美標(biāo)體系國際工程給排水系統(tǒng)計(jì)算方法分析

謝春雨

（1.北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100088；2.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037）

1 概要

近年來，隨著國家“一帶一路”倡議的實(shí)施，我國建筑設(shè)計(jì)、施工等領(lǐng)域企業(yè)在境外參與國際競標(biāo)工程建設(shè)的業(yè)務(wù)量呈逐年上升趨勢。在東南亞、非洲等國家地區(qū)，存在建筑設(shè)計(jì)規(guī)范體系不夠健全的情況，工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常需要參考美國、英國、法國等國家的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，其中美國的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用相對較為廣泛，但對于習(xí)慣使用我國國標(biāo)規(guī)范的設(shè)計(jì)人員，美標(biāo)規(guī)范體系及使用要求與我國的規(guī)范存在較大的差異，因此，準(zhǔn)確掌握美標(biāo)體系中主要參數(shù)的計(jì)算方法，成為涉外工程設(shè)計(jì)工作中的重點(diǎn)內(nèi)容。設(shè)計(jì)流量是給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心參數(shù)，能否準(zhǔn)確計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量，是給排水設(shè)計(jì)工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，然而以國標(biāo)規(guī)范中的方法計(jì)算得出的設(shè)計(jì)流量，通常難以獲得境外審圖人員的認(rèn)可。因此，本文以孟加拉國某機(jī)場項(xiàng)目為例，介紹分析美國規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中給排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法以及與國標(biāo)計(jì)算方法的差異。

2 工程概況

2.1 項(xiàng)目概述

本項(xiàng)目位于孟加拉國Sylhet市，是一座新建國際客運(yùn)機(jī)場，包含國際客運(yùn)航站樓、貨運(yùn)航站樓、行政辦公樓、控制塔臺、助航燈光站、消防救援站等共計(jì)10個(gè)建筑單體以及跑道、滑行道、停機(jī)坪等室外附屬設(shè)施，總建筑面積約6萬m2，規(guī)劃遠(yuǎn)期年客運(yùn)量238萬人，項(xiàng)目無市政水源，采用自打井供水，原水處理后經(jīng)配水泵站供應(yīng)到全部單體，最高用水點(diǎn)為塔臺，高度為35 m，供水系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 Sylhet國際機(jī)場供水流程示意圖

2.2 規(guī)范體系

美國現(xiàn)行有若干種建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范，目前在國際上應(yīng)用較多的，主要有以下3種：《國際建筑給 水 排 水 規(guī) 范》（International Plumbing Code）、《統(tǒng)一建筑給水排水規(guī)范》（Uniform Plumbing Code）和《美國標(biāo)準(zhǔn)建筑給水排水規(guī)范》（National Standard Plumbing Code），3種規(guī)范中，《國際建筑給水排水規(guī)范》在美國各州中應(yīng)用最為廣泛，也是國際工程中其他國家借鑒最多的，本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)同樣以此規(guī)范為主要依據(jù)，結(jié)合《美國標(biāo)準(zhǔn)建筑給水排水規(guī)范》對于給排水設(shè)計(jì)流量的確定進(jìn)行分析介紹。

3 計(jì)算應(yīng)用

在國際項(xiàng)目給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)流量是系統(tǒng)的重要參數(shù)，直接關(guān)系到水泵型號、系統(tǒng)規(guī)模的確定，在我國國標(biāo)規(guī)范《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50015-2019[1]中，對于不同建筑類型給水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量都給出了明確的計(jì)算公式和參數(shù)選擇依據(jù)，但本項(xiàng)目所在國家建筑設(shè)計(jì)規(guī)范僅有一本全專業(yè)匯編規(guī)范《孟加拉國家建筑規(guī)范》（Bangladesh National Building Code），對于給排水系統(tǒng)的計(jì)算僅給出了最高日最大時(shí)用水量計(jì)算方法，對于設(shè)計(jì)秒流量的計(jì)算并無描述[2]，因此結(jié)合當(dāng)?shù)氐脑O(shè)計(jì)習(xí)慣，需要參照美國標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)秒流量。

3.1 給水系統(tǒng)

美國規(guī)范體系在設(shè)計(jì)流量的計(jì)算中，與國標(biāo)類似，也使用了當(dāng)量的概念，根據(jù)當(dāng)量計(jì)算給水設(shè)計(jì)流量的主要依據(jù)為亨特計(jì)算理論[3]，規(guī)范中并未給出計(jì)算過程，而是列出了不同當(dāng)量值下對應(yīng)的設(shè)計(jì)流量，下面以本項(xiàng)目國際客運(yùn)航站樓為例，計(jì)算其給水總管的設(shè)計(jì)流量。

國際客運(yùn)航站樓內(nèi)主要用水點(diǎn)為公共衛(wèi)生間與餐飲廚房用水，統(tǒng)計(jì)全部用水器具數(shù)量如表1所示：

表1 國際客運(yùn)航站樓用水器具統(tǒng)計(jì)

