劉楠

（北京市設(shè)備安裝工程集團(tuán)有限公司）

建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)是建筑物在使用期間提供合適空氣溫度和濕度的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是保證建筑使用者工作和生活舒適度的重要物質(zhì)保障，建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)局域自身獨(dú)特的特點(diǎn)，比如制冷制熱等設(shè)備眾多、管道直徑大小不一、管道線路長(zhǎng)、管道密集、管道存在交叉和并行現(xiàn)象，因此，在施工中，對(duì)于暖通管道的施工技術(shù)問(wèn)題的研究尤為重要[1]。其中，解決管道的應(yīng)力和變形問(wèn)題是保證管道施工質(zhì)量、敷設(shè)效果和管道運(yùn)營(yíng)質(zhì)量的重要前提。這是因?yàn)楣艿涝阡佋O(shè)的過(guò)程中，在水平方向和垂直方向?yàn)榱藵M足跨越要求，往往采取大跨度施工，同時(shí)長(zhǎng)距離的管道需要采用法蘭連接，為了適應(yīng)建筑物的形狀的不規(guī)則變化，管道也要設(shè)置不同的彎曲角度，這些原因都會(huì)導(dǎo)致管道應(yīng)力和形變，使得建筑暖通空調(diào)管道在使用期間存在變形、破裂、泄露等風(fēng)險(xiǎn)，不僅影響建筑物的使用性能，而且增加的了暖通空調(diào)的維修成本[2-3]。本文嘗試結(jié)合實(shí)際工程案例，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的手段，對(duì)影響管道應(yīng)力和變形的施工關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)研究，以達(dá)到施工階段控制管道受力過(guò)大和位移變形的目的，研究成果可以應(yīng)用有復(fù)雜條件下建筑工程暖通空調(diào)管道安裝。

1 工程概況

北京市某中醫(yī)院南區(qū)EPC 項(xiàng)目總占地20880.00m2，總建筑面積為72646.40m2，項(xiàng)目建設(shè)門(mén)診住院綜合樓地上17 層、地下2 層，后勤綜合樓地上10 層、地下2 層，發(fā)熱門(mén)診樓地上2 層，地庫(kù)2 層，項(xiàng)目效果圖如圖1 所示。本工程涉及的專(zhuān)業(yè)較多，須充分考慮主體工程、裝飾裝修、暖通空調(diào)、設(shè)備安裝、供電照明、醫(yī)療專(zhuān)項(xiàng)等各項(xiàng)交叉施工，同時(shí)設(shè)備較多、管線布置極為復(fù)雜。門(mén)急診樓、住院綜合樓及后勤綜合樓暖通空調(diào)系統(tǒng)冷源采用3 臺(tái)冷水機(jī)組+燃?xì)庹婵諢崴畽C(jī)組，空調(diào)末端采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)，采用吊頂式新風(fēng)機(jī)，中庭采用分層空調(diào)，氣流組織部分采用側(cè)送頂回的方式；在低壓配電系統(tǒng)中，低壓配電系統(tǒng)采用～220/380 V 放射式的方式，消防負(fù)荷采用雙電源供電，工程接地型式采用TN-S 保護(hù)系統(tǒng)。等電位聯(lián)結(jié)與防雷接地共接地網(wǎng)。

圖1 北京市某中醫(yī)院南區(qū)EPC項(xiàng)目

2 法蘭安裝位置對(duì)建筑工程暖通管道應(yīng)力及變形影響分析

為研究法蘭安裝位置對(duì)暖通管道應(yīng)力的影響，選取施工段2根6m長(zhǎng)的暖通直管道進(jìn)行應(yīng)力分析，管道直徑為273.1mm，管道壁厚12.7mm，管道材質(zhì)為A53 Grand B，管道工作壓力為2MPa，管道腐蝕裕量為1.7mm，其中1根直管道不安裝法蘭，作為對(duì)照組，另1 根直管道安裝重量為2kg、長(zhǎng)度為40cm 的法蘭，并將法蘭安裝位置從直管道一端向另外一端按0.5m 間隔移動(dòng)。管道工作溫度為正常室溫25℃，管道兩端均為固定約束[4-6]。

圖2 為暖通直管道安裝法蘭與未安裝法蘭一次應(yīng)力最大應(yīng)力比率曲線對(duì)比。從圖2 中可以看出，在未安裝法蘭時(shí)，暖通直管道沒(méi)有法蘭重力外荷載，因此其管道一次應(yīng)力最大應(yīng)力比率為恒定值，為8.2%，而在安裝法蘭時(shí)，法蘭從起始端（0m）向終點(diǎn)端（6m）移動(dòng)的過(guò)程中，一次最大應(yīng)力比率表現(xiàn)為對(duì)稱(chēng)曲線，法蘭安裝在直管道中間位置時(shí)，其的一次應(yīng)力最大應(yīng)力比率最小，大小為7.2%，小于未安裝法蘭的直管道一次應(yīng)力最大應(yīng)力比率，這是因?yàn)榇藭r(shí)的直管道兩端為固定約束，承擔(dān)了更多的法蘭重量，法蘭安裝位置從中間位置向直管道兩端移動(dòng)時(shí)，管道一次應(yīng)力最大應(yīng)力比率明顯比為未安裝法蘭的直管道一次應(yīng)力最大應(yīng)力比率，且管道一次應(yīng)力最大應(yīng)力比率表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)。

