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摘要：在住宅和商业建筑施工前，首先要做的是给水管道的设计以及给水相关参数的设置。其中给水管道参数的研究与确定是相关设计的重要组成部分。针对高层建筑给水设计，采用不同的方法对给水方案进行评价，已成为各国相关设计领域内的一种趋势。本文将通过对不同地区不同供水方法在具体建筑中的应用、对供水管道的参数确定方法进行比较，得出高层建筑供水的优化设计方法。
关键词：高层建筑 给水 案例研究
1、基本简介与研究背景
本章根据各国研究人员的成果，简要介绍了建筑给水系统流量设计的背景。计算给水系统流量的方法多种多样。用这些不同的方法来估计最接近现实的适当流量，即确定最优的方法。本次研究，旨在比较fixture unit approach及Hunter method对于高层建筑供水系统的设计的区别与适应性。[1]
1.1 研究背景
在高层建筑给水设计中，各国的研究人员发现，为，优化给水设计的相关参数，在同一时刻给水当量的评价中采用不同的模型与方法。“在建筑给水排水国际论坛（CIBW062）研讨会上，准确描述建筑物内用水的需求是一个备受讨论的话题。”[2]。建筑物供水系统中用水器具的使用方式决定了流量的设计，这不仅受到器具的种类和数量的影响，也受到高层建筑中居住者的影响。多年来，对于研究人员和设计工程师来说，建立一个适应性强、易于操作的模型是一个挑战。
1.1.1供水系统的基本组成部分
给水系统的基本组成部分有三个基本要求。建筑供水管网系统一般由管道、配水管网、调压设施(泵站、阀门)等组成。为了满足这些需求，供水系统的基本组成部分如图1.1所示。
图1.1 供水系统的基本组成部分
1.1.2供水设计优化方法的必要性
准确地表示建筑物内用水需求是一个被广泛讨论的话题。近年来，研究人员密切关注这一话题，即目前国内热水、冷水管道在给水流量的设计方法，导致了越来越多的能量过剩问题。因此，作者对相关方法进行了研究，并将不同方法应用于同一供水系统的结果进行了比较，作为本次基于多种方法的案例研究。
2、研究背景
关于城市供水，似乎越来越多的设计关注于高层建筑供水系统的设计流量。Jack比较了英国的设计标准，分别相对于BS6700和BSEN806 [2]。 Wu比较了办公楼供水负荷计算方法中的传统方法和模拟方法，其中方法分别依赖于SHASE-S 206和MSWC [3]。 C. Pimentel-Rodrigues重视建筑物供水的设计标准，该标准基于ANQIP（葡萄牙建筑服务质量和效率协会）的计算方法。 Marina S. O. Ilha将开放概率模型考虑在住宅建筑的供水设计流量模拟中。Wong指出了在同时需求的参考设计流量选择中有关流量当量的问题[4]。
3、研究方法
3.1查阅文献中可用的实验测量数据
在以往对高层建筑供水流量的研究中，研究者获得了大量的实验数据。作为对这些实验测量数据的回顾，在这一部分，作者将提到主要的文献。在给水系统的设计中，有很多关于流量的文献，并且详述不同地区的设计标准中采用的估算流量的方法，所涉及的方法主要由各供水设备的流量当量和相应的流量组成。
3.1.1 BS 6700 (英国)
BS 6700是英国的一项标准，现已不再适用，但在某些特定场景仍被工程师使用，并被BSEN 806和建筑法规引用。它将各用水当量分配给各用水设备，在加总所有当量后，对总当量与总流量建立了映射关系，从而得出管道径流。BS 6700的这种方法显然比BSEN 806中的方法更加透明，但是该方法计算出的流量经常导致分配管道过大[1]。
BS 6700就楼宇住宅供水系统的设计、安装、改装、测试及维修提供最佳实践建议。该标准囊括了各类建筑物饮用水、厨房用水、家庭洗衣用水、洗漱用水、清洁和卫生用水的管道系统、管道配件和连接设备。
3.2案例中的研究应用
在本次基于多种方法的案例研究中使用的建筑是伦敦市中心的一栋办公大楼，有16层地上层和3层地下[1]。建筑的占地面积大致如图3.1所示。供水服务主要是为座便器和门卫室以及个别残疾人士的厕所设施提供。
图3.1 案例大楼平面示意图(阴影部分为中央卫生设施)
此外，地下一层为办公室工作人员提供了“便利设施”(例如自行车存储和储物柜空间)，因此包括了一些淋浴及两个厕所。一般来说，地上每一层的洁具设置都是类似的。将前面提到的不同地区蚕蛹的方法应用到这个具体的案例中，计算设计流量。然后对各设计方法的数据进行汇总比较，得出最优设计方法。
3.2.1设计方法的比较
根据计算得出的该办公街区供水系统设计的供水负荷单元数据。对于考虑中的办公大楼，使用上述五种不同的方法计算出每个系统的总流量当量，如表3.8所示。
4、结果与讨论
基于上述方法，从5种方法中得到了具有相对累积频率的总流量数据。在这种情况下，重点是解释这些方法得出数据之间的差异。解释了产生差异的主要原因，并对这些方法进行了比较。
4.1使用Fixture Units值和Monte-Carlo模拟之后的结果
4.1.1使用Fixture Units值得出的建筑流量
根据“3 研究方法”的数据，分别选取了一个抽水马桶、一个淋浴器和一个预留扩建的排放模式作为案例研究。假设在供水系统中，使用一个管道系统进行这些估算。这些数据用于计算在前文提到的所有地区的实际项目中应用的设计流量。
为了获得总当量和设计流量的关系，尤其是在厕所、淋浴和未来扩建方面。一般来说，BS6700标准得出的给水负载比其他方法高。值得注意的是，对于小型建筑，包括单体住宅，这些差异并不是特别显著。事实上，就水管的大小而言上述差异可能无关紧要。然而，当为本文所提到的规模较大的建筑进行设计时，可以看出累积差异可能是巨大的。
对案例中的办公楼的设计总流量当量可以使用上述五种不同的方法计算，分别用于厕所、淋浴和未来扩建。计算得出的总当量和设计流量如表4.2所示。
