环境和要求，选择合适的材料。常见的给排水管道附件材料包括塑料、铸铁、不锈钢等。确保所选材料具有耐腐蚀、耐磨损、耐高温等特性，以满足预期的使用寿命和性能；2)根据给排水系统的设计需求和管道尺寸，确定附件的尺寸和连接方式。附件的尺寸应与管道尺寸相匹配，连接方式可以采用螺纹连接、法兰连接等，确保连接紧密、可靠；3)在设计给排水管道附件时，要遵循当地的建筑规范和相关标准。这些规范和标准通常包括管道的最大流量、水压要求、安装间距等方面的要求，确保设计满足安全性、稳定性和功能性的要求；4)给排水管道附件的设计应考虑到维护和清洁的方便性。例如，可以设计易于拆卸的附件，方便日常维护和清洁工作；5)在给排水管道附件的设计中，要考虑防水措施，以确保水不会渗漏或进入建筑结构中。可以采用防水胶、密封胶、防水涂料等材料对附件进行密封处理。同时需要按照公式计算管道附件的流量需求，确保管道附件的合理设计。

确定给排水系统的流量需求，即单位时间内通过管道的水量。根据具体情况，可以采用流量计算公式如Q = A × V，其中Q表示流量，A表示管道横截面积，V表示流速。根据流量需求和所采用的管道材料，可以选择合适的管道尺寸。一般来说，使用标准的管道尺寸能够方便地找到对应的给排水管道附件。

2.3 管道支吊架的设计

装配式住宅建筑中给排水管道支吊架的设计非常重要，其作用是支撑和固定管道，保证其稳定性和安全性。设计过程中需要做好以下5点工作：1)根据管道的材质、尺寸和重量，选择合适的支吊架类型。常见的支吊架类型包括吊杆、吊架、支架等。确保支吊架的质量可靠，能够承受预期的荷载；2)根据管道的材质、直径、长度等参数，以及当地的建筑规范和标准，计算支吊架的安装间距。安装间距应合理，能够提供足够的支撑和固定，防止管道下垂或振动；3)根据管道的布置和管道系统的结构，确定支吊架的位置。支吊架应位于管道的高点、低点、转弯处等需要固定的位置，以确保管道的稳定性和正常运行；4)选择适合给排水环境的支吊架材料，如不锈钢、镀锌钢等，以防止腐蚀和损坏。对于特殊环境，可以采取防腐处理措施，如涂覆防腐漆等；5)在支吊架设计中考虑防振措施，如使用防振垫片、减震器等，以减少管道的振动和噪音。同时还需按照公式(1)和公式(2)进行支吊架防振计算。管道的自振周期：

T = 2π√m/K

(1)

其中T表示自振周期，m表示管道的长度，k表示重力加速度。

计算地震作用力：

F = m × a

(2)

其中F表示地震作用力，m表示管道的质量，a表示地震加速度。

比较管道的自振周期和地震作用力，以确定是否需要采取防震措施。如果地震作用力与管道的自振周期接近或超过一定比例(如1.5倍)，则需要采取相应的防震措施。

2.4 给水系统的设计措施

装配式住宅建筑中给水系统的设计措施主要为：1)选择适合装配式住宅的给水管道材料，常见的有PVC、PEX、PPR等。这些材料具有良好的耐腐蚀性、耐压性和耐热性，同时也便于安装和维护；2)根据住宅的平面布置和需求，合理布置给水管道。尽量缩短管道长度，减少管道的摩擦损失和压力损失。同时，管道的走向应尽量避免弯曲和拐角，以减少阻力和压力损失；3)根据住宅的用水量和需求，计算出合适的给水管道的管径。管径的选择应保证足够的供水能力，避免水压过高或过低。可以根据当地的规范和标准进行计算；4)考虑给水的水质问题，如水垢、杂质等，可以采取相应的水处理设备，如过滤器、软水器等，以保证供水的质量和安全性；5)采取相应的措施，如安装热水回流阀、热水循环系统等，防止冷热水交叉，提高供水的舒适度和节能效果。同时在给水系统设计过程中，需要按照公式计算分析。

管径计算公式

根据最大瞬时流量和设计水压，使用以下经验公式(3)计算给水管道的管径(单位为mm)：

D = 0.0077 × Q^0.63 / P^0.54

(3)

其中D表示管道的直径，Q表示最大瞬时流量，P表示设计水压。

流量计算公式

根据最大瞬时流量和设计水压，使用以下经验公式(4)计算给水系统的流量(单位为L/s或m3/h)：

Q = F × C

(4)

