新鸿基苏州超高层项目(见图1)位于苏州工业园区湖东CBD,总建筑面积26万m²,地上70层,为建筑高度约310m的超高层综合楼。其中地上部分裙房1~5层为商业和餐饮建筑,6~39层为办公塔楼;40~70层为酒店式公寓。该工程设有4层地下室:地库1层设有商业零售;地下2~4层均为停车库和机电用房。该建筑为当下盛行的含车库、商业、餐饮、办公、公寓等多种功能于一体的典型超高层城市综合体。

　　 本项目设计始于2009年,并于2012初年通过消防审批,2013年通过施工图审查。

　　 作为一家香港的开发商,其对各业态和产权的分解很注重。因涉及到不同的产权和物业维护方式,本项目生活给水系统按照产权和功能区分为裙房地库生活区、裙房商业餐饮区、超高层办公区和超高层公寓区4个独立的系统。各系统在地下4层生活泵房内均设有生活水箱,通过各自的加压泵、配套的转输水箱和输水管网实现各个区域每个用水点的配水需求。

　　 裙房部分属于常规的多层商业建筑,其相关的给水系统考虑采用水箱+变频加压给水系统,为了充分利用市政管网余压,地下4层~地上1层对于供水压力无特殊要求的区域均考虑采用市政给水直供。

　　 办公区给水系统于地下4层设置生活水箱,同时于M1、38层分别设置有效容积为11 m³的生活转输水箱和水泵,并于M3层设置有效容积为3m³的生活减压水箱。除33~M5层为办公区最高分区由38层水箱+变频泵加压供水外,26~32层由38层水箱重力供给,26~M3层由38层水箱经减压后供给,19~25层由M3层水箱重力供给,M2~18层由M3层水箱经减压后供给,6~8层由M1层水箱重力供给。

　　 公寓区给水系统于地下4层设置生活水箱,同时于M3、M6、70层分别设置有效容积为11m³、16m³和22m³的生活转输水箱。除64~70层为最高给水分区由70层水箱联合变频泵加压供水外,60~63层由70层水箱重力供给,51~53层、55~M5层、57~59层分别由70层水箱经减压后供给,47~50层由M6层水箱重力供给,M5~41层、42~46层分别由M6层水箱重力经减压后供给。

　　 故本项目的超高层办公和公寓区域,除了其各自的最高分区用水压力通过重力供水无法满足要求外,其余区均采用避难层内相应的水箱进行直接或减压后供给。其供水系统原理见图2。

　　 本项目除员工洗浴采用太阳能热水集中供水系统外,超高层办公区及裙房商业区卫生间内热水均由分散式容积式电热水器供应,超高层公寓户内采用分散式即热式电热水器。

　　 本项目的塔楼屋顶采用重力式雨水排水系统,管道采用的压力等级为3.0 MPa的球墨铸铁给水管道。裙房屋面也采用重力式雨水排水系统,部分屋面雨水经管道收集到地下室的雨水收集池处理回用,其余直接排至室外市政雨水管网。

　　 本项目的消防系统采用中间水箱串联供水的方式,按照功能分区分为地库裙楼区域、塔楼公寓区域、塔楼办公区域,分别通过各自独立的消防水泵从整个建筑共用的1 400m³消防水池内吸水并供给各区域。

　　 地库和裙房区域是常规的商业建筑,2台裙房用室内消火栓主水泵设于地下4层消防水泵房内。在裙房的屋面(6层)设置1个18m³高位消防水箱以及配套的稳压水泵及稳压罐来维持平时的系统压力。

　　 办公区域的室内消火栓系统根据压力分低(B4-12层)、中(12-29层)、高(29-39层)3区,系统设独立消防泵供水。系统由3组共6台室内消火栓主水泵和2组共4台室内消火栓转输水泵组成。

