高層建筑燃?xì)夤?yīng)設(shè)計(jì)中的問題及控制對策研究

龍森

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100043）

1 引言

隨著城市經(jīng)濟(jì)水平的提升，高層建筑成為滿足新時(shí)期居民生活的重要建筑結(jié)構(gòu)。但是為進(jìn)一步完善高層建筑的供電、供氣性能，還應(yīng)做好建筑物燃?xì)夤?yīng)設(shè)計(jì)工作，確保燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的安全性、可靠性。在此背景下，本文就當(dāng)前階段高層建筑燃?xì)夤?yīng)設(shè)計(jì)中存在的問題展開討論，借此針對性地排查燃?xì)庠O(shè)計(jì)隱患，提升高層建筑燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平。

2 高層建筑燃?xì)夤?yīng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容

1）高層建筑中，燃?xì)庠O(shè)計(jì)應(yīng)堅(jiān)持自低向高的基本原則，所以，可將調(diào)壓系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置在建筑物外部結(jié)構(gòu)中，為后期維護(hù)創(chuàng)造良好條件。

2）高層建筑物中的廚房是設(shè)置燃?xì)夤芫€的主要區(qū)域，可分別在電梯出口處、天井槽兩側(cè)布設(shè)燃?xì)夤芫€，使其與建筑物整體設(shè)計(jì)相互協(xié)調(diào)[1]。

3）設(shè)計(jì)燃?xì)夤芫畷r(shí)，還應(yīng)強(qiáng)調(diào)專道專用，避免與其他管井混合安裝。管井材料應(yīng)具有較強(qiáng)的耐火性，周圍應(yīng)設(shè)有通風(fēng)口。在此期間，還應(yīng)重視燃?xì)夤芫姆缆┰O(shè)計(jì)，避免因燃?xì)庑孤﹩栴}而誘發(fā)安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。

4）高層建筑燃?xì)庠O(shè)計(jì)中，燃?xì)饬⒐芤话憧煞笤O(shè)在建筑物外墻、生活陽臺、管道井上，相關(guān)人員應(yīng)根據(jù)高層建筑燃?xì)夤?yīng)的實(shí)際需求，合理選擇立管敷設(shè)位置。但是相較于其他敷設(shè)方式，室外敷設(shè)燃?xì)饬⒐艿陌踩愿鼜?qiáng)，且不會因鉆孔、管道安裝而影響室內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)。

3 高層建筑燃?xì)夤?yīng)設(shè)計(jì)中的問題

3.1 附加壓力問題

燃?xì)夤?yīng)過程中，高層建筑需承受較多的附加壓力，所以，在燃?xì)夤?yīng)設(shè)計(jì)中，還應(yīng)嚴(yán)格控制燃?xì)鈮毫Σ▌?，減少燃?xì)飧郊訅毫θ細(xì)馐褂迷斐傻挠绊憽?jù)了解，高層建筑供應(yīng)燃?xì)赓Y源時(shí)，附加壓力會引起死火、脫火等問題，導(dǎo)致燃?xì)馐褂眠^程中存在安全隱患，無法滿足居民使用天然氣燃具的相關(guān)要求[2]。燃?xì)夤?yīng)設(shè)計(jì)中，附加壓力超出標(biāo)準(zhǔn)范圍后會導(dǎo)致天然氣燃熱效率降低，產(chǎn)生燃燒不穩(wěn)定的情況，脫火后則會引起爆炸風(fēng)險(xiǎn)，難以保障居民的人身安全。

3.2 建筑物沉降風(fēng)險(xiǎn)

1）高層建筑室內(nèi)沉降量大于室外時(shí)，燃?xì)夤?yīng)管道局部應(yīng)力則會增加，管道受力不均勻。建筑物室內(nèi)外沉降差過大時(shí)，還會導(dǎo)致燃?xì)夤芗D(zhuǎn)、焊縫斷裂的情況，繼而出現(xiàn)天然氣泄漏問題。

2）室外沉降量過大時(shí)，燃?xì)夤艿罆S室外沉降而下沉，管道下沉后燃?xì)庖牍芫植繎?yīng)力偏大，相連的附屬管道、設(shè)備受損，同樣會造成漏氣問題[3]。