其中Q表示流量，F表示最大瞬时流量，C表示流量系数。流量系数C根据具体的给水系统和管道材料选择而定。一般情况下，流量系数可以在0.02～0.08之间取值。

2.5 排水系统的设计

2.5.1 整体排水系统设计

装配式住宅建筑中排水系统的设计如图2所示。1)排水管道设计：根据住宅的平面布局和房间功能，合理布置排水管道。确保各个房间的排水设备(如马桶、洗手盆、浴缸等)能够顺利连接到主排水管道；2)排水管道材料设计：选择适合的排水管道材料，常见的选项包括PVC、PP、HDPE等。根据当地的规范和标准，确保选用的管道材料符合要求，并具有良好的耐化学性和耐腐蚀性；3)排水管道坡度设计：排水管道的坡度设计要合理，以确保排水畅通。一般情况下，主排水管道的坡度应在1%～3%之间，支线管道的坡度应在2%～5%之间；4)排水管道支承设计：在装配式建筑中，给排水管道的支承设计需要注意以下3点：①采用合适的支吊架进行支承，确保管道固定稳定，防止产生振动和噪音；②根据管道的材料和直径，选择适当的支吊架间距，以确保管道的承重能力和稳定性；③考虑管道的热胀冷缩问题，在管道连接处设置伸缩节或补偿器，以避免管道变形或破裂；5)排水系统通气设计：排水系统的通气设计要合理，以防止污水管道产生负压、排气不畅或产生恶臭。通常采用通气管道或排气阀等设备，将排气口与室外相连，确保排气顺畅。

图2 排水系统的设计

为确保排水系统设计的准确性和可靠性，在装配式住宅排水系统设计过程中，还需按照以下2个公式进行计算分析。

管道坡度计算如公式(5)：

坡度(%)= (总落差 / 管道长度)× 100

(5)

其中总落差是指排水管道起点与终点的高度差，管道长度是指排水管道的实际长度。排水管道的坡度设计应根据当地的规范和标准来确定，以确保排水畅通和防止积水。一般情况下，主排水管道的坡度应在1%～3%之间，支线管道的坡度应在2%～5%之间。

热胀冷缩计算如公式(6)：

ΔL = α × L × ΔT

(6)

其中ΔL表示管道的冷缩长度，α表示管道材料的线膨胀系数，L表示管道的长度，ΔT表示温度变化。不同材料的管道具有不同的线膨胀系数，需要根据具体的管道材料进行选择。常见的管道材料如PVC、PP、HDPE等，它们的线膨胀系数可以在相关的材料手册或技术资料中找到。且温度变化ΔT需要以摄氏度(℃)为单位，并且需要考虑到管道所处的环境温度变化范围[1]。

2.5.2 自然降水排水设计

装配式住宅设计中自然降水排水系统的设计需要做好以下4点工作。

(1)合理选址。选择排水条件良好的地点，确保排水设施布置合理，避免积水现象。同时按照公式计算分析和选址。1)降水量计算：根据当地的气象数据或历史降水资料，计算平均年降水量。可以使用公式：P = A× R，其中P为平均年降水量，A为建筑物的接收面积，R为年降水强度；2)地面坡度计算：根据地面坡度和排水要求，确定合适的坡度。可以使用公式：S = H / L，其中S为坡度，H为高度差，L为水平距离[2]；3)土壤渗透性计算：根据土壤类型和渗透系数，计算土壤的渗透性能。可以使用公式：K = Q / (A× H)，其中K为土壤渗透系数，Q为单位时间内的渗透量，A为排水面积，H为土壤深度。

(2)雨水收集与利用。在设计过程中，尽量收集雨水并用于绿化灌溉、景观用水等，从而减少对水资源的浪费。1)确定可收集雨水的面积，通常是通过屋顶表面积来计算。考虑到雨水收集效果和设备成本，可以选择一部分屋顶区域作为收集面积。同时选择适当的雨水收集设备，如雨水桶、雨水罐、雨水收集槽等。确保设备具备防蚊虫、防臭味的功能，并具备便于清洁和维护的设计；2)采用适当的过滤和净化设备，如过滤器、沉淀池等，以去除杂质、污染物和悬浮物，确保收集到的雨水的质量；3)将收集到的雨水储存在适当的容器中，并与供水系统相连。确保储存容器具备防漏、防渗透的特性，并设置适当的出水口和溢流口；4)将储存的雨水用于合适的用途，如浇灌花园、冲洗马桶、洗车等。根据实际需求和收集到的雨水量确定合理的利用方式。