　　 2台低区消防水泵设于B4层消防水泵房内,从消防水池吸水供低区消火栓系统。2台中区消防水泵及1个60m³转输水箱设于M1层,供中区室内消火栓系统。当低层区域发生火灾时,低区消防水泵将投入运行;当中层区域发生火灾时,中区消防水泵先行启动运行。然后中区消火栓转输水泵(次级转输水泵)与中区消防水箱内的水位控制器联动以确保中区水箱水源;高区消防水泵运作情况类似,系统由位于M3的2台室内消火栓主水泵供给。消防主水泵将由系统压力和设于每组泵内消火栓旁的按钮控制,稳压水泵则由安装在主干管上的压力开关控制。此外,在办公楼顶层(M5层)设置1个18m³消防高位水箱,并设置配套的高区稳压水泵及稳压罐以维持平时高区消火栓的系统压力。系统详见图3。

　　 公寓区的室内消火栓系统采用高、低二区系统独立水泵供水方式,系统由2组共4台的高区、低区室内消火栓主水泵和高区室内消火栓传输水泵组成,2台低区消防转输水泵设于地下4层消防水泵房内从消防水池抽水供入M3层的60 m³转输水箱。配合2台高区主水泵负责高区室内消火栓系统的供水,高区消火栓转输水泵由高区转输水箱内的水位控制器自动控制启停。此外在屋顶层设置1个18m³消防高位水箱,同时设高区稳压系统。当低层区域发生火灾时,低区消防水泵将投入运行,当高层区域发生火灾时,高区消防水泵先行启动运行,转输水泵相应进行启动。具体的原理详见图3。

　　 自动喷水灭火系统的压力分区以及中间转输水箱的布置均与消火栓系统共用,故分区以及设置基本与消火栓系统相一致,具体原理见图4。

　　 超高层建筑的生活供水主要有工频水泵转输+水箱重力供水和变频加压泵组供水2种,两者的供水方式的节能性对比尚有不少争议。

　　 变频加压供水水泵变频调速是通过给水系统管网末端的压力采样实时调整水泵电机的频率和水泵的转速,可通过PLC可编程控制实现全自动运行,操作维护方便。对于工频水泵转输+水箱重力供水方式,工频供水泵设计按最大小时流量选取,可保证水泵一直在高效段内运行。水箱重力供水压力完全稳定,可有效避免水压波动出现用水忽冷忽热的情况,使用舒适。

　　 变频系统看似节能,而最近的研究表明,在系统供水不均匀的前提下,采用工频泵的重力水箱供水系统反而更节能。

　　 按《建筑给水排水设计规范》(GB 50015-2003,2009年)3.8.11条,民用建筑物内设置的生活给水泵房不应毗邻居住用房或在其上层或下层。故对于用水要求较高的超高层住宅、公寓或者酒店避难层中增加变频加压水泵必然会加大设备的震动以及噪声污染。故在超高层建筑供水设计中,原则是避免或尽可能减少在避难层内设置生活供水泵组。无法避免时,应做好浮动地台和顶部夹层等措施,以满足规范要求。鉴于此,笔者认为,超高层建筑生活供水,应以高位水箱供水为主,尽可能减少避难层内变频供水的设置数量。因为变频泵的振动影响远大于工频提升泵,且设置数量也远多于工频泵。故除了最高给水分区采用尽可能小规模的变频加压供水设施外,其余区域均建议采用避难层内相应的水箱进行直接或减压后供给。

　　 出于对超高层建筑的供水安全保障和提高抗击意外事故能力的考虑,某些地方供水主管部门出台了一些独特的规定,比如超高层供水系统的每级竖向提升压力不得超过1.6 MPa;在减压阀全部失效的情况下不应大于0.7 MPa;减压阀分区供水应采用集中式减压,且仅允许减压一次等。这些要求看似合理,其实已超出规范要求,具体实施过程中将会带来新的问题。具体分析如下:

　　 比如,要求超高层供水系统的每级竖向提升压力不得超过1.6MPa,这样不超过200m的超高层公共建筑特别是住宅建筑就必须在避难层或避难间增设生活水箱和输水水泵,这样导致住宅中间避难层或避难区必须设置水泵房。这样出现的问题首先是泵房与居住建筑的上下左右相邻问题很难解决,其次是泵房隔振降噪很难处理。而常规做法可采用一泵到顶减压供水,下区于地下室设置变频供水的方式,这样就有效规避了在中间楼层设置水泵房的问题。

