高层建筑薄壁大吨位不锈钢屋顶水箱应用研究

近年来在一些建筑成套化改造或者加层时，经常碰到砼水箱自重大，建筑结构无法承受，且施工周期长，影响正常供水等情况。我们在某幢12层高层住宅结合大修加层至14层时，就遇到了这一问题。在拆除2只屋顶砼水箱后续建时发现需再建的砼水箱自重30t，装满水后总重达90余t，墙体结构难以承受。为此，我们设计了两组圆柱型高强度薄壁不锈钢水箱组，每组3只并列安装，单只水箱容水量为12m3，但每只水箱重仅1.5t，有效地减轻了自重，解决了这个难题。

该屋顶水箱实际运行两年来，一切技术状况良好，体现出安装便捷，清洁卫生，管理方便，使用周期长等特点，运行中还可灵活切换投入水箱的个数，既增加了供水安全可靠性，又避免了水质二次污染，且造价低，与同容积砼水箱造价相比，节约经费19.80万元。现将超薄型大吨位不锈钢屋顶水箱组设计应用有关问题归纳如下。

1 薄壁不锈钢屋顶水箱钢种选择与强度质量、理化稳定性的要求

以较大容量的薄壁不锈钢屋顶水箱组，取代传统的钢筋砼水箱，首先着眼点是自重轻，强度大。另一个关键则为确保一个储水容器自身不污染水质，钢种在长期运行中，必须具备对人体卫生、安全、无害。

1.1 不锈钢水箱的强度质量

由于我们设计的不锈钢水箱组，选用的板厚为0.8mm～1.0mm，如此厚度，贮存大容量液体后能否达到强度上的要求，引起一些人的怀疑，有关技术资料和设计数据表明，用料厚度虽然较薄，但材料具有强度高，韧性大，延伸性好的特点，只要把握好生产制作中的关键，设计制作大容量不锈钢储水容器无可非议，可以获得成功。

1.2 不锈钢种的理化稳定性

高层建筑不锈钢屋顶水箱，作为几百家住户的一个储水容器，水质的污染与否直接影响到人民身体健康，应在长期的运行过程中，不氧化、不生化，免于锈蚀和重金属铬、镍离子的生成析出。为此，我们设计制作不锈钢种日本牌号为SUS304(相当于国产OCi18Ni9牌号)，从SUS304资料说明可以看出，该类钢种属奥氏体不锈耐酸钢，有良好的耐腐蚀性能和金属压延性能，对强氧化酸有耐腐蚀性。由此可见，以此作水箱体材料，完全可以抵御运行中低浓度氯酸(HCl)，次氯酸(HClO)，弱氧化性碳酸（H2CO3）等酸的作用，保障了水容器不污染水质的前提条件。

2 不锈钢水箱组设计布置方式和水力计算依据

2.1 确定水箱组的布置方式

因建筑呈Z字状长条型，且住户多，平均每层23户，大楼改造前，采用同一泵组同时向两个砼屋顶水箱供水。虽然在离泵房供水管路较长的2号水箱内，安装了液位控制器，且两个水箱进水还辅以水位控制浮球阀，但由于水压差异，进水量不均，经常造成球阀杠杆断裂失控而溢水，有时两个屋顶水箱用水量悬殊，使其中一个水箱断水，影响住户的用水环境。对此，我们结合大楼加层大修以及适应大楼屋顶平面，对两组不锈钢屋顶水箱进行重新设计布置，采用并联式水箱组，且在两组水箱之间安装连通环流管(见图1)，使两组水箱蓄水互补，高程平衡，杜绝两水箱组因进、出水量差异产生的常见顽症，断、溢水事故。

2.2 不锈钢水箱组贮水量的计算

2.2.1 计算本大楼给水总秒流量，确定屋顶水箱生活蓄水容积

大楼加层改造后按两个竖向分区供水，上区(3层～14层)屋顶水箱上行下给式供水，住户数n为286户，下区(地下室～2层)下行上给式市政管网直接供水。该高层住宅给排水、卫生盥洗设施较为完善，核算户用水当量Ng为6.0N。

上区用水总当量：N∑＝Ng×n

＝6.0×286

＝1716（N）

设计上区秒流总量：Qg＝α×0.2+KN∑ (α取1.02,K取0.004 5)

根据建筑物类别性质定Qg＝1.02×0.2×1 716+0.0045×＝16.17（L／s）。

所以无调节贮水箱容积时，需求供水量为16.17L／s，即58.2m3／h。

计算水箱生活蓄水最小容积Vt：

Qgh为设计秒流量，折算为最高时需要量58.2m3／h；

Qb为水泵输出流量(在水泵Q～H特性曲线上查得中扬程时输出流量）23.8m3／h；

T为设计秒流量的持续时间，按0.5h计算；

Tb为水泵最短运行时间，按0.25h计算。

Vt＝(Qgh-Qb）×T+Qb×Tb

Vt＝（58.2-23.8）×0.5+23.8×0.25

＝23.2m3

根据以上计算得屋顶水箱贮水容量Vt必须大于23.2m3。为安全供水，确保生活蓄水高程和扩大液控调节范围，结合实践经验Vt定为48m3为宜。

2.2.2 消防自救蓄水容量的计算

此建筑归于二类高层建筑，室内配备消火栓防火设施每股(50-19双头消火栓）系统设计流量8L／s～10L／s，现配备3股系统，则其消防给水总量Qgx为30L／s。屋顶不锈钢水箱组应同时满足储存T初=10min的自救消防水量。

则其贮水量：Vx＝Qgx×T初

＝30×10×60／1000

＝18(m3)

