建筑给排水中水力计算及其优化

建筑给排水中水力计算及其优化
摘要：作为建筑的重要保障系统，建筑给水排水系统担负着保
障居民生产、生活用水，以及消防安全用水的重要职责。

进一步优化建筑给水排水水力计算，科学进行给水排水计算，对保障居民生产、生活安全意义十分重大。

水力计算是给水排水管网设计的基础，水力计算采用的计算公式或参数依管材和截面形状而异，随着给水排水管材类别和规格的增多，水力计算工作越来越繁重。

本文归纳了水头损失的计算公式，对建筑给排水水力计算中的要点进行了分析，最后提出了优化计算和设计的措施。

关键词：建筑；给排水；水力计算；给水管网；优化
abstract: as an important guarantee of the building system, building water supply and drainage system charged with the safeguard residents of production, domestic water, water for fire safety important duty. further optimization of building water supply and drainage hydraulic calculation, scientific water supply and drainage, to protect the residents of production, life safety is of great significance. hydraulic calculation is the basis for the design of water supply and drainage network, the hydraulic calculation formula or parameters differ depending on the pipe and the
cross-sectional shape, with an increase in water supply and
drainage pipe category and specifications, the increasingly heavy hydraulic calculation. this article summarizes the head loss formula, the key points in the hydraulic calculation of building water supply and drainage, the optimization calculation and design measures.keywords: architecture; supply and drainage; hydraulic calculation; water supply network; optimization
中图分类号： b032.2 文献标识码：a 文章编号：2095-2104（2013）
一、水头损失计算公式
（一）给水管道水头损失计算公式
在环状给水管网水力计算中，应符合水力计算条件。

1、节点流量连续性方程
流向任一节点的流量之和，应等于流离该节点的流量（包括节点流量）之和，即：σq=0 （1）
2、闭合环路能量方程
每一闭合环路中，以水流为顺时针方向的管段水头损失为正值，逆时针方向为负值，正值的和应与负值的和相等，即：⊿h=σh=0 （2）
按解水力方程的变量分类，环状管网计算可分为解环方程法、
解节点方程法、解管段方程法。

给水管道总的水头损失等于沿程水头损失和局部水头损失之和。

在给水管网水力平差计算中，局部水头损失一般可按沿程水头损失的百分比估算，生活给水管网为25％～30％；生产给水管网为20％；消火栓给水管网为10％。

在给水管网设计中，常用的管材种类有钢管、铸铁管（包括球墨铸铁管）、钢筋混凝土给水管、塑料给水管（硬聚氯乙烯给水管、高密度聚乙烯（hdpe）给水管）、夹砂玻璃钢给水管等等。

由于各种管材的内壁粗糙度不同，以及受水流流态（雷诺数re）的影响，很难采用一种公式进行各种材质管道的水力坡度计算。

具体设计中应参见《给水排水设计手册》推荐的各类管材的水力计算公式。

（二）排水管道水头损失计算公式
对于排水管道，无论是圆形管道或是非圆形渠道，是满流或是非ν满流，水力计算的基本公式如下：
q=νa （3）
v=c（4）
r=a/ρ（5）
c=ry/n （6）
式中，q——流量（m3/s）；
v——平均流速（m/s）；
a——过水断面积（m2）；
i——水力坡降；
r——水力半径（m）；
ρ——湿周（m）；
c——谢才系数（m0.5/s）；
n——粗糙系数。

在式（3）～式（6）中，粗糙系数n 与管道（或渠道）材料有关，过水断面积a、水力半径r、湿周ρ与管道（渠道）截面形状和充满度相关。

排水管渠的水力计算公式可分为圆形管道和非圆形渠道两大类，即圆形管道和非圆形渠道水力计算公式。

二、建筑给排水中的水力计算要点
（一）水力计算形式的分类
和多层建筑一样，高层建筑给水排水工程的水力计算总是围绕着流量，管径，水压，水头损失等几个水力要素进行的。

按管道内的水压状况可分为有压流和无压流(重力流)。

高层建筑给水系统均需要升压装置，故给水管道内的水流均属有压流；而排水系统一般是依靠重力自流，故排水管道内的水流属于重力流。

一般说来，给水管道内有压流的情况复杂一些，但任何给水管道的水力计算可以归纳为以下几类：
第一类是已知管材、管长、管件种类和数量、管中配水流量及要求的最低水压值，然后确定管道的管径。

这类计算在工程设计阶段进行。

第二类是已知管材、管长、管件、管路中流量及管径，求管路所需水压，作为选择管网增压设备的依据。

这类计算一般也在工程设计阶段进行。

第三类是己知管材、管长、管件、拟更换管路的管径、现在水压工况，需校核该工况下管中输配流量，或是在满足流量的前提下校核管路所需的水压值。

这类计算多见于对原有工程进行改扩建时的校核。

（二）给水管道水力计算
1、给水管道水力计算目的
建筑内部给水管网水力计算目的，在于确定给水管网各管段的管径，求得设计秒流量通过管段时造成的水头损失、复核室外给水管网的水压能否满足最不利处的配水点或消火栓所需的水压要求、选定加压装置所需扬程和高位水箱的设置高度。