3.3 建筑位移問題

高層建筑是指高度大于31 m的建筑物，建筑物高度過大時(shí)，高層建筑會承受較大的風(fēng)荷載，過大的風(fēng)荷載會導(dǎo)致高層建筑出現(xiàn)水平位移情況。建筑位移同樣會作用于高層建筑燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)，影響燃?xì)庀到y(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。對此，相關(guān)人員在設(shè)計(jì)燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)充分考慮高層建筑的風(fēng)動力，靈活地根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)特征布設(shè)燃?xì)夤?yīng)管道。

4 高層建筑燃?xì)夤?yīng)設(shè)計(jì)問題的控制對策

4.1 合理控制附加壓力

1）高層建筑每隔6層可將節(jié)流閥設(shè)置在燃?xì)饬⒐苌希源颂嵘細(xì)饬⒐芫植康淖枇?，緩解燃?xì)夤?yīng)時(shí)的附加壓力。但供應(yīng)燃?xì)鈺r(shí)，由于燃?xì)饬髁烤哂锌勺冃?，局部阻力變化后無法準(zhǔn)確控制燃?xì)鈮毫χ?。所以，在此基礎(chǔ)上，相關(guān)人員還應(yīng)在燃?xì)饬⒐苌显俅伟惭b低壓調(diào)壓器，用低壓調(diào)壓設(shè)備消除燃?xì)夤?yīng)時(shí)的附加壓力。燃?xì)夤?yīng)設(shè)計(jì)中，低壓調(diào)壓器可設(shè)置在燃?xì)饬⒐芑蛉細(xì)饬⒐軝M向支管上。

2）通過消除立管自重的方式控制熱膨脹后燃?xì)饬⒐芩纬傻耐屏?。對此，相關(guān)人員可結(jié)合高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每隔幾層在立管中間設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，用支撐結(jié)構(gòu)分解立管所承受的推力與自重[4]。

3）在滿足高層建筑低層用戶燃?xì)庑枨蟮幕A(chǔ)上，通過降低調(diào)壓箱出口壓力控制附加壓力。對此，設(shè)計(jì)人員可采用改變立管管徑的方式使燃?xì)夤艿雷枇υ黾?。具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。為確保附加壓力控制的可靠性，在設(shè)計(jì)高層建筑燃?xì)鈺r(shí)，還應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行水力計(jì)算，制訂符合燃?xì)忭?xiàng)目供應(yīng)需求的調(diào)壓變徑方案。正式通氣前，還需要測量燃具前壓力，并結(jié)合實(shí)際情況，將超壓值控制在3 000 Pa、1 500 Pa以內(nèi)。

表1 高層建筑增加燃?xì)夤艿雷枇r(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)

4.2 有效預(yù)防建筑物沉降

為解決高層建筑燃?xì)夤?yīng)設(shè)計(jì)中的建筑物沉降問題，相關(guān)人員應(yīng)通過沉降補(bǔ)償?shù)姆绞奖Ｕ辖ㄖ姆€(wěn)定性，使燃?xì)饽軌虬踩㈨樌匾虢ㄖ飪?nèi)。具體來說，沉降補(bǔ)償是在燃?xì)夤?yīng)設(shè)計(jì)中用彈性補(bǔ)償彎頭優(yōu)化燃?xì)庖牍茉O(shè)計(jì)，緩解建筑物沉降后外部應(yīng)力對管道的作用力。目前，常用的彈性補(bǔ)償彎頭包括套筒式、波紋式兩種。相關(guān)人員可結(jié)合高層建筑所處區(qū)域勘測周圍環(huán)境系數(shù)選擇適當(dāng)?shù)膹椥匝a(bǔ)償彎頭[5]。

利用彈性補(bǔ)償彎頭對燃?xì)夤艿肋M(jìn)行沉降補(bǔ)償時(shí)，還應(yīng)按照高層建筑實(shí)際沉降情況制訂補(bǔ)償方案。

1）高層建筑室內(nèi)沉降量較大時(shí)，相關(guān)人員可在建筑物封頂后進(jìn)行燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)，同時(shí)在引入管區(qū)域設(shè)置彈性補(bǔ)償彎頭、撓性管，用該類構(gòu)件補(bǔ)償因建筑物沉降而使燃?xì)夤艿佬纬傻奈灰撇睿細(xì)夤艿酪驊?yīng)力分布不均勻而出現(xiàn)的破損風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)防燃?xì)夤?yīng)階段的漏氣問題。