依据消防规范当室内消防用水量超过25L／s，经计算水箱消防贮水量超过18m3时，仍可采用18m3。在实际运作中，按两组6只水箱分布贮水，加之屋顶水箱与消防输出管距箱底应留有适当距离，为保证消防设施硬件可靠，我们将每只水箱贮水量增加1m3，则确定消防自救贮水量为24m3。

2.3 设计制作薄壁不锈钢水箱的形体要求

经计算该建筑屋顶贮水箱总容量为72m3(生活48m3、消防24m3)，6只水箱分别贮水，每只水箱有效容量应保证在12m3。鉴于水箱在外省市制作加工，水箱组总重仅3t，不难运输，但设计形体结构必须符合交通运输、安装和管理上需求，不然会带来麻烦，我们以4t普通载重货车为运输工具，为此设计单个水箱为圆柱形，直径2.6m，总高2.8m，箱底呈0.05m抛面，上口人孔为1.2m(见图2)。因考虑周全，虽然运输长途跋涉到现场安装，但以后运行管理，都没出现任何麻烦。

1 箱体 2 进水管 3 液控引入孔 4 消防管

5 生活水管 6 排污管 7 人孔盖

8 起吊环 9 溢水管 10 压水加强筋

3 薄壁不锈钢屋顶水箱组的实效

3.1 经济指标比较

薄壁不锈钢水箱与砼结构水箱及其他种类水箱相比较，目前大容积水箱单价：不锈钢水箱0.2万元／m3～0.25万元／m3，奥金水箱0.25万元／m3～0.30万元／m3。若采用单个水箱贮水量36m3砼结构水箱20万元/只(建筑结构部分计入)，有关主管部门指定选用的普通玻璃钢水箱17万元/只，而我们选用水箱组两套造价仅为19.6万元，显而可见不锈钢水箱的价格优势。

3.2 安装便捷，切换方便，保障供用水安全可靠

不锈钢水箱制作工厂化，自重轻，安装便捷。这次设计容量为12m3，底部呈0.05m抛面，意在底板能够获得足够的支承面，安装时底部周边范围内，用水泥砂浆或者细石砼铺垫，可保证板与支承面接触紧密。

由于采用水箱组并联供水，生活和消防蓄水兼容一水箱组，其中任一只水箱一旦需抢修、清洗时，另两只水箱照样维持供水，当消防需要时，生活水也可补充消防用水，增加了供用水的安全可靠性。

3.3 减少水质二次污染机会

在给水系统设计时，我们特别注意到对消防蓄水的“死水”现象和水箱进出水分层流动“停滞区”的防治。屋顶水箱内分区给水管制成虹吸装置，进出水管安装平面位置有意参差分布，同时还将进入箱体内的管材改成UPVC管，防止锈蚀污染。水箱组又是圆柱并且立式安放，即便产生沉污，排污阀一开即可解决。实践证明，这些措施到位，“死水”和“停滞区”现象消除，促进了箱内水体全方位流动，加之不锈钢水箱内壁光滑，污垢、藻类等无法附着，又一污染环节被杜绝。两年的运行表明，箱底结垢(砂粒、粘土、有机质等)比砼水箱显著减少，水质清纯，住户反映良好，改善了用水环境，为维护广大百姓身体健康起到积极作用。

4 应该注意的几个问题

4.1 大吨位薄壁不锈钢水箱运输、安装过程必须谨慎细致

大吨位水箱由于是“泡货”，在运输吊装时更要注意不得碰撞，以防变形，使焊缝开裂，严禁重力敲打，万一出现差错，现场很难修复；箱体管道连接时应顺螺纹缓缓旋紧；鉴于箱壁相对较薄，施工时管子钳切勿用力过猛；管道连接处水箱内应衬以加强板保护，提高接头强度。箱体宽度、高度设计，应考虑公路、隧道、桥涵等汽车运输所允许的技术规范。

4.2 避雷设计方式和计算

因不锈钢水箱组在高层建筑的最高、最突出位置，对其避雷设施，以预防直接雷为主，采用避雷针和避雷网带相结合的防雷保护装置，避雷带可沿水箱组上口边缘敷设，与建筑物避雷带相连接。有效的避雷针装置对直接雷放电灵敏，可安全地将雷电符导入大地，避雷针可安装在不锈钢水箱组居中位置，引下线沿建筑物的屋顶和墙壁敷设，直接与避雷接地装置可靠连接，避雷针设计技术条件高度，保护范围，制作要求如图3所示。

4.3 水箱组防冻保温措施

高层住宅建筑用水状况区别于一般多层住宅，住户多，人口集中，日用水周期长，因此水箱内水体全日保持流动状态。即使处于隆冬腊月，也未曾有结冰现象。1990年底上海突遇百年未遇的寒流袭击，我们管理的40余幢高层建筑发生90余处管道严重冻裂事故均发生在消防管道系统，-问题是出在“死水”。但这次不锈钢水箱组未采取保温措施，使用两年来，也经历了最低气温-8℃考验，安然无恙。考虑到留有余地，我们安装时两水箱间空出20cm间距，便于物业管理部门再做防冻保温措施。

管理、检修安全问题

在运行过程中，发现利用液位控制器进行水位自动控制较为理想，但浮球绳与水箱壁极易磨损，影响控制效果，所以在绳子穿越箱壁时，中间应加护围保护。由于不锈钢水箱用材厚度较薄，为了便于管理人员巡视检修，应专门设置铝合金爬梯。对于顶部人孔防护盖，应做到固定牢靠，开关方便，以防大风和其他原因丢失。