设计中, 有些细节问题往往由于项目周期紧张或找不到相关依据等原因而被忽视, 本文结合国内外的一些工程经验以及设计资料针对这些问题进行详细讨论, 以期为类似的情况作设计参考。

　　 在工程中, 往往会因排水点位置改变等原因而导致排水立管在水平方向偏移错位 (以下简称“偏置”) , 国标对于这种“偏置”现象中各部分管径的确定以及通气做法没有具体的规定, 工程中往往直接沿用上游立管管径, 不再进行单独的计算, 也容易忽视“偏置”处的通气处理。

　　 事实上, 与出户管类似, 立管下游的水平管段 (通常在距立管和水平管连接点10倍管径的距离内) 也会发生“水跃”, 污水管道内伴随着剧烈的气压变化, 从而导致水封破坏, 这也是《建筑给水排水设计规范》 (GB 50015—2003, 2009年版, 以下简称“规范”) 规定不得在这一范围内接入排水支管的原因。理论上, 放大横干管的管径或者增大其坡度均有利于削弱“水跃”现象^[1]。

　　 在国外的一些规范中, 对“偏置”处做了详细的规定。《美国给排水规范》 (Uniform plumbing code, 以下简称“UPC”) ^[2]指出, 在横干管上下0.61 m的竖向区间内都不得接入横支管, 如果“偏置”处下游立管有横支管接入, “偏置”处应做通气处理。《国际给排水规范》 (International plumbing code, 以下简称“IPC”) ^[3]规定如果“偏置”处下游立管不再有横支管接入, 可以沿用上游立管的管径, 反之, 横干管应按“出户管”来确定管径。《高级给排水技术II》 (Advanced plumbing technology II, 以下简称“APT”) 中^[1]“高层建筑给排水”一章明确了底层排水横支管与错位立管连接时推荐的连接方式 (见图1) , 并给出了“偏置”处具体的通气管做法, 以降低污水管道内的气压波动 (见图2) 。

　　 洗衣机、洗碗机和厨房洗涤槽排出的泡沫洗涤剂对居住性建筑, 特别是高层建筑的排水系统会造成不良影响。洗涤剂和泡沫在污水管道中会与空气、水进一步充分混合继续发泡, 并在立管底部和水平转弯前部聚集。由于废水密度更大, 在流动过程中无法冲走泡沫, 在污水管道内的压力作用下, 泡沫可能会进入排水横支管、通气管等一切与泡沫压聚集区连接的管道中, 设置通气管对泡沫压力的减轻作用有限。在“水跃”产生的巨大压力作用下, 泡沫也可能会导致水封的破坏。排水管道在水平或竖直方向上的每一次转向处, 都可能会出现泡沫压力区, 图3标注了这些区域^[3], 水平支管应避免在这些区域内接入排水管。

　　 国内对泡沫压力问题鲜有提及, 也没有相关的设计规范, 笔者建议设计参考美国的给排水相关规范来处理类似的情况。

　　 在高层建筑, 特别是超高层建筑中, 设计通常会考虑排水立管的“消能”问题, 常见措施是设置乙字弯。笔者并未找到证实“消能”必要性的试验数据, 根据APT^[1], 高层建筑排水系统并不需要采取“消能”措施。

　　 综合安全性和经济性, 各国都选用水膜流作为设计排水立管的依据。在水膜流阶段, 污水在立管中的流动并不是像自由落体运动那样, 水流刚进入立管时在重力的作用下流速会逐渐加大, 但随着阻力的增加, 经过一定的距离后流速便达到了极限, 这一速度成为“终限流速”, 对应的距离成为“终限长度”^[4]。美国所采用的终限流速计算公式见式 (1) :

　　 $V{}_{\text{t}}=4.4\left(\frac{1}{{\rm K}{}_{\text{p}}}\right){}^{\frac{1}{10}}\left(\frac{Q}{d{}_{\text{j}}}\right){}^{\frac{2}{5}}(1)$

　　 式中 V_t——终限流速, m/s;

　　 K_p ——管壁粗糙高度, 塑料管为15×10^-6m, 铸铁管为25×10^-5m;

　　 Q ——流量, m³/s;

　　 d_j ——管径, m。

　　 而根据APT^[1], 终限流速和终限长度可按式 (2) 、式 (3) 计算:

　　 $\begin{array}{l}V{}_{\text{t}}=3.0(Q/d){}^{2/5}(2)\\ L{}_{\text{t}}=0.052V{}_{\text{t}}^2(3)\end{array}$

　　 式中 V_t——终限流速, feet/s, 1 feet=0.304 8 m;

　　 L_t ——终限长度, feet;

　　 Q ——流量, gal/min, 1 gal/min=0.063 L/s;

　　 d_j ——管径, inch, 1 inch=2.54 cm。

　　 将常用的几种管径规格代入式 (2) 、式 (3) , 不难发现, 终限流速为3～4.6 m/s, 终限长度为3～4.6 m, 也就是说, 污水进入立管后, 很快便达到了终限流速, 它对管道和支架的冲击不会随着管道的增长而无限增大。对于高层建筑, 甚至是高度超过300 m的超高层建筑不需要特别考虑排水立管的“消能”问题^[1]。

　　 另一方面, 设置乙字弯与管道“偏置”类似, 都会引起管道内的气压波动, 可能会导致管道排水能力的下降, 应注意在其上下端做好通气或采用扩大排水立管管径等措施来补偿乙字弯对排水能力和气压波动可能带来的负面影响。

　　 国内规范并未明确规定何时应采用首层单排, 设计往往受限于规范对“最低横支管与立管连接处至立管管底的最小垂直距离”的规定, 从出户管道高程的角度考虑而采取 “首层单排”这一做法。根据笔者的经验, 按规范的最低限进行设计时, 并不能有效降低排水管道内的气压波动和水封破坏问题, 即使是采用了“首层单排”的高层住宅, 2层业主也常抱怨排水管道堵塞和反味等问题, 建议设计应根据项目情况适当提高设计要求。

　　 根据国外建筑的设计经验, 对于3层或3层以上建筑, 不论是否有完善的通气系统, 都应采用“底层单排”, IPC更是直接明确指出, 对于2层以上建筑, 最低的两层应设置单独的排水立管^[3]。

　　 设计中, 有时会碰到这种情况:通气管需要在室内敷设很长的距离才能到达室外通气。而根据国内规范, 通气管管径仅与其服务的排水管管径有关, 并未考虑其自身敷设情况对通气效果的影响。这点在国外规范中给予了充分的考虑, UPC和IPC等都规定^[2,3], 通气管的管径除了与排水管的负荷有关, 还与其自身的敷设长度有关, 当敷设距离过长时, 需要采取扩径的措施来保障通气效果。建议设计根据实际情况, 在满足现行规范的前提下, 参考国外做法, 灵活调整通气管的管径。

　　 溢流口对建筑的结构安全至关重要, 但实际工程中又往往被忽视。随着《建筑屋面雨水排水系统技术规程》 (以下简称“规程”) 和《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》等相关规范的颁布, 溢流口的设置要求越来越明确, 也澄清了一些误解。

　　 一般的, 上人屋面结构考虑的活荷载为200 kN/m², 也就是说, 理论允许的屋面积水深度为200 mm。根据“规程”, 堰上水头按0.03 m, 堰上水头之上的保护高度为0.05 m, 那么堰顶 (即溢流口洞底) 标高不能超过0.2-0.03-0.05=0.12 (m) 。

　　 对于不上人屋面, 结构往往只考虑50～70 kN/m²的活荷载, 笔者认为, 此种情况下应加强屋面排水管道系统的排水能力, 采用较高的重现期 (如50年或100年) 直接进行雨水系统设计, 或者设置独立的溢流雨水排水系统替代溢流口。

　　 在以往的溢流口计算中, 常以图4中的H来作为溢流口高度计算其泄流量, “规程”澄清了计算所用的高度应为图4中的h, 即堰上水头。

　　 国外很多规范也要求必须设置二级雨水排水系统 (类似溢流系统) , 这可以是一套独立的雨水排水管道系统, 也可以是溢流口^[2,5]。设置溢流口的初衷一方面是为了防止由于堵塞等原因而导致的初级系统全部失效^[4], 另一方面也解决了更高暴雨强度下屋面的雨水排放问题^[5]。