2）室外沉降量過大時(shí)，燃?xì)夤?yīng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)與施工方進(jìn)行溝通，要求后期施工中施工單位應(yīng)夯實(shí)回填土，確?；靥钔恋拿軐?shí)度，然后安裝燃?xì)夤艿?，降低漏氣風(fēng)險(xiǎn)。

3）高層建筑地基沉降時(shí)，燃?xì)夤?yīng)設(shè)計(jì)可通過金屬軟管補(bǔ)償燃?xì)夤艿溃瑫r(shí)增加管道布設(shè)時(shí)的鉆孔尺寸，以此減少建筑物沉降對燃?xì)夤?yīng)造成的影響。

在此過程中，由于高層建筑地面沉降與管線沉降不同步，且下沉幅度存在差異，而燃?xì)夤芫€下沉是因高層建筑沉降導(dǎo)致的，因此，應(yīng)用彈性補(bǔ)償彎頭時(shí)，由于該構(gòu)件接頭撓度的變化，可用于計(jì)算管線下沉量，幫助相關(guān)人員掌握建筑物的沉降量，針對性地整改燃?xì)夤艿拦?yīng)設(shè)計(jì)方案，預(yù)防燃?xì)夤芫€下沉造成的安全隱患。

4.3 加強(qiáng)建筑水平位移的控制

風(fēng)荷載、地震是引起高層建筑位移的主要因素，而建筑物水平位移會導(dǎo)致建筑體振動頻率增加，影響燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。所以，在燃?xì)夤?yīng)設(shè)計(jì)中，不僅需要加強(qiáng)建筑水平位移的控制，還應(yīng)重視燃?xì)夤艿赖目拐鹪O(shè)計(jì)。

1）風(fēng)荷載和地震會增加高層建筑頂層結(jié)構(gòu)的位移變化值，設(shè)計(jì)燃?xì)夤艿罆r(shí)，相關(guān)人員可選擇具有抗震性能、質(zhì)地較輕的管道材料。

2）燃?xì)饬⒐芸稍鲈O(shè)震動傳感器，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)建筑物震動問題，從而采取相應(yīng)的應(yīng)急手段，控制燃?xì)獍踩鹿省?/p>

3）將波紋補(bǔ)償器安裝在燃?xì)夤艿郎?，借此?yīng)對高層建筑水平位移、振動時(shí)出現(xiàn)的管道受力不均勻等問題。

4.4 優(yōu)化管道固定、熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)

高層建筑燃?xì)夤?yīng)設(shè)計(jì)中，由于建筑物過高，燃?xì)庀到y(tǒng)中的立管較長，管道自重大。為使燃?xì)夤艿朗芰鶆?，減小燃?xì)夤艿赖膲嚎s應(yīng)力，還應(yīng)通過管道固定及支撐設(shè)計(jì)使燃?xì)饬⒐墚a(chǎn)生的壓縮應(yīng)力均勻分布。首先，在燃?xì)饬⒐艿撞吭O(shè)置支架，用于承擔(dān)立管自重；然后，使用可活動的立管支架承擔(dān)立管因建筑風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。但是，為保障高層建筑立管支架設(shè)計(jì)的科學(xué)性，還應(yīng)嚴(yán)謹(jǐn)控制立管支架間距，見表2。

表2 燃?xì)饬⒐芑顒庸苤Ъ荛g距設(shè)計(jì)

高層建筑布設(shè)燃?xì)饬⒐軙r(shí)，施工環(huán)境也會導(dǎo)致燃?xì)夤艿莱霈F(xiàn)極限變形情況，所以，需要通過熱補(bǔ)償?shù)姆绞綉?yīng)對立管變形問題。高層建筑燃?xì)夤?yīng)設(shè)計(jì)中，燃?xì)饬⒐艹Ｓ玫臒嵫a(bǔ)償裝置包括波紋補(bǔ)償器、方形補(bǔ)償器兩種。其中，波紋補(bǔ)償器可直接通過吸收補(bǔ)償器管壁的彈性變形量控制立管伸縮量，具有占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢。