類似于國內(nèi)的規(guī)范，在《美國標(biāo)準(zhǔn)建筑給水排水規(guī)范》（National Standard Plumbing Code，以下簡稱NSPC）中對于不同的衛(wèi)生器具和用水設(shè)備，給出了各自的給水當(dāng)量，主要當(dāng)量值詳見表2，在該規(guī)范中對于不同的建筑類型，分別定義了不同的當(dāng)量，本文是以機(jī)場客運(yùn)航站樓為實(shí)例，僅展示公共建筑一類的常用器具[4]。

結(jié)合表1統(tǒng)計(jì)值和NSPC給出的表2當(dāng)量值，分項(xiàng)加和，得出國際客運(yùn)航站樓的給水總當(dāng)量數(shù)為2 113（由于未給出普通沖洗龍頭的當(dāng)量，孟加拉當(dāng)?shù)孛總€(gè)大便器和每組小便器位置需設(shè)置沖洗水嘴，用水量較小，設(shè)計(jì)中參照洗手池的當(dāng)量計(jì)算其水量）。國內(nèi)的《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對于給水設(shè)計(jì)流量的計(jì)算，針對住宅和公建給出了兩個(gè)不同的公式，由于普通的生活用水器具均為間歇性用水，所以設(shè)計(jì)流量的計(jì)算不是所有衛(wèi)生器具流量的累加，國內(nèi)規(guī)范中提出了同時(shí)出流概率的概念[4]，相應(yīng)的，NSPC中也給出了多樣性因素（Diversity Factor）的概念，考慮到了器具同時(shí)使用的概率問題。可以看出，美國給排水設(shè)計(jì)流量的計(jì)算方法雖然與國內(nèi)的計(jì)算方法有所區(qū)別，但是原理是相似的，二者的區(qū)別在于NSPC并未給出具體的計(jì)算公式，而是類似于《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的附錄C，給出了當(dāng)量與設(shè)計(jì)流量的對應(yīng)關(guān)系，在設(shè)計(jì)工作中，直接按照對應(yīng)關(guān)系選用即可，如表3所示。NSPC分別對以沖洗閥為主和沖洗水箱為主的兩類建筑列出了不同的當(dāng)量－流量對應(yīng)關(guān)系，本文按照項(xiàng)目實(shí)例的特點(diǎn)，僅展示以沖洗水箱為主的部分參數(shù)。

表2 常用衛(wèi)生器具的給水當(dāng)量值（公建）

表3 衛(wèi)生器具給水當(dāng)量數(shù)與設(shè)計(jì)流量對照表

按照表3中的對應(yīng)關(guān)系，近似選取當(dāng)量2 000與2 500之間的流量均值，計(jì)算得出衛(wèi)生器具總當(dāng)量數(shù)為2 113的條件下，國際客運(yùn)航站樓的高峰用水量（Peak Flow）約等于337 gal/min，換算為21.23 L/s。

由于在設(shè)計(jì)中通常認(rèn)為管道基本不具備儲水的功能，所以給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)秒流量近似等于衛(wèi)生器具的高峰流量。在實(shí)際應(yīng)用中，可以將常用的當(dāng)量區(qū)間繪制成曲線圖，方便使用，如圖2所示，此部分內(nèi)容在規(guī)范中并未給出，需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)項(xiàng)目區(qū)間范圍需求自行完成。

圖2 設(shè)計(jì)流量曲線

由圖2也可以看出，給水總當(dāng)量大約在1 000以下時(shí)，以沖洗水箱為主的衛(wèi)生器具系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量在相同當(dāng)量下略高于以沖洗閥為主的衛(wèi)生器具系統(tǒng)，當(dāng)給水總當(dāng)量超過1 000以后，兩種系統(tǒng)的差別對給水設(shè)計(jì)流量基本不產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)流量的大小取決于絕對當(dāng)量總數(shù)的大小，同時(shí)需說明沖洗水箱和沖洗閥大便器的當(dāng)量數(shù)是不同的（見表2），使用時(shí)應(yīng)當(dāng)注意區(qū)分。

3.2 排水系統(tǒng)

建筑排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，需要根據(jù)排水量的大小來確定排水系統(tǒng)水平管道與立管的管徑。國標(biāo)與美標(biāo)體系關(guān)于排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法也存在一定差異。

在國標(biāo)《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中，分別給出了排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)秒流量與排水橫管流速的計(jì)算公式，再通過Q=A·ν（式中：Q—流量，A—過水?dāng)嗝婷娣e，ν—流速）的流量-流速關(guān)系可計(jì)算出排水橫管管徑，并使用規(guī)范中的表4.5.7，按照不同的通氣方式與設(shè)計(jì)流量，選擇出合適的排水立管管徑[1]。在美標(biāo)體系中，給出了不同的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。排水系統(tǒng)計(jì)算需要參照《國際建筑給水排水規(guī)范》（International Plumbing Code，以下簡稱IPC），在IPC的相關(guān)章節(jié)中，同樣給出了衛(wèi)生器具的排水當(dāng)量，但此規(guī)范為了設(shè)計(jì)方便，不再進(jìn)行排水設(shè)計(jì)流量計(jì)算，而是直接給出當(dāng)量對應(yīng)管徑的經(jīng)驗(yàn)表格，根據(jù)每一管段的排水總當(dāng)量數(shù)選擇合適的排水橫管與立管管徑[5]，主要器具排水當(dāng)量值如表4所示。