　　 溢流口的高度 (竖向尺寸) 不小于102 mm, 宽度与雨水立管周长相同 (对于DN100和DN150管道分别为314 mm和471 mm) 。对于平屋面, 洞底标高不能超过屋面以上76 mm^[2]。ASPE规定每个雨水斗旁均应设置溢流口^[5]。UPC以表格形式给出了常用的堰上水头为12.7～101.6 mm时, 不同宽度 (152.4～914 mm) 的溢流口的泄流能力。溢流口泄流能力与初级雨水系统相同^[4], 也有规范规定其泄流能力为初级雨水系统的2倍^[6]。水力计算方法与国内基本相同。

　　 国外研究者们也对一些暴雨时屋面发生坍塌的案例进行过详细分析。James W. Jordan^[6]基于现有的数据, 分析了屋面降雨与排水达到动态平衡时屋面的积水深度, 采用增量法分析了随着时间的推移, 屋面积水深度的变化, 并绘制了屋面积水等深线。进行此类精细的分析, 需要不同高度的水头作用下雨水斗及排水管道的排水能力等信息, 遗憾的是, 国内对此类资料难以获得, 这值得国内研究者深入学习、试验和研究。

　　 近年来, 虹吸系统因其立管数目少、管径小、无坡度等优点而被广泛应用。但其缺点往往被忽视:雨水斗及其连接管、水平管管径较小, 水平管又相对较长, 不是在每次降雨时均可产生虹吸, 在排除小于设计重现期的降雨时, 仍为重力流排水, 此时容易在水平管段积存屋面杂物 (泥沙、树叶等) , 长期会影响屋面雨水的排除。特别是在北方地区, 泥沙问题较为突出。同时虹吸雨水系统需要专业的厂家进行设计、安装, 而目前国内的现状又是各厂家技术严重良莠不齐。

　　 相同设计重现期下, 与虹吸雨水系统比较, 87斗雨水系统立管数量较多, 水平段管径较大, 排水能力较强, 也是国内非常成熟的雨水排水技术, 使用效果良好。综上, 设计不建议在面积较小的各单体塔楼屋面采用虹吸雨水系统, 建议慎重考虑虹吸雨水系统的使用, 并选择技术良好的专业队伍进行设计、安装。

　　 为了日常检修的需要, 自动喷水灭火系统各层的干管 (水流指示器之后) 应设置泄水措施, 这在设计过程中常被忽视。对于干管的泄水, 《自动喷水灭火系统设计规范》 (GB 50084—2017) 对其泄水的具体做法并未做出具体的规定。笔者认为自动喷水灭火系统干管泄水应接入拖布池等间接排水措施, 或设置专用的废水立管。这样, 可以降低废水的大量排入对排水系统的影响。事实上, 美国消防规范NFPA13^[7]对此有明确的规定“自动喷水灭火系统泄水不应与排水系统直接相连”。

　　 我国自动喷水灭火系统的试水是通过末端实现的, 这带来了一些问题:末端通常比较分散, 不便于试水和日常的维护管理;为了使末端处在一个易于试水和排水的区域, 设计不得不将自动喷水灭火系统管道设计得较迂回, 这与合理控制造价以及优化水力条件的原则相悖;末端试水易使管道混入过多的空气, 加速管道的腐蚀。笔者认为, 国外在干管处试水的作法更为合理, 其具体做法详见图5, 这不仅避免了上述问题, 也有利于试水管的泄水和干管泄水的合并。

　　 根据《自动喷水灭火系统设计规范》, 对于高大净空场所目前自动喷水灭火系统的最大保护高度增加到了18 m。例如, 一个1～3层挑空的区域, 设计中一般采用从1层自动喷水灭火系统干管引出支管安装于3层吊顶的做法, 不再单独设置水流指示器。但需要注意的是, 高大净空区域喷头的流量系数、最低工作压力以及所需的入口压力等与地面层的自动喷水灭火系统可能差异较大, 此类情况下, 笔者建议由高大净空区域顶层的自动喷水灭火系统干管引出支管保护挑空区域, 并单独设置水流指示器。

　　 设计规范往往不能面面俱到, 也存在着更新周期较长, 对设计中的某些问题无法及时提供有力依据等问题, 导致建筑给排水设计中的一些细节问题被人们所忽视。本文结合以往项目经验以及国外的一些相关规范, 对设计中一些易忽视的问题做了详细的探讨, 供同仁们参考和指正。