超高层建筑燃气设计的一些探讨

张磊

根据中国《民用建筑设计通则》（GB 50352—2005）、《高层民用建筑设计防火规范》（GB 50045-95）的规定，将10层及10层以上的住宅建筑和高度超过24m的公共建筑和综合性建筑称为高层建筑，而当建筑物层数少过40层，高度超过100m时，即称为超高层建筑。随着社会及城市的不断发展，全国各大城市中，高层建筑已经鳞次栉比、随处可见，而近些来，高度超过200m的各种超高层建筑，也开始屡见不鲜。

对于高层建筑的燃气设计，经过多年的实践和探索，已经逐渐形成了较为成熟的设计思路与方法，然而对于超高层建筑而言，由于案例较为稀少，目前尚处于经验的累积阶段。以下是本人根据近两年内接触、参与设计的广州市内一些超高层建筑案例，在设计特点、经验及一些问题的处理方法方面，进行的一些总结和探索。

就燃气设计对象而言，由高层建筑步入超高层建筑的领域，随着建筑物高度的不断增加，作为高层建筑设计对象主体的居民用户已经难以出现；商业锅炉及商业餐饮由超高层建筑的功能决定，成为燃气供气的主要受用者。也同样因为设计对象的改变，曾今作为高层建筑设计最大难点的附加压头问题，得到了极大的解决。在超高层建筑中，商业锅炉、商业餐饮的只是作为建筑配套功能的特点，决定了其用气楼层数量少且相对集中，这就对经过了附加压头增压后的燃气供气压力的准确控制，提供了极大的便利。然而值得提出的是，由于商业锅炉及商业餐饮用气压力的较大差异，由市政管网供气后二者的调压设备，仍然建议分开设置，以便于燃气输送压力的控制管理及燃气供应的保障稳定。

超高层建筑由于建筑高度的特性，决定了其单层建筑面积无法像普通商业建筑一样开阔、充分，而且由于该类建筑多集中建设在城市商业中心，使其每一平方米的建筑都更加寸土寸金，因此，其建筑外向多以塔形、柱形为主。于是乎单层建筑面积的紧张，使得燃气立管或者说燃气管井位置的选择，成为超高层建筑燃气设计上的一个特殊问题。传统燃气管井的位置设计，建筑上，多跟其它管井，或干脆和其它管道共用一个公共管井，统一设置在建筑物的核心筒区域内，以方便管理、检修等等。然而由于超高层建筑以及燃气管道在安全消防要求上的特殊性，消防部门在超高层建筑设计方案审查时，已经对将燃气管井设置在建筑核心筒内——这一做法的安全性提出了质疑。虽然还未有正式的规范、条文明文规定，但为了避免可能产生的安全隐患，现在国内的消防部门已经形成了较为统一的认知，即燃气管井应远离建筑物核心筒，设置在靠近建筑物外墙的位置；并已将此条加入了消防审查的要求当中(这一点，请各位设计人员在参与燃气设计方案的前期设计时，注意并提醒相应的建筑设计人员，以避免产生不必要的修改及重复设计)。

参考上海等地的案例，目前超高层建筑燃气管井的设计方案，主要有两种：

按照消防部门的要求，将燃气管井设计在靠近建筑物外墙处；

利用建筑物的外形特点，将燃气管道直接敷设在外墙凹位处，形成室外立管，直接避免了燃气管井的相关问题。

两种方案各有利弊：超高层建筑靠近外墙面的建筑空间多作为商业功能性使用，用于设置燃气管井，则对建筑物的经济收益产生了较大影响；室外立管的方案虽然避免了燃气管井的问题，燃气管道但是与建筑物外立面的接触，也随之产生了燃气立管固定、安装以及检修、维护等一系列的问题。本人于2011年进行的一处超高层建筑燃气设计，经过与业主及建筑设计的协商讨论，选取了室内燃气管井的方案，对其设计的要点、经验总结如下：

根据《城镇燃气设计规范》（GB50028-2006）中对于燃气管井的要求，结合超高层建筑的特点，燃气管井应每层开设检修门，且为了检修方便，燃气管井应设置在靠近走廊、通道或者便于检修出入的房间内。

燃气管井应每隔三层做相当于楼板耐火极限的非燃烧体进行防火分隔；该三层空间内，于建筑物外墙面的管井侧壁上部，开设百叶式通风口，通风面积不小于300m/m，燃气立管穿越建筑物楼板时，采用大两级的套管，保留套管与燃气立管之间的间隙畅通，使该三层空间内成为一个空间连通体，以保证平时燃气管井内的自然通风，并在火灾时防止产生“烟囱”作用的产生。

超高层建筑自身的沉降带来的影响及管道系统的各种应力补偿，是燃气设计另外一个方面值得关注的问题。

对于建筑物由于自重产生的沉降，多在燃气管道由庭院管与上升管连接处设置挠性补偿器经行补偿。但值得注意的是，由于超高层建筑多伴有大型的地下建筑部分，且地下室边线多远远超出地上部分的外轮廓线，如仍然将绕行补偿器设置在靠近建筑物外墙的燃气庭院管与上升管衔接处，则无法使其产生作用。此时，应在燃气庭院管道未进入地下室上盖范围前，设置埋地型波纹管补偿器经行沉降补偿，并在经过地下室边线处的燃气管道上，加设钢制套管保护，以防止沉降剪切力集中于地下室边线，从而对庭院燃气管道产生破坏。

超高层燃气管道所受到的应力影响主要分为以下三种：

由于燃气管道立管较长，管道自重较大，从而产生的压缩应力。为了使管道重量得到均匀分摊，应在每层设立活动支架，并经计算后选取合适数量的固定承重支架，合理分别设置在燃气立管上。

由于燃气管道受到气候因素影响，产生热胀冷缩，从而产生的热应力。由于超高层建燃气管道拥有热应力补偿量大，但又对安全问题较为敏感的特点，这里推荐使用π型补偿器，以避免选用波纹补偿器产生的接口泄露隐患。而针对π型补偿器自身尺寸较大的问题，在超高层建筑中，可利用建筑避难层的空间，将位于避难层的燃气管井适当扩大尺寸，便于π型补偿器的安装和检修。

由于超高层建筑受到的风载荷及可能在的地震时产生的摆动，使燃气管道产生的弯曲应力。高层建筑在地震裂度为 7 度地区受地震影响时及受风荷载影响时的允许层间 相对水平位移通常为 1/1500 及 1/3000。如高层建筑层高为 3 m，建筑物允许层间相对水平位移量为 2 mm。该值往往远小于管道的允许位移量（管道允许位移量与管材允许应力、管道弹性模数及管道回转半径有关，具体计算略）。因此，高层建筑燃气管道一般在采取伸缩补偿及承重支撑等措施后，产生的弯曲应力对燃气管道的影响可忽略不计。

城市的生产和消费的发展达到一定程度后，经济效益的影响、城市用地减少的压力，使得城市建筑层数的不断提高成为必然的趋势，也必将对燃气系统的设计提出更多更高的要求。超高层建筑燃气管道设计必须根据当地气源、地理气候、环境特点，并综合考虑消防安全、建筑结构特点以及远期发展等诸多因素，确定切实可行的供气方案。以上是本人结合实际经验得出的一些浅见，文中如有不妥之处烦请不吝赐教。