2、给水管道设计流量
建筑给水管设计流量是确定管径和其相应压力损失的主要依据。

此流量计算正确与否，直接关系到最不利配水点所需水量、水压的保证和基建设备的投资和运营费用。

一般认为，有两种设计流量，一种是用作城市或大型住宅小区室外给水管道设计流量的最大小时流量(qh)；一种是用作室内给水管道设计流量的设计秒流量(qk)，设计秒流量又被称为最大瞬时用水量。

在近年来的工程实践中，各地的设计人员对设计秒流量公式的使用提出不少争议，我国现行采用的适用于住宅、集体宿舍、旅馆、宾馆、医院、幼儿园、办公楼、学校等建筑的生活给水管道设计秒流量计算公式为：
式中qg一一设计秒流量(l／s)；
ng一一计算管段的卫生器具给水当量总数：
a、k一一根据建筑物用途而定的系数，应按《建筑给水排水设计规范》采用。

3、生活给水管道水力计算的步骤
一般说来，高层建筑给水系统水力计算主要是围绕着以下五个水力要素进行的，即：
（1）根据建筑物类别正确选用生活给水设计秒流量计算公式，计算生活给水设计秒流量。

（2）以生活给水设计秒流量和其他用水（空调用水、试验用水。

等）之和确定设计秒流量。

（3）充分利用室外给水管网所能保证的水压。

（4）满足建筑内部给水管网最不利处配水点或消火栓所需的水压要求。

（5）根据设计秒流量、室外管网能保证的水压和最不利处配水点或消火栓所需水压三因素确定给水管管径。

4、给水管道水力计算中应注意的问题
(1)对于设计秒流量的问题，规范提供的计算公式对于卫生设备齐全的高层建筑而言，计算值偏大。

尤其当管段服务的用户数达一定规模的时候，应该适当考虑折减。

（2）经济流速的选取，工程实践中常采用：
dn=15～20mm时，v≤1.2m／s：
dn=20～40mm时，v≤1.5m／s：
dn=50～70mm时，v≤1.8m／s；
dn≥80mm时， v≤2.om／s。

（3）按管材规格选定实际管径时，所选管径不宜比计算管径小。

这主要是因为管径选小水头损失自然就偏大，在整个管网系统累加后会使系统所需供水压力增加。

（4）高层建筑内部给水系统为环状管网时，其水力计算，可先选择最不利管路，将环状断开，再按枝状网的方法步骤分别计算。

（三）排水管道水力计算
排水系统配管水力计算的目的是确定排水和通气管系的管径及相应坡度，计算的主要依据是排水设计秒流量。

计算的方法和步骤如下：
和
式中，qp一一计算管段排水设计秒流量(l／s)；
np一一计算管段卫生器具排水当量总数；
qmax一一计算管段上排水量最大的一个卫生器具排水流量(l／s)；
a一一根据建筑物用途而定的系数；
q0一一同类型的一个卫生器具排水流量(l／s)；
n0一一同类型卫生器具数；
b一一卫生器具的同时排水百分数。

三、建筑给排水水力计算的优化措施
（一）利用计算机技术
利用计算机编程技术对各种水力计算公式进行整合，编译成计算机函数程序，既可以方便单独计算某一类型规格管道的水力参数，也可以对给水管网、雨水管网、污水管网进行系统计算。

（二）自动测量技术
按我国经济发展的状况，采用自动测量技术记录，取得高层建筑常年日用水量及日排水量瞬时变化的曲线资料，随之出现更加符合高层建筑实际情况的给、排水定额，产生用概率法分析的建筑给水排水工程设计应用的设计秒流量公式(最大瞬时流量)。

（三）水力参数按照统一公式计算
管道的水力参数根据管材和截面形状的不同完全按照《给水排水设计手册》推荐的水力计算公式和管道的计算内径计算，即使对于旧的钢管和铸铁管，其水头损失也是按照流速的大小采用相应不同的公式计算，克服采用单一公式形式计算结果存在误差大的弊
病，计算成果与给水排水设计手册水力计算表的数值一致。

水力计算的优化，主要依靠广大设计人员在设计研究的工作实践中，不断随着条件(如生活水平，卫生设备的装备、人们对用水状况的要求、建筑构造等)的改变，研究新情况，解决新问题，创造新的节能、节水、安全可靠的给水排水系统方式和设计方法。

结语
建筑给水排水工程是一项系统工程，必须要统筹考虑各种相关因素，合理安排给水、排水等设施，确保给水排水工程设施高效、科学运转。

给排水中的水力计算更是其中的复杂问题，计算中要理清思路，为设计工作提供涵盖各种管材类别和规格的水力计算方法和手段，真正造福各类用户。

参考文献
[1]给水排水设计手册——常用资料[m].北京：中国建筑工业出版社，2002.
[2]陆际汉.市政给水排水管网优化计算的解决方案[j].广西城镇建设，2009.11.
[3]沈浪.建筑给排水综合管线的设计探讨[j].城市建设，2010.21。