北京某历史街区中小学及幼儿园给水排水设计

杨巧云，张月雷，刘洞阳

(1.中国石油工程建设有限公司北京设计分公司,北京 100085; 2.中国科学院高能物理研究所,北京 100049; 3.中国建筑设计研究院有限公司,北京 100044)

0 引言

中小学、幼儿园建筑服务对象具有特殊性,与其他公共建筑设计具有不同的要求。为了保证设计质量、同时满足安全、卫生、经济、舒适等的要求,本文以北京市西城区某历史街区中小学及幼儿园建筑项目为例,依据国家级地方现行的规范JGJ 39—2016托儿所、幼儿园建筑设计规范、GB 50099—2011中小学校设计规范、GB 50015—2019建筑给水排水设计标准、GB 50555—2010民用建筑节水设计标准、GB 50336—2018建筑中水设计标准、GB 50016—2014建筑设计防火规范、《消防给水及消火栓系统技术规范》,阐述了用地紧张情况下中小学及幼儿园建筑给水排水设计过程中的要点,强调了设计中易忽略的细节和此类建筑需要注意的方向,以达到人性化设计、提高设计质量。

1 项目概况

本项目地上功能包含九年一贯制学校15 731 m2及幼儿园3 000 m2,由北向南依次为1号中学、2号小学、3号小学、4号幼儿园(见图1);地下功能包含学校用房、食堂、设备及辅助用房及停车库共21 124 m2,建筑高度为18.95 m。项目需要注意的问题:1)项目位于北京市西城区历史街区,需在用地紧张的条件下满足教学功能的要求,创造高品质的校园环境的问题,将约2.1万m2的建筑面积(包括学校用房、食堂、设备、辅助用房及停车库)置于地下,通过下沉庭院解决地下部分的采光通风问题。2)项目红线内室外布管限制条件多,西侧为田径场和看台,东侧红线与建筑之间仅有的6 m宽的绿化带,其下方还敷设了长16 m宽5 m的雨水调蓄池,建筑给水引入管以及排水出户管只可从北侧路面下方-1.8 m的降板区域内以及南侧布置(见图2)。3)项目功能包括中小学及幼儿园,此类场所对系统的安全性、卫生标准及噪声要求更高。

2 给水排水设计

根据学校功能要求,该项目给水排水系统设计内容包括建筑内给水、中水、热水、排水、雨水、消火栓系统、自动喷淋灭火系统及灭火器配置。由于地理位置以及服务人群特殊性,给水排水设计具有一定难度及特殊性。

2.1 给水系统

本项目水源为用地南侧和东侧市政给水管网引入两路市政给水管道,引入管上装设总水表和倒流防止器。市政给水管网供水压力为0.14 MPa～0.18 MPa。学校给水竖向分为两个区:1层及1层以下部分为低区,由市政给水管直接供水;2层及以上部分为高区,由水箱+变频加压设备供水。按照JGJ 39—2016托儿所、幼儿园建筑设计规范当设置水箱时,应设置消毒设备,并宜采用紫外线消毒方式,本项目给水水箱消毒方式采用了紫外线消毒[1](见图3)。从舒适性考虑,用水点处水压不得大于0.2 MPa[2]。大于0.2 MPa的配水支管设置减压阀。低区地下1层及地下2层进行支管减压,高区2层进行支管减压。

根据JGJ 39—2016托儿所、幼儿园建筑设计规范,为了保证婴幼儿生活单元房间安静舒适,产生噪声的各种供水机房不得与这些房间或无泵房设备贴临设置[2]。根据GB 50099—2011中小学校设计规范加压泵房在运行中存在噪声,加压泵房宜独立建造,并布置在主体建筑以外[3]。本项目用地紧张,地上单独设置泵房难以实现,最终水泵确定在地下2层距离幼儿园区域较远的人防区域外(见图4)。为了降低水泵房泵房噪声采取了以下措施:1)水泵安装在预制混凝土底座上,底座与地基之间设置弹簧隔振器;2)泵房管道采用橡胶软接头连接,管道外设置阻尼材料;3)吊架、支架利用弹簧隔振器与墙体连接;4)水泵房门为隔声门;5)加压泵选型时采用超低噪音变频泵[4]。

2.2 中水系统

按照GB 50336—2018建筑中水设计标准大于20 000 m2的文体类建筑宜设置中水系统。本项目中水由北侧市政路的城市再生水管网供应,供水水压为0.18 MPa,中水竖向分区同给水,用水点处水压大于0.2 MPa的配水支管设置减压阀。为托儿所、幼儿园提供安全、健康、卫生的活动场所,JGJ 39—2016托儿所、幼儿园建筑设计规范中规定托儿所、幼儿园不应设置中水系统,因此本项目中水系统本供水部位为:中小学区域的冲厕、中小学区域绿地浇灌、车库冲洗等。