　　 对于减压阀的设置,规范原意是保证在减压阀失效的情况下不会造成对配水件的破坏。针对此问题,《建筑给水排水设计规范》(GB 50015-2008,2009年)中已有相应表述:(1)要求环境安静的场所不应大于0.3MPa;当最大压差超过规定值时,宜串联设置;(2)阀后配水件处的最大压力应按减压阀失效情况下进行校核,其压力不大于配水件的产品规定的水压试验压力。规范中特地加了2条注解,即:当减压阀串联使用时,按其中一个失效情况下,计算阀后最高压力;配水件的试验压力应按其工作压力的1.5倍计。也就是说,如果分区大了,只要不超过配水件的试验压力,规范是允许的。以洁具的工作压力不超过0.6 MPa计,其对应的试验压力是0.6×1.5=0.9(MPa)。也就是说,在减压供水系统中,单个分区的最大值可为0.9 MPa,即可按90m的压力来分区。而采用二级减压的话,理论上可以服务180m的分区。当然实际项目中考虑到避难层的分布和节能等因素,不会出现180m一个分区的情况。

　　 生活热水给水系统可分为集中式热水供应系统和分散式热水供应系统,其各自的优缺点都很鲜明。

　　 集中式热水系统热水供应稳定,使用方便且舒适。系统需要在避难层设备间设置专门的热水机房用于热水的制备和循环,一方面占用了建筑空间,另一方面,设循环水泵势必会增加设备的振动以及噪声污染。分户的热水均需单独计量,热水机房内设备的维护以及相关的热水管网的维护,物业的维护和管理较繁琐。热媒(蒸汽、燃气、电热水器等)的选用也会令设计和业主颇为纠结。因燃气立管的承重、补偿、抗震措施、消除附加压头以及烟囱的设置等方面的原因,燃气在超高层建筑中的应用尚有不少争议。因节能和绿色的要求,对于集中热水的电热水器辅助的使用限制越来越明显。市政蒸汽理论上看似最为合适,但是还需要从建筑周边市政蒸汽是否覆盖以及蒸汽用费等方面综合考虑。

　　 为防止水压的波动影响热水的使用,当采用集中热水供应系统时,热水系统分区需与相应的给水系统相同,各区的水加热器的进水均由同区的给水系统专管供应,以确保用水点处冷热水压力平衡。推荐采用重力供水方式。系统设置热水回水立管,循环管道采用同程布置,并采用循环水泵机械循环以保证干管和立管中的热水循环。因为涉及到分户热水的计量,公寓热水的设计无法像酒店设计一样实现支管循环,故若卫生间离热水管径较远的话,会造成热水出水时间过长从而影响热水的用水舒适性。很多项目也考虑对管井后到室内卫生器具间的管道采用自调控电伴热处理,但是如设置的温度过低,会导致军团菌的滋生,这是值得注意的问题。

　　 分散式热水系统均在公寓户内或卫生间内安装和使用,维护管理均由小业主进行。热水也无需另外单独进行计量,热水使用成本相对较低。当采用分散式热水供应系统可分为即热式电热水器和容积式电热水器,热水使用的舒适性确实无法奢求,通常只能通过用户的手动调节实现。在装机容量充足的情况下,即热式电热水器因不用提前预热,没有预热时的热能量散失,也没有贮水式热水器多加热的未用的剩余热水的能量消耗,可真正做到节能省电省水,但是即热式电热水器存在热水过热的问题。

　　 因此对于超高层建筑的办公区域,热水仅用于卫生间洗水盆,使用的要求较低,一般考虑可采用分散式电热水器,而对于公寓区域,需结合物业管理、公寓的产品定位等综合考虑。

　　 在超高层的塔楼屋顶因楼层过高,一般采用重力式雨水排放系统,当时可参考的资料以及成功的案例有限,据《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》(GB 50242-2002)5.3.1条,室内的雨水管道安装后应做灌水试验,灌水高度必须到每根立管上部的雨水斗。因此管材压力等级采用与建筑高度相匹配的球墨铸铁给水管道(3.0 MPa),带来的问题是,管材压力等级过高,且连接件(比如沟槽、丝扣件)的压力等级也会有问题。随着广州电视塔和上海中心等项目的陆续实施,各地专家及规范组专家对此有了较多的研究,即将颁布的新的《建筑给水排水设计规范》对此有了新规定,即对于超过250m的超高层建筑,管道的压力等级仍可按2.5 MPa计。