表4 衛(wèi)生器具的排水當(dāng)量值

IPC中對于排水系統(tǒng)管徑的確定，分別就水平干管、支管與立管給出了當(dāng)量-管徑對應(yīng)表格，如表5和表6所示，表5中詳細(xì)給出了建筑物排水管（Building Drain，表示立管底部的排水橫管，只有立管和底層的排水橫支管接入其中）在不同坡度下各個(gè)管徑對應(yīng)的最大當(dāng)量值，對于建筑物排水管，按照對應(yīng)的當(dāng)量數(shù)，結(jié)合管道坡度，即可選出合適的管徑。IPC排水系統(tǒng)水力計(jì)算的原理是曼寧公式，與《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》相同[1，5]，所以坡度的選擇可以參照國標(biāo)規(guī)范選用。

表5適用于室內(nèi)的排水橫干管和室外排水管道，表中空白處表示無效的坡度范圍，在該管徑-坡度下的管道流速偏小，不建議使用。表6中列出了排水系統(tǒng)中水平支管和立管的對應(yīng)最大排水能力，其中水平支管的坡度對應(yīng)不同管徑的最小坡度，IPC中未對管道的最小坡度做出約定，結(jié)合美標(biāo)設(shè)計(jì)習(xí)慣，建議1.25～2.5英寸采用0.02，3～6英寸采用0.01，8英寸及以上采用0.005。排水立管的管徑同樣根據(jù)表6來確定，表中根據(jù)立管連接層數(shù)的不同分別給出3列管徑的對應(yīng)排水能力，分別為單層可排入總數(shù)、2～3層可排入總數(shù)、以及大于3層的立管可排入總數(shù)，由此可見相同管徑下連接的層數(shù)不同，立管的排水能力也有區(qū)別。需要注意，在立管與橫支管管徑相同的條件下且當(dāng)管徑大于3英寸時(shí)，立管的排水能力要小于橫支管，此時(shí)橫支管的排水能力應(yīng)以下游連接的立管為準(zhǔn)。例如，當(dāng)一根5英寸的水平支管接入5英寸的立管時(shí)，此時(shí)水平支管可接入的排水當(dāng)量總數(shù)應(yīng)該是200，而不是360。此外，IPC中特別指出，對于馬桶排水連接管道的管徑單獨(dú)注明不小于3英寸[5]，即76.2 mm，不同于《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)要求為100 mm[1]。

表5 建筑物排水管最大排水能力

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，不能單一的使用表6中的數(shù)據(jù)確定立管的管徑，應(yīng)當(dāng)結(jié)合通氣條件綜合考慮。按照表6的設(shè)計(jì)思路，排水立管隨著層數(shù)的變化將會產(chǎn)生變徑，雖然IPC中明確表示排水立管可以變徑，但結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，仍建議排水立管按照統(tǒng)一管徑設(shè)計(jì)。

表6 排水橫支管及立管最大排水能力

3.3 局限性

由以上對比可以看出，美標(biāo)體系下的給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量確定不需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行計(jì)算，直接按衛(wèi)生器具統(tǒng)計(jì)當(dāng)量，查表即可得出，且得到的數(shù)據(jù)相對更為可靠，不易出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤。

但是，由于NSPC與IPC對于給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量的計(jì)算均未給出基本的計(jì)算方法，在美標(biāo)體系下的建筑給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)只能選擇表格中給出的管徑和坡度參數(shù)，在設(shè)計(jì)工作中雖然應(yīng)用方便，但由于所列規(guī)格的精度不足，在使用過程中也具有一定的局限性。

4 總結(jié)

美標(biāo)給排水設(shè)計(jì)規(guī)范種類較多，各個(gè)規(guī)范之間有較多重疊內(nèi)容，規(guī)范的側(cè)重點(diǎn)也有所不同，因此在使用過程中，對規(guī)范的選擇尤為重要，需要了解各個(gè)規(guī)范的適用方向，以便更高效地開展設(shè)計(jì)工作。

對于給水和排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量的計(jì)算，《美國標(biāo)準(zhǔn)建筑給水排水規(guī)范》和《國際建筑給水排水規(guī)范》兩本規(guī)范分別給出了區(qū)別于國標(biāo)規(guī)范的選定方法，這兩本規(guī)范在國際工程上應(yīng)用較為廣泛，可以作為可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。

美國標(biāo)準(zhǔn)與我國國標(biāo)規(guī)范對于設(shè)計(jì)工作的指導(dǎo)作用存在較大的差異，且系統(tǒng)體系較為分散，與國標(biāo)規(guī)范的匹配性不高，使用時(shí)更多需要設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)與工程當(dāng)?shù)匾?guī)范結(jié)合使用，并將國標(biāo)規(guī)范作為參考和驗(yàn)證的依據(jù)，以保障設(shè)計(jì)質(zhì)量。