当今建筑给排水设计之难有二,一是高之难,二是大之难。国家会展中心(上海)临近虹桥机场,建筑限高43m,高不是难点,它的难,在于大之难———85.6hm²占地面积,147万m²建筑面积,53万m²展览面积(其中包括10万m²室外展场),连续运营中的地铁2号线徐泾东站及区间段横贯地块东西。本项目给排水设计的关键在于:安全可靠地破解大之难。

　　 项目位于上海市西部,北至崧泽高架路南侧红线,南至盈港东路北侧红线,西至诸光路东侧红线,东至涞港路西侧红线,东西跨度约800m,南北跨度1 000~1 200m,其中地上建筑面积127万m²,地下建筑面积20万m²。建筑设计方案采用优美而具有吉祥寓意的“四叶草”原型,以地铁徐泾东站为花心,向四个方向伸展出四片脉络分明的叶片状主体,形成更具标志性和视觉冲击力的集中式构图,创造出高效率运营的新型会展模式,充分体现出功能性、标志性、经济性和科技性的设计原则和造型理念。而因这个创新的建筑设计带来的给排水设计之难也就随之摆在眼前。图1为东南视角效果。

　　 国家会展中心(上海)整体高度仅43m,在普通项目设计中,一般的给水系统只需要“底部直供+上部变频”即可满足要求,但在本项目中,需要考虑的问题因为其大而变得多了起来,主要有以下。

　　 根据规划,在项目建成后,将由扩建的徐泾水厂和长桥水厂通过环状管网共同对地块供水,地块周边四条道路的市政给水管网分别为3路DN500和1路DN300,在供水规划范围内的最不利点市政供水压力为0.16 MPa。

　　 考虑到地块的消防给水需求,项目从4条道路上分别接出2路市政给水引入管(地铁站用水单独从市政接出及计量,不在本文讨论范围内),经倒流防止器和水表计量后,在红线内形成大环。对于超大地块来说,随着地块面积的增大,生活用水量相应增大,而消防用水量并不同比例增加,因此生活给水和消防给水合用室外环网是合理的,既避免了专用消防管网长期死水的问题,也没有小地块合用管网中消防用水比例远大于生活用水而产生的大管网小流量、管网内水流速过低、停留时间过长的问题。市政水压直供的范围仅限于底层和地下室生活给水部分,而2层及以上则由水泵变频加压供水。

　　 本项目的生活给水,包括了常规的生活给水和展览工艺给水,二者水质要求相同,因此给水泵房考虑合建;但工艺给水的水压需求和用水特点则与常规的生活给水有所不同,因此生活给水变频泵和工艺给水变频泵考虑分设。生活泵房的规划,需要考虑建筑功能和用水特点,使得运营管理方便、水泵配置合理;需要考虑供水管路规模和泵房数量平衡匹配,使得初次投资和运营费用综合评估最经济;同时,还需要结合建筑设计的特点在有条件的位置设置水泵房。

　　 综合上述因素,生活泵房位置及服务范围见图2。

　　 如图2所示,项目共设计了13个生活泵房。

　　 其中,办公和酒店有地下室,相对独立,且使用情况较为稳定,分设独立使用的生活泵房非常合适。

　　 四叶草的4片叶子构成的展厅是整个项目的主体,每片叶子中间由通道隔开分为2个相对独立的单元,利用展厅辅房在每个单元各设1座泵房。这样设计的好处是:可根据展会使用展厅的情况,灵活开启相应的设施;展厅加压给水系统管线基本在室内,便于管线布置;加压给水系统规模得到控制,水头损失亦在可控范围内;水箱的储水容积相对较小,便于水质控制。

　　 对于3个小展厅,并未设置专用的泵房。北侧展厅NH是位于地面的单层展厅,生活给水由市政直供,工艺给水由临近的3H展厅泵房供水。东西两个位于16 m高的上层小展厅EH、WH,卫生间设于两侧角落,距离大展厅上层较近,因此分别从南北两侧贴邻的展厅上层接来;而展览工艺给水点布满展厅地面,则由4.1H、8.1H展厅一侧的工艺给水管供给。