图4.2 五种不同方法得出的设计流量
4.2 Monte-Carlo模拟的结果
采用Monte-Carlo模拟方法可以确定该特定建筑中用水器具的总设计流量。为简化计算过程，作者开发了一个程序。采用Monte-Carlo模拟的目的是为了更好地比较经验值法和概率模拟法得出的设计流量的区别。从Monte-Carlo模拟中得到的总流量的估计值，更接近于供水系统的实际值。
4.2.1不同方法得出的设计流量比较
由于本案例中供水系统的组成部分假设为使用一个给水干线，其他因素对管道设计流量的影响有限。根据在FORTRAN 90中运行的程序的输出，利用前文描述的方程，可以在4.1节中得到故障系数为0.01时对应的的每台洁具的流量。
4.2.2设计流量的结果对比
为了明确经验值法及模拟法对于流量估计的区别，流量qf (L·s?1)和流量qm (L·s?1)的相对偏差ξ如下所示，表4.9反映了以上两组数据的相对偏差。
其中，qm (L·s?1)表示Monte Carlo模拟法得出的流量值；
qf (L·s?1) 表示Fixture Units法得出的流量值；
ξ表示两者数据的相对偏差。
应用于本案例的各地区采用的方法得出设计流量纯在-19.7% 到166.3%的相对偏差。
4.3 Monte-Carlo 模拟方法的优势
需水量的性质是“可变性”或者说是“概率决定性” (W. Carson ,1979)，其会受到许多方面的影响，而在所有方面中，基于时间的模式具有明显的影响，这使得用经验值方法和Monte-Carlo模拟来估计建筑物的需水量成为可能。然而，关于排水参数的确定，这两种方法都有各自的优点和缺点。
更好地适应实际需求，但是该模型运行的准确性也取决于输入参数的准确度水平。
由于输入参数之间可能存在线性关系，因此使用此方法可能会出现一些错误，尤其是对于大型系统。与其他方法相比，Monte-Carlo模拟可能是合适的，因为它的简单性和对独立参数的要求较低。 或者更确切地说，它受输入参数限制的影响较小。
5结论和建议
利用Monte Carlo仿真模型和基于Hunter方法的流量当量研究方法，计算典型高层建筑中供水系统的设计流量。案例研究中的五种方法的结果在前文已体现出上述方法的可行性。因此，传统的经验值方法与Monte Carlo仿真模型的概率方法的比较可以进一步优化供水的设计方法。以下主要介绍了本文的主要发现和研究的局限性，最后将对未来的工作提出一些建议。
5.1主要研究结果
本次研究涵盖了经验值方法和Monte Carlo模拟方法，以便得出给定管道尺寸下的设计流量值。 在根据不同标准和规范的流量计算过程中，高层建筑中管道尺寸设计的准备估算中考虑了相对失效因子。 因此，结论似乎是供水系统实际工作的指南。 结论如下：
5.1.1两种方法的相似性
两种方法的相似之处如下：
（1）这两种方法的特点是随机的、静态的和可变的。
（2）均使用了使用失效因子确定可能的流速。
5.1.2两种方法的区别
两种方法的主要区别在于，一种采用Monte Carlo模拟方法，另一种采用基于二项分布的概率论。 由于Monte Carlo方法不需要输入参数之间的线性关系，Hunter方法要求网络中出现的流速的频率分布应该属于二项分布，并且设备彼此独立。
5.2本研究的局限性
Monte Carlo模拟方法的局限性在于这些输入数据之间可能存在线性关系，可能导致相对较大的偏差。该方法得到的结果用计算机模拟，而流量当量方法的流速由方程得到。它们不是真实情况下的实际结果。但是所有结果都可以在设计中加以考虑，这些方法的偏差可以考虑到在实际情况下可能发生的可能事实。就Hunter方法而言，该方法基于恒定的水和概率消耗的假设，建筑物给水系统中的流速的可能性可能不属于二项分布。由于上述方法的固有属性可能使得结果不适用某些建筑物中的特殊情况。
参考文献
[1]K. W. Mui and L. T. Wong, “A comparison between the fixture unit approach and Monte Carlo simulation for designing water distribution systems in high-rise buildings”, J. of Water SA, Vol. 37, No. 1, pp. 109-114, January 2011.
[2]L. Jack, S. Vaughan, “Comparison of Design Methods for Water Supply Pipework: A Case Study Analysis”, J. of CIB W062 Symposium 2015, Vol. 2, pp.284-292, 2015.
[3]G.Z. Wu, K. Sakaue, K. Hayakawa, S. Murakawa, “Verification of Calculating Method using the Monte Carlo Method for Water Supply Demands: the Water Consumption of Mixed-use Building for Rent”, J. of CIB W062 Symposium 2015, Vol. 2, pp.306-318, 2015.
论文作者:黄佳欢
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第28期
论文发表时间:2018/12/31
标签：方法论文; 流量论文; 供水系统论文; 当量论文; 用水论文; 管道论文; 建筑论文; 《建筑学研究前沿》2018年第28期论文;