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超大型公共建筑给排水系统设计——以浦东机场卫星厅为例

   作者简介
  许栋,男,1970年出生,上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司三院综合部总工,高级工程师,注册公用设备工程师。主要从事大型城市综合体、交通枢纽建筑给排水、水消防和城市水环境治理研究及设计工作。
  浦东机场是我国最好的机场之一,2019年,浦东机场共保障飞机起降51.18万架次,旅客吞吐量7,615.35万人次,货邮吞吐量363.42万吨。浦东机场三期卫星厅是国内第一个、世界最大、覆盖功能最全面的单体卫星厅,2019年9月投入使用,机场容量和服务水平大幅度提高。
  作为超大型公共建筑,浦东机场卫星厅给排水系统复杂,在保证系统运行安全性的同时,还要满足旅客使用的便捷性以及管理维护的合理性。本文通过对浦东机场卫星厅给排水系统设计难点剖析,诠释了机场航站楼给排水系统设计的真谛。
  浦东机场新建卫星厅位于现有T1、T2航站楼南侧,与现状主楼共同承担8 000万人次/a的旅客吞吐量。建筑呈“工”字形平面布局,东西方向由S1、S2两大功能区组成,承担3 800万人次/年旅客候机和楼内中转功能,内部设有出发到达大厅及相应商业、行李及服务功能,地下一层为捷运站,连接卫星厅与T1、T2主航站楼,S1和S2总建筑面积超过62万m2,建筑高度为39 m,地下一层(含一个夹层),地上六层。
  卫星厅建筑剖面
  给水系统设计
  卫星厅单层平面面积巨大,楼内的给水系统沿平面铺开,输水管道长度过长,横向管道的水头损失占给水系统工作压力的比重较大。这不仅会造成系统起始端和末端压力差过大,出现水泵房附近系统超压而最不利点压力却不够的问题,而且会造成水泵扬程过高,浪费能源。此外,卫星厅中心商业区聚集了营业面积超过2.8万m2的159家商户,免税店面积近1万m2,约50家品牌餐饮,为旅客提供了惬意的出行体验。给水系统设计在满足系统安全、节能的同时,卫生间、餐饮厨房等生活给水如何确保水质卫生、水量充足、水压稳定、供水可靠;贵宾层淋浴间的沐浴用水如何确保水温舒适、调节方便;饮用给水如何保证卫生安全、口感适宜;系统设备、设施如何做到管理维护的合理性,这些都是给水系统设计面对的挑战。
  供水区域的划分
  为避免给水系统压力分配不平衡造成能源浪费的问题,给水系统整体采用分区供应的方式。生活用水水源由市政给水管网引入二路DN300给水管供卫星厅的生活和室内消防给水,市政供水管网的压力不小于0.20 MPa。平面分区结合建筑布局,划分为S1、S2两个供水区域,分别设置独立的生活给水系统。竖向分区划分为高区、低区。卫星厅的-7.50 m层、-3.75 m层和±0.00 m层为低区,采用室外给水直接供水的方式;卫星厅4.00 m层及以上各层为高区,采用“生活贮水池(设消毒设备)→生活给水变频泵组→各用水点”的给水系统。S1、S2生活水泵房设置在各自的-7.50 m层和±0.00 m层中央核心区,使每个泵房的服务半径不超过500 m,避免了供水管道过长,水泵扬程过高,浪费能源的问题。
  泵房供水区域示意图
  中水水源来自基地再生水,由再生水处理站引出一路DN300再生水管供卫星厅冲厕用水及隔油机房、路面冲洗用水,再生水的供水压力不小于0.25 MPa。S1、S2卫星厅分别设置独立的中水系统。中水系统分区及供水方式同生活给水系统。