　　 最后,在中心圆楼和8座钻石楼所组成的商业部分区域,设计了相对集中的1个泵房,供给所有商业区域约15万m²的生活用水。主要基于以下考虑:只有圆楼有地下室,便于设置大型水池;商业部分相对集中,泵房供水总管在8m平台下形成环状,放射状向各栋钻石楼和圆楼各单元供水,供水半径差距不大,供水压力相对平衡;商业部分业态变化会随着发展经常改变,留有余量的泵房、供水管网的设计,有利于调节各业态用水量,应对可能发生的各种变化。

　　 《建筑给水排水设计规范》(GB 50015—2003,2009年版)表3.1.10规定,展厅的用水量标准是3~6L/m²,这个标准包括了观众用水量和展览工艺用水量,同时根据其表后的解释,该用水量标准不含工作人员(包括参展商)用水量。

　　 由上述规范规定可知,一个展厅的用水量,包含了2部分:即按面积计算的观众和展览工艺用水,及按人数计算的展商和工作人员用水。而按面积计算的用水量,其本质还是用水的人。因此,确定一个展厅的使用人数,是选择合适用水量定额的关键。

　　 《展览建筑设计规范》(GJG 218—2010,以下简称“展规”)4.1.3条规定了展厅中不同楼层单位展览面积的最大使用人数。同时,在条文说明中也给出了部分已建成的会展建筑的人员统计数据。但本项目因其大,对单位面积的使用人数有不同的判断。

　　 超大超高的展厅,为搭建各种大面积、炫酷的特装展提供了大显身手的舞台,展会的布置更注重展商的展示需求和观众的观展体验,展厅不再是单纯的迷宫型、集市般密集排列的标摊,因此展厅的人员密度会有降低的趋势。经过各专业共同分析判断,设计最终确定了展厅的使用人数,该数值统一作为本项目各专业各类设计与计算的基础,经运营一年后历次大展检验,实际观展人数未超过该值。与“展规”对比见表1。

　　 因使用人数选取了较低值,故单位面积的展厅用水量,也在用水量标准的3~6L/(m²·d)范围内选择了较低值,4L/(m²·d)。按“展规”4.1.3条文说明计算,工作人员及展商人数与观众人数的比值为1∶4,推算出人数[例如2层展厅工作人员与展商人数为0.50÷4=0.125(人/m²)],再按40L/(人·d)计算这部分用水量[0.125人/m²×40L/(人·d)=5L/(m²·d)]。综合两方面的用水量,折合到按展厅面积计算指标,为9(2层展厅)~9.5(底层展厅)L/(m²·d),含工艺用水量。

　　 在设计阶段,业主提不出关于工艺用水的具体要求,包括水量和水压。根据“展规”7.1.2条规定,预留展览工艺给水管起端都要设有防回流污染的措施,因此直接由市政给水供水,至少需要经过2次倒流防止器,在一般的流速下(1~1.5m/s),即使选用低阻力产品,每个倒流防止器的水头损失也达到0.03~0.05 MPa,考虑到工艺用水水压的稳定性需求,设计将工艺用水统一为水泵加压用水。

　　 以一个双层展厅下层为例,展厅的尺度为108m×270m。在建筑设计主导下,各专业评估后确定,大展厅不设置地下室,不设置通行式综合管廊,而是在底层沿展厅内侧设计一圈1 800mm(b)×2 000mm(h)机电综合主管沟,并参考国际通用的标准展览工艺设计,结合18m的桁架跨距模数,在展厅内平行于短边方向每隔9m设置一道600mm×900mm次管沟。次沟中间断开用于通道,两端与主沟相连并以0.5%的坡度从中间往两边坡向主管沟。展厅内工艺用水由生活给水泵房内工艺用水变频泵接来,以DN100给水主管线布置于主沟内,并成环布置,DN50支管敷设于次沟内,支管上再每隔9m开出DN25给水管道接至水气展位箱。“展规”7.1.2条建议的预留接口间距为10m,考虑到标准摊位3m×3m的模数,9m的间距更利于标准化设计。