　　 对于裙房而言,因裙房面积通常很大,故采用虹吸式雨水系统更为合适,而且其相关的技术已相当成熟。虹吸式雨水系统流速大,立管数量可大大减小,且立管的位置较灵活,对裙房后期装修的使用不会造成太大的影响,另外悬吊管无需坡度,可节约吊顶内空间,可对建筑净高的控制产生积极的影响。

　　 通常裙房屋顶雨水排水会结合屋顶绿化进行设计,若处理不当极易造成泥土流失或杂物堵塞虹吸式雨水斗,导致排水不畅。故可考虑对绿化区域设置不同的蓄排水层、过滤层、基质层和植被层,雨水通过各层过滤后到达双面有凹凸感的蓄排水板层,可有效截留雨水,并将雨引流至虹吸式雨水斗排放。

　　 故对于塔楼的雨水采用重力式雨水系统,裙房采用虹吸式雨水系统基本成为超高层建筑综合体项目的常规做法。但是本项目因外方方案公司的坚持,裙楼仍然采用了重力式雨水系统,造成建筑物内立管过多,建筑专业很难处理。

　　 因为本项目是在《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB 50974-2014)和《建筑设计防火规范》(GB 50016-2014)实施之前设计的,故有些地方与现行规范是不一致的。

　　 从目前的趋势看,对于超高层建筑的消防供水系统,主要有消防水泵直接串联供水方式、中间水箱转输串联供水方式、一泵到顶供水方式和重力水箱+减压阀减压供水等几种。

　　 对建筑高度超过300m的超高层建筑,一般可以考虑采用重力水箱+减压阀减压的给水方式。除建筑楼层最高的几层采用独立的临时高压系统外,其余均采用重力供水。整个消防过程基本无需启动消防水泵,此系统最为安全和可靠。

　　 针对本项目,由于总体高度310m,其实采用水泵直接串联(一级串联)也是可行的,而且其系统安全性也不低^[1] 。关键是需核对中间避难层的位置是否合适。

　　 一泵到顶的消防供水方式,对于高度160m左右的超高层建筑相对合适,对于本项目,则不适用。但是如果将其中的办公区和公寓区独立看待,那么,一泵到顶的供水方式也是可行的。基于老的消防规范,消防分区不能超过100~120m,导致本项目消防系统中的分区和转输泵过多。如按现有规定,则办公和公寓区分别可采用一泵到顶的供水方式。

　　 对于本项目而言,如何选择消防系统,还需考虑一个关键问题,那就是业态分布。为便于今后管理,业主要求各功能区消防系统均需独立设置。故本项目选择了中间水箱转输串联供水方式。该系统比较适用于业态垂直分布的建筑。以本项目之公寓部分为例,下区的水泵主要是独立转输泵,仅在上区设有公寓区域的供水泵。这样,从总体来说,几个功能区之间类似并联供水方式,其实质则是中间水箱转输串联供水。总体而言,可将其称作串并联混合系统。

　　 本项目这种串并联混合的消防供水方式,其主要优点是各分区设置独立的消防水泵和高位消防水箱,各分区独立运行相互干扰较小,维护管理方便,控制系统简单;缺点是消防设备多,占地面积大,用电负荷大,投资大。

　　 实际超高层建筑设计中,避难层设置水泵房是不可避免的,但是设计师可以通过合理的分区方式,减少或优化设置泵房的数量,以尽可能减少对相邻功能用房的影响;超高层住宅应避免在中间避难层设置大量变频供水泵组;充分利用重力水箱供水系统;消防系统的选择应结合使用功能和管理方式等因素综合考虑,以获得最优方案。