  热水系统供热方式
  热水系统的供热方式应满足舒适、节能这两方面要求。卫星厅作为超大型公共交通建筑,卫生间和餐饮厨房在楼内分布比较分散,设置集中式的热水供应系统存在着管线超长,到达末端用水点水温无法保证的问题。因此,卫生间洗手盆热水大都采用就地设置的小型容积式电热水器供应。餐饮厨房预留电源,生活热水由租户自理。卫星厅在贵宾层分散设置了部分淋浴间,采用即热式电热水器,确保可以连续供应热水,旅客随到随洗。以上措施保证了热水系统的舒适度要求。
  节能方面,太阳能作为一种取之不尽用之不竭的新型环保新能源,一种较为简单、经济、环保的能源,非常适合我国经济现状下的供热水方式,在我国得到了大力推广和广泛使用。但航站楼建筑有其特殊性,本次卫星厅设计对太阳能热水系统在航站楼建筑的应用进行研究和探索。根据卫星厅的实际运行情况,仅在热水用水比较集中的S1、S2中部贵宾候机区域采用太阳能集中生活热水供应系统。卫星厅太阳能生活热水系统设计产水量为10 m3/d,采用强制循环间接加热系统,系统共设置3只集热水罐和2只容积式电加热器,太阳能集热器采用内置U型铜管的“金属-玻璃真空集热管”的太阳能集热器,系统有效集热面积为198 m2,按3 m2/组计,共设置太阳能集热器66组。
  太阳能热水系统原理图
  太阳能集热器作为太阳能热水系统的关键部件,同时又是整个系统中所占空间最大的部分,它在建筑中的布局将直接影响整个系统与建筑的结合效果。设计采用玻璃金属真空管太阳能集热器,集热效率高,可减少集热器面积。如下图所示,卫星厅太阳能集热器设在第二层混凝土次屋面上,集热器支架与屋面的连接构造简便,系统管线隐蔽,对建筑立面无影响,且便于上人安装维护。为避免集热器眩光对航线以及飞机起降产生影响,对集热器表面采取了亚光处理。
  卫星厅太阳能集热器
  饮用水供应
  一个人性化的航站楼给水系统设计中,饮用水的供应是不可或缺的。为满足旅客在候机过程中的饮水要求,在公共区域内每隔一定距离设置饮水点。在每个饮水点处设置小型带饮用水处理设备的饮用水机一台以供旅客取用冷、热水,饮用水水质达到《饮用净水水质标准》(CJ 94-2005)的要求。为避免误操作烫伤旅客,要求热水龙头必须标识清晰,且只能放水,不能直接饮用,并带有热水锁定键保护装置。在热水龙头的设置高度上,须考虑设在儿童不宜接触的位置。
  卫生洁具的选用
  卫生间设计及洁具选择,是机场人性化服务的重要直观感受。如何体现时尚化、人性化,并且兼顾公共场所的卫生安全,减少细菌传播,是设计的关键点。卫生洁具全部选用节水型产品,采用节水型卫生器具比采用传统的卫生器具节水约20%~30%。洗手盆采用自动感应式洗手龙头,并尽可能采用台下盆,便于台面清理。小便器和大便器的选择上,采用自动感应式自闭冲洗阀,并尽可能采用后出水式(挂式)。后出水式小便器和大便器由于挂在墙上,视觉感观上较下出水式更为轻便,且可以减少卫生间的清洁死角,更适合在人员密集的机场内采用。
  水表的设置
  卫星厅面积巨大、用户及用水点数量众多、位置分散,为了达到节水和便于管理的目的,卫星厅用水主要按照用途和管理区域进行水表计量,下列位置均设置数字式水表,并纳入能耗监测系统:卫星厅总体给水、中水引入总管上;生活水箱、中水水箱、屋顶消防水箱的进水管上;各给水、中水系统向分区的总管上;每个餐厅厨房、咖啡厅给水管上;每个隔油机房、卫生间的给水、中水管上;卸货平台、垃圾房的中水管上等。
  室外排水系统设计
