高层建筑给水方式的优化设计及应用研究

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摘要：本文以高层建筑为对象，借鉴前人的研究成果及已有经验，研究高层建筑的给水方式，并结合工程实例，运用层次分析法分别对生活、消防给水方式的选择进行优化设计，研究成果可为同类实际工程提供参考。

关键词：高层建筑， 给水方式，层次分析法，优化

Abstract: this article with the high-rise building for objects, from the previous research achievements and experience, the research of the high-rise building water supply modes, and combined with the engineering practice, the use of analytic hierarchy process (ahp) to the life, respectively the choice of the ways of the fire water system optimization design, research results can provide a reference for similar engineering.

Keywords: high buildings, water supply way, the analytic hierarchy process (ahp), and optimization

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

1．绪论

近年来，随着城市化进程的加快，高层建筑因其占地小、空间利用充分等优点，有效解决了城市用地紧张的问题，已成为现代化城市特征的一个重要标志。

与低层建筑给水工程相比，高层建筑给水工程具有以下特点：

（1）高层建筑给水系统的静水压力较大，给水需进行合理的竖向分区, 以降低静水压力，保证系统安全运行。

（2）高层建筑的供水安全可靠性需要更高的技术保证。因为高层建筑的用水人数多、水量大，一旦停水，影响范围广。

（3）高层建筑消防系统对安全可靠性要求高。因为高层建筑引发火灾的因素多、危险大、扑救困难，且高层建筑消防系统应立足于自救。

（4）高层建筑的给水排水工程对管道及设备的防振动及噪声的要求较高。

高层建筑给水方式选择是建筑给水排水工程设计的重要组成部分，生活、消防给水方式的选择不仅直接影响到高层建筑给水排水设计的优劣，还会影响到建筑的工程造价、安全可靠性及其社会效益。对高层建筑给水方式进行优化研究，既可以增加建筑的安全可靠性，还能帮助系统节水与节能。

2.高层建筑给水供水方式

2.1高层建筑生活给水方式

按供水设备类型的不同，采用的高层建筑给水方式，一般分为三种基本类型：（1）高位水箱给水方式；（2）变频泵给水方式；（3）气压罐给水方式。

高位水箱给水设备包括水箱和水泵，各分区的给水均由高位水箱供给。具体可分为串联给水方式、并联给水方式、减压阀给水方式及减压水箱给水方式。

变频泵给水方式的主要设备为变频泵，主要分为变频泵并联给水方式和变频泵减压阀给水方式。

气压罐给水方式的主要设备为水泵和气压罐。可分为气压罐并联给水方式和气压罐+减压阀给水方式。

2.1高层建筑消防给水方式

当高层建筑消防给水静水压大于1.00MPa时，考虑到供水管道的承压能力，为保证灭火的安全可靠性，高层建筑宜采用分区消防给水系统，通常按照采用水泵、减压阀或减压水箱等方式进行分区，分为5种给水方式。

（1）消防水泵并联分区给水方式

各区分别有自己专用的消防水泵，通过消防给水管网独立供水，各消防水泵集中设置于消防泵房内。

（2）消防水泵串联分区给水方式

由消防水泵或设置在建筑的设备层或者避难层的串联消防水泵通过消防给水管网分级向各区供水。

（3）减压阀减压分区给水方式

当消防水泵的压力不超过2.4MPa时，可采用减压阀减压分区给水方式。

（4）减压水箱减压分区给水方式

当消防水泵的压力不超过2.4MPa时，还可以采用减压水箱减压分区给水方式，该种方式通常适用于设有避难层的超高层建筑。

（5）重力水箱消防给水方式

在建筑最高处或者适当位置（如避难层等）设置重力水箱，再向各个消防给水分区供水。

3.层次分析法

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP）是由美国运筹学家T. L. Saaty教授于70年代初提出来的一种针对模糊、复杂的系统分析问题进行简便、实用的多准则决策方法。一般可分为以下4个步骤：建立递阶层次结构模型；构造各层次中的所有判断矩阵；层次单排序及一致性检验；层次总排序及一致性检验。

3.1建立递阶层次结构模型

运用层次分析法进行决策排序的第一步为建立递阶层次结构模型，即把复杂问题分解为由简单元素组成的层次化的系统。这些层次是由各元素根据其属性及关系组成的，并且下一层次的元素是由上一层次的元素作为准则所支配的。模型的层次数一般不受限制，但与所分析问题的复杂程度和要求的分析详细程度有关；而每一层次中的元素一般不超过9个，以免因元素过多而造成两两比较判断时出现困难。