2.3 生活热水系统

本项目教学楼区域卫生间采用分散式热水供应系统,职工淋浴间及食堂采用集中式热水供应系统。公共卫生间热水供应部位仅为洗手盆且卫生间位置分散,采用分散式电加热器制备热水,管网短、热损失小。地下1层厨房及职工淋浴间等耗热量较大且用水时段固定的用水部位,单独设置了集中热水供应系统。厨房及职工淋浴间热水系统采用集中集热太阳能系统,间接加热的方式,太阳能集热器设于教学楼屋面。

设计耗热量根据GB 50015—2019建筑给水排水设计标准全日集中热水供应系统公式6.4.1-1进行计算。食堂按照热水用水定额为10 L/(人·d),中小学用水人数约1 200人,幼儿园用水人数约200人。职工淋浴间60 L/(人·d),用水人数约100人。设计小时耗热量为1 182 111 kJ/h。太阳能系统采用可承压集热器,集热面积400 m2。太阳能热水作为生活热水系统的预加热热源。热水先经太阳能热源换热后,如温度达不到设计要求,再经电能继续加热。平均日产热水量约18 m3。集热系统为闭式机械循环集热。集热系统与辅热设备间采用自动联锁控制,达到充分利用太阳能热源的目的。集热器和换热罐之间设循环水泵,循环泵由温差控制,温差大于10 ℃时启泵,小于5 ℃时停泵。温差为集热器出口水温和换热罐出口处水温之差,换热罐内水温大于60 ℃时强制停止循环泵(见图5)。

2.4 污废水系统

本项目南侧与北侧排水无法汇合在一起,在南北两侧分别设置了化粪池。2号—4号楼污水就近南侧或东南侧出户,污水排至南侧化粪池之后排到市政管网。考虑污水管道坡度和层高要求,1号楼由北侧-1.8 m降板区域出户,污水经北侧化粪池排至市政污水管网。由于北侧埋深受限,为了室外雨水及污水主干管线交叉,设计时提前进行了室外路由设计,确定了化粪池位置。为了保证室内排水管线不穿梁,排出管管顶标高不得低于室外接户管管顶标高,管线需在降板区域建筑做法完成之后的高度(-1.5 m)之上,本项目设计出户管线标高时,假设降板末端室外接户管管底标高为-1.5 m,反推出户管最低标高。同时,起始处污水井连接的污水出户管的标高应低于交叉处雨水主干管高度,最终确定污水出户管最低标高。根据最低出户标高,管道最小坡度及梁高核验1号楼内的污水管线是否会穿梁,对于存在穿梁风险的管线,先在首层顶板下转换至靠近北侧外墙的位置之后由地下1层顶板排出。

本项目中小学首层设有化学实验室和生物实验室。由于酸碱废液会腐蚀铸铁管道,根据GB 50099—2011中小学校设计规范实验室化验盆排水口应装设耐腐蚀的挡污箅,排水管道应采用耐腐蚀管材,实验室区域采用PVC管。实验室废水单独排放,先经酸碱中和池后再排至室外污水管网[5]。

食堂厨房位于地下1层,厨房下方为人防区域,隔油间设置于地下2层非人防区域。即使同程排水,厨房污水也难以跨越人防区域,最终厨房污水先利用污水提升泵提升地下1层顶板,经转换排至地下2层隔油器间进行隔油之后排至室外污水管网(见图6)。厨房排水需先经排水沟,排水沟前应设置网格地漏,残渣应尽可能拦截在沟渠中,以免堵塞压力提升管道[6]。

王真杰等[7]通过实验检测发现塑料及塑料类管材的噪声均比铸铁管高,由于铸铁管密度大,阻隔声音的性能更加优异。螺纹管的噪声比普通光壁管还大,聚丙烯超静音管也不静音,效果不如铸铁管。新型的旋流三通与聚丙烯超静音管组合后,噪声只有在流量小于2 L/s的时候才低于铸铁管。综合考虑,室内重力流排水管采用了铸铁管,压力管道采用镀锌钢管。排水检查井避开学生活动区域,检查井均设置防坠网。

2.5 雨水系统

本项目南北两侧分别设置了雨水调蓄池。2号—4号楼雨水就近南侧或东南侧出户,雨水先进入南侧雨水调蓄池后排至市政雨水管网。1号楼以及田径场雨水排至北侧,雨水先进入北侧雨水调蓄池后排至市政雨水管网。北侧起始端出户管标高设计同污水系统,不满足梁下敷设要求的在首层进行转换。

屋面雨水均由雨水斗收集,雨水斗设于屋面。管道系统设置在室内,排至室外雨水管道。车库坡道、下沉庭院部位的雨水由潜水泵提升排除。雨水量按照北京暴雨强度公式计算:

q=2 001×(1+0.811·lgP)/(t+8)0.711

(1)