　　 本项目的一个特殊设计,是考虑到某些展览(如橡塑展)对工艺给水有特殊的水量和水压要求,在每个单元底层距离泵房较近的第一条次沟内,将给水管支管管径由DN50放大到DN100,预留接口的口径由DN25放大到DN50,以满足特殊需求的展览工艺用水,在水压不足的情况下,展商经申请批准后,可设局部增压泵,从所预留的接口吸水供其工艺用水使用。

　　 底层展沟示意见图3。

　　 考虑到上层展厅布置用水展览的概率小于底层,经业主确认,上层展位箱的布置密度采用27 m×36m的间隔布置。上层展厅不设地沟,仅在地面上预留出洞口用于设备安装,因此工艺用水管线布置在一层展厅顶部,再由DN25给水管接至上层展位箱,管线大小与走向与底层保持一致。洞口采用钢制防火底箱封堵。

　　 给排水接驳口与压缩空气接驳口合并设计在同一展位箱内,且与电气类展位箱分开。底层和二层的展位箱详见图4、图5。

　　 经安装与实际使用的检验,次沟和展位箱尺寸可以满足展览使用需求,但如次沟宽度从600 mm放大到700mm,会更方便。

　　 因展厅多、面积大,并非每个展厅都会长期满负荷使用,同时,每个展会因其性质的不同,不一定都会用到工艺用水,观众和展商人数的波动会很大,其配套的商业用水量也会根据参展人数的变化而变化。展厅及其配套设施的用水特点是用水不均匀。为此,保证任何时候的给水水质,防止水质污染和恶化,是项目给排水设计需要着重面对的问题。

　　 除按规范采取的必要措施外,在本项目设计中所采取的水质防污染措施包括:

　　 (1)展厅水箱容积控制。按满足规范及自来水公司要求的最低储水量计算。水箱根据泵房面积分为2个,每个再分2格,并相互连通。可根据展会排期,关闭其中的一个或几个分格,按需储水。

　　 (2)所有储水箱均设有水箱自洁机。

　　 (3)水泵出水管上均设有紫外线消毒器。

　　 (4)展览工艺用水与展厅生活给水共用水箱分设水泵供水。

　　 (5)在每条展览次沟起端给水管上,设有倒流防止器。

　　 (6)每条工艺给水支管均设有坡向末端的2‰坡度,每个末端展位箱均可作为放水点,定期放空支管内的存水保证水质。

　　 (7)商业部分预留了较高的餐饮比例,水箱储水容积较大,考虑租户入驻时间不同步、商业人流量随开闭展波动大的因素,将储水池分为4格,根据展会排期预报可关闭其中的一格或几格,减少存水停留的时间。

　　 (8)酒店生活给水做深度处理、分质供水。

　　 由于室外排水系统原则上是重力系统,对于超大面积的单体建筑来说,排水管线超长、放坡、与市政管线对接等各种困难是无法回避的。同时,为保证2号线徐泾东站的不间断运营,保证隧道区间和站厅顶部荷载的稳定,排水(含雨水)管道路由和场地地面标高设计受到的局限就更多。由于所有功能在建筑和结构体系上都是连为一体的,看似脱离的展厅之间、展厅和外侧的汽车坡道之间,还存在着看不见的结构拉梁挡住排水管的出路。建筑设计在展厅两侧必须布置卫生间,而长达270m的中间通道两端,是办公楼和中心圆楼的地下室,排水管线路由被彻底封死,加压提升在所难免。整个地块南侧是10万m²的地下室(车库为主),其中大部分是人防区域,地铁以南的中间部位商业和展厅排水,都需要经过这大片地下室才能排到南侧市政道路上。这些难点的破解,是室外排水系统设计的关键。