模型的层次总体上可分为最高层、中间层以及最底层三类：

（1）最高层：也称为目标层，因为它一般是问题所预定的目标或理想结果，只由一个元素组成。

（2）中间层：也称为准则层，可以由若干层次构成，也可以只有一层，包括实现目标所需考虑的准则以及子准则。

（3）最底层：也称为方案层，由供选择的各方案组成。

3.2构造判断矩阵

层次结构只能反映各因素之间的关系，但不能反映下一层次中各因素在上一层次中的各准则所占的比重。不同的因子在所影响的因素中所占的比重不尽相同，且不易定量化。如果每个因子都是直接考虑对所影响的因素的影响程度而没有定量化，则当某因素的影响因子较多时，容易因考虑不周全而得出与实际影响程度不同甚至隐含矛盾的数据，导致决策失败。

为解决此类问题，Saaty等人提出了将各平行因子两两比较，建立成对比较矩阵的方法，该方法可以从各个角度进行反复比较，避免了由于个别判断失误而影响最终排序的问题，从而得到一个较为合理的结果[[]]。该方法具体为：设要比较个因子对某因素的影响大小，以表示任意两个因子和对的影响大小之比，将全部的比较结果用矩阵表示，称为之间的成对比较判断矩阵（简称判断矩阵）。

构造判断矩阵A关键在于确定的值，而不同的分级标度方法确定的值得出的结果也不尽相同。Saaty等人通过大量实验在各种不同标度下进行判断，并比较分析了最后结果的正确性，实验最终得出结论为：采用数字1~9及其倒数标度最为合适。1~9标度的含义，如表3.1所示。

3. 3层次单排序及一致性检验

进行层次单排序的过程为：先计算出判断矩阵的最大特征根，以及对应的特征向量，再将特征向量W归一化，所得到的即为同一层次各因子对于上一层次某因素相对重要性的权重值。

利用构造对比较判断矩阵的方法，虽然能较为客观地比较出一对因子对上一层次中某因素的影响大小。但是，把全部的比较结果综合起来的时候，有可能会出现一定程度的非一致性。所以，需要对构造出来的判断矩阵的一致性进行检验，只有满足一致性检验方能接受A。

根据定义，如果判断矩阵A满足，，则称A为一致矩阵。此时的比较结果前后应该是完全一致的。

对判断矩阵的一致性检验可通过以下3个步骤进行：

（1）计算一致性指标。

（2）查找相应的平均随机一致性指标。可以通过以下方法得到：随机构造出500个样本矩阵，然后随机地从1~9及其倒数中抽取若干数字构造正互反矩阵，最后通过计算求得最大特征根的平均值以及RI值：

。

对，Saaty给出了的值，如表3.2所示，计算时可通过查表直接获得。

（3）计算一致性比例

若，则说明判断矩阵的一致性较好，单层次排序结果可以接受，否则需适当修改判断矩阵直至满足一致性要求。

3.4 层次总排序及一致性检验

通过进行单层次排序后，我们便可以得到下一层次中各元素对于上一层中某元素的权重向量，再自上而下的将单准则下的权重进行合成，就可以得到最低层中各方案对于目标的排序权重，从而进行方案选择。

虽然各层次都已经过一致性检验，但是综合考察时，仍有可能因为各层次非一致性的积累而导致最终结果为较严重的非一致性。所以，对于层次总排序仍需要进行一致性检验。

总排序随机一致性比例为

若，则说明判断矩阵的一致性较好，决策结果可以接受，否则需适当修改判断矩阵直至满足一致性要求。

4基于层次分析法的实例研究

4.1 工程概况

本工程为安澜亭―灰桥浦7号地块，用地面积10892，总建筑面积控制47800以内，性质为商业及办公用途。工程位于温州市鹿城区，东面是规划路，北面是沿江路，南面是株柏路，西面是军分区指挥信号楼。工程采用是“子母楼”的总体布局，上部为二幢办公楼通过扩展地下室组成一个整体，建筑基本呈南北向布置。工程效果图如图4.1所示。

本工程设一层地下室，裙房四层，部分架空，A楼五层以上是高档甲级办公楼，B楼二层以上为海运办公楼，其中A幢综合办公楼25层，B幢（海运安置）办公大楼17层。地下室层高：5.60米；A幢：一、二层层高：4.0米，三~二十五层层高：3.95米；B幢：一层层高4.0米，二~十七层层高：3.95米。办公空间为无柱的开敞空间，每层设集中卫生间。

图4.1工程效果图

4.2生活给水方式的优化设计

建立的递阶层次结构模型如下图所示。

图4.2生活给水方式递阶层次结构模型

层次结构模型建立后，需要构造判断矩阵，计算权重CR并进行一致性检验。在设计中根据本工程实例的具体情况，通过专家打分的方式广泛征求了相关专业人士、有丰富经验的设计人员及业主等各方意见，并查阅了大量的相关资料，对调查结果进行汇总整合，最终对每一层次中各因素间的相对重要性进行一定的综合判断，并构造判断矩阵。