其中,q为设计暴雨强度,L/(s·hm4);P为重现期,a;t为降雨历时,min。

本项目为中心城区的历史街区的学校,按照GB 50016—2014建筑设计防火规范本项目属于重要公共建筑,所以屋顶雨水设计重现期取10 a,降雨历时应按5 min。溢流设施按总排水能力不应小于50 a重现期的雨水量,溢流口设置时要避开下沉庭院四周的墙体。下沉庭院雨水设计重现期为50 a,降雨历时5 min。根据规范要求,当下沉式广场与建筑物的出入口相连接时,集水池有效容积宜按最大一台排水泵5 min的出水量计算。4个下沉庭院雨水量分别为26.5 L/s,27.7 L/s,27.6 L/s,27.6 L/s,下沉庭院雨水集水坑内设潜水泵两台,可同时使用,水泵流量均取15 L/s。潜水泵的运行受雨水泵坑内水位控制,根据雨水量的大小,依次运行1台、2台。为了防止雨水进入室内,下沉庭院门口前设置线性雨水沟[8]。

2.6 消火栓系统

按照GB 50974—2014消防给水及消火栓系统技术规范,室外消火栓设计流量为40 L/s,本项目具有图书馆功能,室内消火栓流量取40 L/s。室外消火栓用水由城市自来水直接供给,与生活给水共用室外供水管网。室内消火栓系统采用临时高压给水系统,平时系统压力由高位消防水箱和稳压泵维持。室内存在净空高度11 m的场所,消火栓栓口动压不应小于0.35 MPa。消火栓栓口动压力不应大于0.5 MPa,大于0.5 MPa的地下1层、地下2层,采用减压稳压型消火栓。

在中小学以及幼儿园设计中,室内消火栓的设置非常重要。室内消火栓尽量设置于楼梯间、公共卫生间等位置。根据JGJ 39—2016托儿所、幼儿园建筑设计规范,当设置消火栓灭火设施时,消防立管阀门布置应避免幼儿碰撞,并应将消火栓箱暗装设置。本项目消火栓均采用暗装,且应躲避结构专业阻尼器。室内消火栓箱的玻璃门发生破裂时,容易使学生受到伤害,根据GB 50099—2011中小学校设计规范中小学校的室内消火栓箱不宜采用普通玻璃门,本项目采用铝塑板门消火栓[9]。

2.7 自动喷淋灭火系统

按照GB 50016—2014建筑设计防火规范,本项目设置了送回风道(管)的集中空气调节系统且总建筑面积大于3 000 m2,应设置自动喷淋灭火系统。根据GB 50084—2017自动喷水灭火系统设计规范,室内存在净空高度11 m的场所,喷水强度区12 L/(min·m2),作用面积160 m2。计算设计流量时需考虑1.3的系数,自动喷淋灭火系统设计流量取50 L/s。本项目自动喷淋灭火系统采用临高压系统,平时系统压力由高位消防水箱和稳压泵维持。系统最不利点喷头工作压力取0.1 MPa,配水管入口的压力大于0.40 MPa时,设置减压孔板进行减压。

除配电室不能用水灭火外,其余均设有自动喷淋头保护。本工程教学楼、食堂等采用湿式系统,无采暖地下车库采用预作用系统。每个报警阀所负担的最不利喷头处,设末端试水装置,每层每个防火分区的管网均设DN25的试水阀。为了防止学生开启阀门,试水装置和试水阀均设置于管井内,且试水阀设锁定装置。

地下停车库、库房、机房采用直立型标准面积覆盖喷头,车库采用易熔合金金属喷头,工作温度为68 ℃;无吊顶部位宽度大于1.2 m的风管和排管下采用下垂型标准覆盖面积喷头;有吊顶部位采用吊顶型标准覆盖面积喷头,净空高度8 m～12 m的场所采用K≥115的快速响应喷头;厨房内灶台上部等高温作业区喷头温级为93 ℃,厨房内其他地方为79 ℃,其余均为68 ℃;为了快速灭火,幼儿园区域采用快速响应喷头。

2.8 灭火器配置

根据GB 50140—2005建筑灭火器配置设计规范,变配电室按中危险级E类火灾配置灭火器,每处放置20 kg推车式磷酸铵盐灭火器4具(喷咀处不得装有金属喇叭筒),保护距离40 m;地下车库按中危险级B类火灾,每处放置5 kg手提式磷酸铵盐灭火器3具,保护距离12 m;厨房按严重危险级B类、C类火灾,每处放置5 kg手提式磷酸铵盐灭火器3具,保护距离9 m。为了防止学生磕碰,学校活动区域单独配置的灭火器箱应设置在不妨碍通行处。

3 结论

1)为了增加使用功能面积,建筑专业通过设置地下庭院利用地下建筑面积时,应合理设置雨水提升泵台数以及根据建筑性质选择合适的暴雨重现期和降雨历时。

2)对于地下室外墙紧邻建筑红线以缓解用地紧张的项目,采用降板才能满足出户条件时,建议先进行室外管线设计,在满足建筑使用功能的前提下确定最低降板高度,为了减少室内重力流管道找坡产生的坡降,可提前走首层顶板下进行转换。

3)中小学及幼儿园建筑由于使用对象的特殊性,此类场所对系统安全性、卫生标准、噪声等要求更高。在满足常规规范的前提下,还应因地制宜地采取安全措施、卫生措施及降噪措施。