(3)排水管道材质与规格。选择耐腐蚀、抗老化、易维护的排水管道材料，如HDPE、PVC等。根据排水量和管道长度，合理选择管道的规格和直径。1)不同地区降雨量和降雨强度不同，需要根据当地的气候条件确定管道的直径和规格，以满足排水系统的要求；2)根据建筑物的功能和使用情况，适当调整排水管道的规格。例如，厨房和卫生间的排水管道需要相对较大的直径；3)排水管道的长度和坡度会影响排水效果，需要根据实际情况确定管道的规格和直径。过长的管道需要相对较大的直径，以保证排水效果；4)根据建筑物的面积和使用情况，确定排水量，以确定管道的规格和直径[3]。

(4)雨水口和检查井的设置。合理设置雨水口和检查井，确保雨水排放畅通。雨水口和检查井的数量、位置、尺寸需根据实际情况确定。1)雨水口设计。选择合适的雨水口类型，例如方形雨水口或圆形雨水口，根据排水需求和美观考虑。确保雨水口具备防臭味、防蚊虫的功能，可以采用密封设计或安装防虫网。设置雨水口的位置应考虑到排水效果和安全性，通常应位于地势低洼处或排水方向转折点。根据设计流量和管道直径，可以使用公式：A = Q / V，其中A为雨水口面积，Q为设计流量，V为允许的流速。雨水口的宽度和长度可以根据所选雨水口类型和设计要求进行确定；2)检查井设计。确定检查井的数量和位置，通常根据排水管道的长度和转折点进行设置，以便于检查和清理排水系统。检查井的尺寸和深度应根据排水管道的直径和深度要求进行设计，以确保人员可以安全进入进行维护和清理工作。安装检查井盖时，应选择耐压、耐腐蚀的材料，并确保盖板与地面平齐，以防止人员和车辆的意外伤害[5]。

3 装配式住宅建筑给排水管线设计的关键技术

3.1 BIM技术

为进一步提升整体的给排水管线设计效果和水平，需要科学合理应用BIM建模技术，改善管线设计效果，如图3所示。

图3 BIM技术在管线设计中的应用

使用BIM软件进行三维建模，将给排水管线、设备和附件等元素以三维模型的形式进行表示，能够直观地展示管线的布置和连接关系。1)碰撞检测。利用BIM软件进行碰撞检测，将给排水管线与其他构件(如结构、电气等)进行空间冲突检查，避免设计冲突和施工问题[6]；2)材料和尺寸调整。通过BIM软件，可以对给排水管线所使用的材料和尺寸进行管理和调整，实现管线的标准化和统一性；3)数据管理。BIM技术可以将给排水管线相关的数据整合到一个中心数据库中，并进行版本控制和数据共享，方便设计团队的协作和沟通；4)设备参数和性能分析。BIM软件可以将给排水设备的参数和性能与管线模型进行关联，实现设备的模拟和分析，以评估系统的性能和效果。

3.2 人工智能技术

近年来随着人工智能技术的快速发展，为装配式住宅给排水管线设计带来了创新和优化的支持，因此，建议在相关管线设计工作中重视人工智能技术的应用。1)智能模型生成：利用机器学习算法，可以基于已有的设计数据和规范，自动生成给排水管线的初步设计模型，并根据设计要求进行优化；2)数据分析与决策支持：通过对大量的设计、施工和运维数据进行分析，人工智能技术可以提供对给排水系统的性能和效果进行预测和评估的决策支持；3)碰撞检测与冲突解决：利用深度学习和计算机视觉技术，可以进行自动化的碰撞检测，快速发现给排水管线与其他系统构件之间的冲突，并提供解决方案；4)节能与优化设计：人工智能技术可以分析建筑的能源消耗和给排水系统的运行数据，通过优化设计和节能策略，提供更高效的给排水系统设计方案；5)自动化工程量计算与报价：利用人工智能技术，可以基于给排水管线的设计模型，自动进行工程量计算和报价，提高计算速度和准确性；6)自动化施工与运维支持：人工智能技术可以结合机器人和传感器，实现给排水管线的自动化施工和运维支持，提高施工效率和系统维护的准确性[7]。

4 结语

装配式住宅建筑设计的工作中，需要做好给水管线架构和排水管线架构的分析，按照具体的情况，科学合理设计相关的预留孔洞和预埋套管，准确设计管道附件与支吊架，科学设计给水系统和排水系统的部分，确保能够提升整体系统设计效果，同时，还需采用BIM技术和人工智能技术，提升设计工作的质量和水平，达到预期的设计目的。