方形補(bǔ)償器則是利用柔性彎頭、鋼管彎制對立管進(jìn)行自然補(bǔ)償，具有補(bǔ)償能力強(qiáng)、安裝便捷、使用周期長、補(bǔ)償量大等優(yōu)勢。例如，當(dāng)燃?xì)饬⒐芄潭ㄖЪ荛g距為30 m時(shí)，有空調(diào)房、管道井溫度分別處于20℃、30℃時(shí)，燃?xì)饬⒐軣嵘炜s量分別為7.3 mm、10.8 mm，方形補(bǔ)償器的補(bǔ)償量分別為3.6 mm、5.4 mm；當(dāng)燃?xì)饬⒐芄潭ㄖЪ荛g距為45 m時(shí)，有空調(diào)房、管道井溫度分別處于20℃、30℃時(shí)，燃?xì)饬⒐軣嵘炜s量分別為10.8 mm、16.2 mm，方形補(bǔ)償器的補(bǔ)償量分別為5.4 mm、8.1 mm，可滿足高層建筑燃?xì)夤?yīng)時(shí)的熱補(bǔ)償要求。

4.5 優(yōu)化燃?xì)夤?yīng)安全設(shè)計(jì)

1）連接建筑物各區(qū)域的燃?xì)夤艿罆r(shí)，相關(guān)人員應(yīng)采用焊接的方式，用可靠的焊接手段控制燃?xì)庑孤╋L(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)人員應(yīng)提前在使用燃?xì)獾慕ㄖ臻g內(nèi)安裝泄漏報(bào)警裝置、燃?xì)庑孤┣袛嘌b置，其中，切斷裝置可直接安裝在天然氣的引入管上，并與燃?xì)庑孤﹫?bào)警裝置相互聯(lián)動，及時(shí)發(fā)送報(bào)警信號，以此確保燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的安全管理效果。

2）燃?xì)夤?yīng)設(shè)計(jì)過程中，還應(yīng)嚴(yán)把設(shè)計(jì)質(zhì)量關(guān)，重點(diǎn)加強(qiáng)管溝設(shè)計(jì)、管線設(shè)計(jì)等方面的質(zhì)量管理。同時(shí)結(jié)合實(shí)際情況分析高層建筑的土質(zhì)條件，準(zhǔn)確計(jì)算管道敷設(shè)時(shí)管道的開挖深度，科學(xué)選定燃?xì)夤?yīng)時(shí)各構(gòu)件的設(shè)計(jì)值。

3）合理選擇燃?xì)夤懿模靡?guī)格適宜、質(zhì)量合格的管材建設(shè)高層建筑燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)，為居民安全、穩(wěn)定地提供燃?xì)赓Y源。需要注意的是，敷設(shè)燃?xì)夤艿罆r(shí)，相關(guān)人員還應(yīng)減少管道的安裝應(yīng)力，高層建筑燃?xì)庠O(shè)計(jì)時(shí)，管卡固定、鋼管焊接都會增加燃?xì)夤艿缿?yīng)力；而管線應(yīng)力增加后則會因外力而偏移原有管位，引起立管傾斜問題，所以，必要時(shí)需要在燃?xì)庖牍軈^(qū)域增設(shè)柔性接頭。

5 結(jié)語

綜上所述，為確保高層建筑內(nèi)燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行，相關(guān)人員還應(yīng)針對燃?xì)夤?yīng)設(shè)計(jì)中的建筑物沉降、位移等現(xiàn)實(shí)問題優(yōu)化建筑燃?xì)夤?yīng)設(shè)計(jì)，消除燃?xì)庠O(shè)計(jì)質(zhì)量隱患。同時(shí)加強(qiáng)燃?xì)夤艿拦潭?、補(bǔ)償及調(diào)壓設(shè)計(jì)，重視高層建筑燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的安全管理，為居民創(chuàng)造良好的居住環(huán)境，有效降低高層建筑燃?xì)夤?yīng)階段的質(zhì)量、安全風(fēng)險(xiǎn)。