　　 破解排水系统之难,首先要做的是摸清市政配套规划情况,划分排水流域。

　　 4条周边道路,其中东侧的涞港路上是没有市政重力污水管的,即污水出路只能在其他的3条路上;而雨水管网4条路上都有。由于地铁站及区间段的存在,在红线内所有雨污水管都无法直接跨越,必须分向南北两侧。另一难点是,由于地铁站早已存在,其上方的地面标高被限制在-0.8m(相对标高,以展厅、商业等室内底层地坪标高为±0.00m,本节下文同),其他室外场地标高多在-0.2 m左右,处于排水管线起坡点的中心圆楼,其出户管绝对标高已经比展厅等区域压低了至少0.6 m。因此,规划每个排水点都以最短的路线排至市政道路,是排水系统设计首先要破解的难点。设计对雨污水流域进行了总体规划(见图6)。

　　 建筑设计之大,造成了排水管线的超长,而穿越大面积地下室,如果没有提前的降板规划,对排水设计来说将是致命的。本项目在初步设计起始阶段,就已经根据排水系统的流域划分和管线路由确定了降板的范围。根据排水管起始点埋深和坡度,考虑结构埋地的拉梁所占用的高度,从排水安全、保证地下室净高、结构经济合理、方便维修等几方面,确定降板区域的高度、宽度。图7是从中心圆楼至南侧盈港东路排水管必经之路所做的降板设计示意。

　　 设计规划了3个降板区。靠内侧两段,近起坡点,但起坡段恰是地铁站和区间段地面标高较低(-0.8m)的位置,因此这两段降板区板顶标高分别做在-1.8m和-2.5m(两边不对称)。之后经过的,是G区人防地下室区域,此处降板范围大,由北向南需要贯通。考虑结构设计和施工方便,整段降板区宽度为地下室两排柱子之间,长度约为180 m,8.4m净宽。按污水管3‰的坡度计算,放坡高度需要0.54m,如果做成斜板,坡度较小不方便施工,效益有限,在保证下方高度满足建筑要求的前提下,降板区域做成统一高度,板面标高设计为-3.0m,更为简洁合理。

　　 充分利用素土场地和降板区设计雨水沟,也是破解雨水排水难题的重要手段。在两个展厅单元之间有长270m宽27m的通道,单展上方的步道和双展上方的车道均为露天,属于室外区域。这部分的雨水距离地面8m或16m,无法穿越展厅排放,只能落到通道的地面。

　　 设计在展厅之间(无地下室)做了1 200mm宽的雨水沟,深度从起坡的500 mm至终点1 200mm,通道上方的雨水通过管道埋地接入这条大明沟。在办公楼(酒店)和展厅之间的通道下方,是办公楼(酒店)地下室区域,因其地下室功能复杂,无法做深降板排出展厅通道污水,只能做浅降板使雨水能重力排出。此处设计了一条板面标高-1.8m的降板带,一半用于设雨水沟,与展厅中间通道雨水沟形成T字形排水沟,向两侧排出中间通道汇来的雨水,另一半,用于直埋通道一侧的展厅卫生间排水管重力排水出户。这条大明沟,在运营后的历次大雨考验中,都发挥了重要作用,展厅室内地坪和中间通道仅0.15m高差,但未出现过内涝事故。

　　 图8为雨水沟示意。

　　 明沟有较强的输送能力,可以用较小的坡度完成较长距离的输送。而相同条件下,上述区域的卫生间污水排水则需要用管道和更大的坡度来输送,在建筑可接受的范围里,无法做出这样的降板区,加压提升就在所难免。

　　 经过比较,设计方案确定为在每个办公楼(酒店)和展厅通道T字形交界处的地下室设一间污水泵房。通道两侧卫生间均先走无地下室的通道下方,通过2条污水总管进入地下室污水泵房集水井。污水经提升后再利用降板区覆土排至下游污水管。为防止污水坑水泵损坏而导致无法排水,进入污水坑的排水总管上设有超越管线,在超越管上加设了闸阀,当水泵故障时,可关闭进入集水井的阀门,污水通过超越管溢流至下游污水管,此时通道内的污水管内会有较高水位的积水。

　　 加压提升排水面临的最大问题是污水井接纳的卫生间很多,排水量较大,而使用人员又比较杂,难以控制,导致污水管内会出现无法预见的杂物,堵塞管道、缠绕水泵,在集水井积存垃圾,造成排水泵发生故障。在运营过程中,即使展厅客流饱和,排水量也未达到水泵的排水能力,仍偶有溢水事故发生。设计对策包括:

　　 (1)源头控制,加强卫生间管理,避免保洁人员将垃圾丢入坐便器和洗涤池冲走进入污水管线;卫生间内的垃圾桶不要采用使用不便的脚踏式开盖的垃圾桶,致使使用者顺手将杂物丢进坐便器,建议采用无盖垃圾桶,及时清理。

　　 (2)进入集水井前,在通道增设格栅或滤篮,污水先经拦截后再进入井内,减少垃圾缠绕水泵,同时需要物业加强清理。

　　 (3)选用防缠绕的带有粉碎装置或专用切割系统的潜水排污泵,不应选用靠叶轮本身作为切割装置的排污泵;更不应选用主要用于沉砂井的带搅匀装置的潜水泵,因搅匀装置本身很容易缠绕垃圾进而烧坏电机。

　　 (4)降低污水泵启泵水位,完善集水井内的报警信号,预留足够的应急处理时间。

　　 在设计阶段与市政管线设计单位的充分对接,是使设计顺利进行的保障。由于国家会展中心(上海)项目设计及其外部各种市政配套设施的设计与施工基本同步进行,在设计阶段,当其中某方因各种情况不可避免发生修改时,相关单位及时跟进修改,可以使许多矛盾提前消化,减少施工阶段的返工。

　　 展厅屋面上巨大叶片的雨水排水,是本项目给排水设计的又一难点。由于建筑设计造型需要做出俯瞰(航拍)时逼真的叶片效果,给排水专业勉力争取的“人”字形屋面———天沟在展厅外侧的安全做法(即通道上方是最高点,叶片外侧为最低点)并未实现。最终的设计,是对本专业有巨大挑战的“从”字形屋面(即两个单元展厅中线是高点,通道上方和展厅外侧是低点),整片叶片中有一半的雨水将汇聚在中间通道上方的天沟内。

　　 超大型屋面采用虹吸式雨水排水的做法已经成为惯例。考虑到展厅的安全,设计将天沟安排在辅助用房上方,这样可使雨水斗、尾管及大部分悬吊管都不进入展厅,保证展厅的安全。但汇合在中间通道上空的雨水,因其水量集中且巨大,即使中间通道的大明沟也无法接纳。最终,每个单元展厅靠通道一侧天沟,分设13根DN300的悬吊管(含溢流系统),横穿展厅顶部桁架排出。

　　 关于展厅虹吸雨水系统具体的设计,将在本专栏后续文章中做专题介绍,本文不再赘述。

　　 园区雨水排水系统面临的难点是:过万m²的露天中心圆广场周边被建筑物包围,下面是地铁站和区间段,是多路排水系统的起点,地势却是最低的,如何保证安全?因保证功能要求,整个园区地面高度硬化,径流系数居高难下,如何保证超大面积地块上园区排水安全?

　　 不间断运营中的地铁站周边的雨水控制,应按地铁部门的要求,对其上方的恒载进行严格控制,采用保守的设计参数计算管网和调蓄设施,以确保安全为首要任务;在有条件的位置,适当放大雨水管网的管径,并充分利用水位信号和气象预警信号,提前对蓄水池和管网进行预排空,可有效提高防涝能力;在海绵城市理念下灵活运用“渗、滞、蓄、净、用、排”等各种技术措施,最大限度降低园区内径流系数,最大限度防涝减灾。更具体的设计,将在本专栏另一篇后续文章中专题介绍。

　　 国家会展中心(上海)项目建筑功能多,体量超大,占地面积大,给排水系统相对复杂,系统的安全性要求高。项目从2011年11月方案中标开始设计到2014年11月试展、2014年底全面建成、投入使用,仅短短3年。在设计之初找准难点和关键点,找到对策,是使项目在整体设计方面不发生重大问题、少返工、跟上快速的节奏、顺利推进的保障。本文试图对项目的给排水设计做简要总结,为今后类似项目设计提供经验教训。