  由于室外排水系统原则上应采用重力流系统,排水管道需要放坡,对于超大面积的单体建筑而言,排水管线超长、管道的埋深会很大,容易与其他地下构筑物标高发生冲突。卫星厅S1和S2地下有捷运通道穿越,受通行车辆高度制约,捷运通道的顶板无法做降板处理;中部有南进场路东线、西线地道和两根雨水排水箱涵穿越,因此,排水管道路线设计受到地下构筑物的影响不得不中断。此外,由于浦东机场是人工填海出来的陆地,地质条件差,软基处理后还会存在工后沉降,所以室外检查井必须采取防沉降措施。
  浦东机场卫星厅各层介绍
  解决上述问题,首先必须摸清卫星厅周边可供接驳的大总体管线资料,尽可能地加以利用,采用“多点分散”的排水策略。室外雨水排出口一共有8个,其中1#、2#、7#、8#雨水排出口设置在S1、S2南北指廊的端部,排入附近大总体雨水排水管网;3#~6#雨水排出口设置在中指廊附近,排入两根雨水排水箱涵内。室外污水排出口一共有3个,其中1#污水排出口设置在S2南指廊的端部,2#~3#污水排出口设置在中指廊处,排入附近大总体污水排水管网。这样设计既可缩短排水管线、减小管道埋深,又可将总的排水负荷比较均匀地分散到各路排水管线上,缩小排水管道管径,便于与大总体排水管线接驳。
  室外排水布置图
  在规划设计排水管道的管线时,还需注意对室内雨污水排出管的影响。在中指廊两条雨水排水箱涵之间区域、S1和S2北指廊端部区域等,受地下构筑物的影响,无法设置室外雨、污水管道。因此,室内的卫生间应避免在上述区域附近设置,屋面虹吸雨水排水系统需设悬吊管,转接到设有室外雨水管道的一侧接出。
  其次,管线铺设控制在靠近卫星厅外墙10 m内,尽量避免设在10~22 m的服务车道下面。这样既可避免管道及检查井长期受车辆重压而损坏,又可避免由于管道维护影响服务车辆的通行,还可避免雨污水井盖与路面不平而引起的车辆颠簸。
  为了防止室外检查井沉降,需对室外检查井下方釆用压密注浆进行土体加固,加固平面范围为检查井基础底板外边外扩0.5 m,加固深度为基础底板底以下5 m。
  餐饮厨房排水系统设计
  浦东机场卫星厅聚集了约50家品牌餐饮,为了避免各餐厅厨房因共用排水管道和隔油处理设备,而引起相互干扰且责任分辩不清的情况,此次卫星厅按每个餐厅厨房单独配置隔油处理设备考虑,单独设置排水管道和设备机房,厨房与隔油处理设备按一对一配置。此设计虽有利于餐饮租户自行管理,但这些近50个隔油处理机房,要设置在原本设备机房面积就已很紧张的-7.50 m层和±0.00 m层是非常困难的。隔油机房需远离生活水泵房、办公室等卫生要求较高的地方,同时每个隔油机房的面积要尽可能地小,以便于建筑的平面布置。
  为了解决上述问题,设计采用了成品一体化油脂分离设备,其设备内部设有固体残渣拦截、加热、油水分离裝置,大大减少了机房的面积。对于位于中间部位的隔油机房内,由于不能靠重力直接排至室外总体排水管道的排水,还需在一体化油脂分离器之后增设一体化提升装置。整个隔油处理和提升设备都采用全密闭结构,大大降低了异味扩散。成品一体化油脂分离设备无需对废油、废渣进行人工清理,废油、废渣可自动收集于容器内,简化了日常维护工作、减少了对周围环境的影响。
  此外,卫星厅内餐饮大多都设在最上面几层的出发层和贵宾层,与设在-7.50 m层和±0.00 m层的隔油机房相距较远,而且上下位置不能完全对齐,厨房排水管道需要铺设很长一段距离才能接到隔油设备,而且转弯较多。排水离心铸铁管与塑料排水管相比,管道保温性能差,含油废水冷却速度较快,油污容易黏在管壁上,引起管道堵塞。因此,此次卫星厅餐饮厨房排水管采用了耐高温排水塑料管道,改变了以往浦东机场航站楼厨房排水使用排水离心铸铁管的历史。