利用层次分析法软件，可计算出判断矩阵A的最大特征根以及对应的特征向量W，再将特征向量W归一化后即可得到某一层次中各因子对于上一层次某因素相对重要性的权重值Wi，如果一致性比例CR

对调查结果汇总并构造判断矩阵如下：

其他判断矩阵与此同理，不再一一列出。

最后，根据以上两层的排序结果，可构成对总目标的层次总排序如表4.3所示。通过计算权重CR并进行一致性检验，最终得到最优选择。

层次总排序一致性检验：

=0.0349

从层次总排序及检验结果可以看出，对于本工程实例，给水方式6即变频泵减压阀给水方式的综合权重为0.2559，权重最大，即为最优给水方式。从排序中可还看出各种给水方式在该建筑给水方式选择中的优先顺序为：P6 >P8 >P2 >P3 >P5 >P7 >P4 >P1。

4.3消防给水方式的优化设计

建立的递阶层次结构模型如图4.3所示。

图4.3 消防给水方式递阶层次结构模型

对调查结果汇总并构造判断矩阵如表4.4-4.5所示。

其他判断矩阵与此同理，不再一一列出。

最后，根据以上两层的排序结果，可构成对总目标的层次总排序表4.14。通过计算权重CR并进行一致性检验，最终得到最优选择。

层次总排序一致性检验：

=0.0237

从层次总排序及检验结果可以看出，对于本工程实例，消防给水方式3即减压阀减压分区给水方式的综合权重为0.3868，权重最大，即为最优消防给水方式。从排序中可还看出各种给水方式在该建筑消防给水方式选择中的优先顺序为：P3> P2 >P1 >P5 >P4。

4实例应用

本实例运用层次分析法评价结果，采用变频泵减压阀给水方式、减压阀减压分区消防给水方式对工程实例进行了优化设计。

4.1 生活给水系统

给水系统竖向共分为4区。1区为裙房-1F~4F，由市网直供，并按水价不同分别设置水表计量。2区为办公5F~11F，由地下变频调速装置-减压阀联合供水。3区为办公12F~18F，由变频调速装置-减压阀联合供水。3区为办公19F~25F，由变频调速装置供水。给水支管入口压力大于0.35MPa的支管设置支管减压阀，生活变频设备配置气压罐。给水管道系统原理图如图4.1所示。

图4.1给水管道系统原理图

4.2 消火栓系统

消火栓系统按静水压力不大于1.0MPa分区，共分2区。1区为-1F~8F，由2区管网通过减压阀供水。2区为9F~25F，火灾初期消火栓用水由屋顶消防水箱供应，火灾期间由消火栓泵供应。消火栓管道系统图如下图4.2所示

图4.2消火栓管道系统原理图

4.2 喷淋系统

本工程除面积小于5.00 m2的卫生间、厕所和不宜用水扑救的部位外，均应设喷淋系统。喷淋系统共分2区。1区为-1F~8F，由2区管网通过减压阀供水。2区为9F~25F，火灾初期喷淋用水由屋顶消防水箱供应，火灾期间由喷淋泵供应。喷淋管道系统原理图如图4.3所示。

图4.3喷淋管道系统原理图

5总结与展望

5.1总结

（1）经层次分析法优化设计，本工程实例的最优生活为变频泵减压阀给水方式，最优消防给水方式为减压阀减压分区给水方式。

(2) 运用层次分析法对高层建筑给水方式的选择进行优化研究能得到较为满意的结果，可以很好地提升工程的设计质量和经济效益，并可为同类实际工程提供技术参考。

（3）运用评价结果，采用变频泵减压阀给水方式、减压阀减压分区消防给水方式对工程实例进行了优化设计。

5.2展望

（1）本文只是将层次分析法应用于一般高层建筑的给水方式的优化选择上，还可根据实际情况将其应用于超高层建筑及住宅小区等其他地方。

（2）对于高层建筑的给水排水系统方式的优化选择，除了层次分析法外，还可以应用其他模糊数学综合评价理论对其进行优化研究。

（3）本文建立的递阶层次结构模型只是三层结构模型，可尝试建立更多层的结构模型，另外还可以选择更多的因素作为准则层，得到的结果将更加科学、准确。

（4）可以将Matlab等数学软件与层次分析法相结合，研究出更加简单、科学的系统优化方法。

参考文献

1钱维生. 高层建筑给水排水工程[M]. 上海: 同济大学出版社, 1989

2李柞泳. 层次分析法及其研究进展[J]. 自然杂志, 1991, 14(12): 904-907

3 许树柏. 实用决策方法一层次分析法原理[M]. 北京: 天津大学出版社, 1998

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。