  屋面雨水排水系统设计
  为了满足现有塔台通视要求以及建筑内部功能空间需求,卫星厅屋面设计采用三层跌落、中心区高、指廊端头低的设计。屋面最高点为39 m(S1),南指廊最低点为12.4 m,北指廊最低点为15.35 m。作为屋面主体的下两层屋面采用钢筋混凝土屋盖、最上层屋面采用金属屋盖形式。卫星厅屋面汇水面积巨大,总和为18 7940 m2。
  卫星厅屋面构造示意图
  卫星厅屋面雨水采用虹吸式雨水排水系统,设计重现期采用50 a,虹吸雨水系统和屋面雨水溢流管道系统总排水量按100 a重现期考虑。雨水管最终排至室外雨水系统。
  金属屋面虹吸雨水系统
  卫星厅中心区金属屋面和第二层混凝土次屋面距室外雨水井较远,由于各层平面不一致,大量的虹吸雨水立管在高位经横管逐步转至幕墙,沿幕墙与立柱间下落,底层无幕墙部分采用室外清水挂板包裹,最大限度保证建筑立面的统一。由于幕墙与立柱之间空隙只有300 mm,加之考虑安装和维修的要求,每根立柱与幕墙之间最多可以设置两根雨水立管,且管径不应大于DN100。此外,由于下面两层的钢筋混凝土屋面中心区高、指廊端头低的设计,其天沟以大于1.6%的坡度坡向指廊端头,最上层双曲面金属屋面天沟坡度≥4%,必须考虑每个虹吸雨水斗所承担的雨水量均衡,防止天沟内的雨水集中流向天沟标高低的下游。以上难点的破解,是屋面雨水排水系统设计的关键。
  雨水立管在柱与幕墙之间安装示意图
  设计将混凝土天沟内的虹吸雨水斗靠近柱子边设置,同一条天沟内斗与斗之间间距为18 m(同柱子间距一样)。天沟内坡度为1.6%,为了确保雨水能依自由水头均匀分配至各雨水斗,如按规范要求需要设置下沉小斗达800个以上,会增加土建的施工难度和工程造。因此,设计采用了在雨水斗后面设置200 mm高的挡板,以保证每个虹吸雨水斗所承担的雨水量均衡,防止天沟内的雨水集中流向标高低的下游。最上层金属屋面天沟约每隔30 m需设有变形缝,变形缝将整个金属天沟分为若干段,由于天沟坡度较大(坡度≥4%),需在每段金属天沟的最低处设置集水槽和虹吸雨水斗。
  混泥土屋面天沟挡板节点图
  由于混凝土屋面同一条天沟内虹吸雨水斗之间的高差为18 m×1.6%=288 mm,不能满足《建筑屋面雨水排水系统技术规程》(CJJ 142—2014)第6.1.14条“同一系统的雨水斗宜设置在同一水平面上,且用于排除同一汇水区域的雨水。”的要求,所以同一条天沟内不同高度的虹吸雨水斗需单独设一个系统,单独设雨水立管,用于排除各自汇水区域的雨水。由此,每个系统所承担的雨水量不大,确保了雨水立管管径不大于DN100,满足了雨水立管在立柱与幕墙之间的安装要求。
  金属屋面集水槽节点图
  结论
  卫星厅建筑功能多样、体量超大、占地面积巨大的超大型公共建筑,给排水系统相对复杂,系统的安全性要求高,在设计之初找准难点和关键点,有的放矢,提出对策,是项目顺利推进的保障。
  机场卫星厅的给排水系统,在系统规划、设备选择及器具安装等宏观、微观各方面,均应注重节能概念与人文关怀。
  超大型公共建筑的排水系统,仍应坚持重力流原则,必须结合项目实际情况,做适当的排水路径规划。
  超大型建筑的屋面雨水排水,一般需采用虹吸雨水系统,其中各雨水斗之间的水量平衡、雨水立管的巧妙安排等细节处理,在设计中应给予充分的重视。
  总之,机场卫星厅给排水系统在满足系统运行安全的同时,尚需满足旅客使用的便捷性以及管理维护的合理性,以此诠释机场航站楼给排水系统设计的真谛与意义。