圖2 暖通直管道安裝法蘭與未安裝法蘭應(yīng)力比率曲線對(duì)比

表1和圖3為不同位置安裝法蘭時(shí)暖通直管道的撓度曲線，圖中負(fù)值表明變形向重力方向。從圖3 中可以看出，所有工況條件下暖通直管道的撓度曲線均呈現(xiàn)為對(duì)稱(chēng)的拋物線型，在管道兩端的撓度近似為零，在管道的中部撓度最大；法蘭從暖通直管道中部向兩端移動(dòng)時(shí)，隨著偏移距離的增加，管道的撓度不斷減小，且降低幅度越來(lái)越大，法蘭在安裝在暖通直管道中間位置時(shí)，撓度為0.86mm，而在法蘭偏離3.0m 時(shí)，撓度為0.42，降低幅度約為51%。

表1 不同位置安裝法蘭時(shí)暖通直管道撓度測(cè)試結(jié)果

圖3 不同位置安裝法蘭時(shí)暖通直管道撓度曲線

3 管道水平彎頭角度和施工溫度對(duì)建筑工程暖通管道應(yīng)力影響分析

為了研究水平彎頭角度和溫度對(duì)建筑工程暖通管道的應(yīng)力影響，選取15 種不同的水平彎頭角度，彎頭角度的變化范圍從15°至145°不等，角度增量為10°，同時(shí)考慮3 種不同的施工溫度工況影響，施工溫度分別為35℃、25℃和15℃[7]。管道的直徑為273.1mm，管道壁厚為12.7mm，管道材質(zhì)為A53 Grand B，管道工作壓力為2MPa，管道的腐蝕裕量為1.7mm。

表2和圖4為管道一次應(yīng)力最大應(yīng)力比率隨著水平彎頭角度的變化結(jié)果。從圖4 中可以看出，不同溫度施工工況下，建筑暖通管道的一次應(yīng)力最大應(yīng)力比率均隨著管道水平彎頭角度的增加而呈線性降低；隨著施工溫度的增加，管道一次應(yīng)力最大應(yīng)力比率不斷增加，且在彎曲角度的增大同時(shí)，施工溫度越大，其線性下降的斜率有減小的趨勢(shì)。

表2 管道一次應(yīng)力最大應(yīng)力比和二次應(yīng)力最大應(yīng)力比率隨彎曲角度變化

圖4 管道一次應(yīng)力最大應(yīng)力比率隨彎曲角度變化曲線

表2和圖5為管道二次應(yīng)力最大應(yīng)力比率睡著水平彎頭角度的變化結(jié)果。從圖5 中可以看出，不同溫度施工工況下，建筑暖通管道的二次應(yīng)力最大應(yīng)力比率均隨著管道水平彎頭角度的增加而呈非線性降低，表現(xiàn)為冪函數(shù)降低的規(guī)律，在水平彎頭角度小于25°時(shí)，二次應(yīng)力最大應(yīng)力比率下降幅度劇烈，而在水平彎頭角度大于25°時(shí)，二次應(yīng)力最大應(yīng)力比率下降幅度較小且趨于收斂穩(wěn)定；隨著施工溫度的增加，管道二次應(yīng)力最大應(yīng)力比率不斷增加，但增加幅度較小。由此表明，暖通管道水平彎曲角度和施工溫度對(duì)管道的一次應(yīng)力影響顯著，水平彎曲角度對(duì)管道的二次應(yīng)力影響顯著，而施工溫度對(duì)管道的二次應(yīng)力影響較小。

圖5 管道二次應(yīng)力最大應(yīng)力比率隨彎曲角度變化曲線

4 建筑工程暖通管道施工優(yōu)化措施

結(jié)合前文中的應(yīng)力和變形分析，對(duì)研究項(xiàng)目的暖通空調(diào)管道系統(tǒng)進(jìn)行的了優(yōu)化，主要采取調(diào)整措施包括優(yōu)化支吊架間距、設(shè)置保溫層和調(diào)整管道水平彎頭角度[8]，圖6 和圖7 為研究項(xiàng)目暖通空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化前后的三維可視化圖形。

圖6 建筑工程暖通管道節(jié)點(diǎn)優(yōu)化前三維可視化圖形

圖7 建筑工程暖通管道節(jié)點(diǎn)優(yōu)化后三維可視化圖形

表3建筑工程暖通管道優(yōu)化后的施工參數(shù)。表3中優(yōu)化后的建筑工程暖通管道施工參數(shù)考慮了研究對(duì)象中的各種大小的管道，管道直徑變化范圍較廣泛，從76.1mm 至559.2mm 不等，設(shè)置的管道保溫層厚度從50mm～80mm 不等，安裝時(shí)按照管道直徑的大小進(jìn)行選取，支吊架的間距取用為3.9m 至9.5m，施工安裝時(shí)，按照管道直徑的增加而增加。

表3 建筑工程暖通管道優(yōu)化后的施工參數(shù)

5 結(jié)論

以北京市某中醫(yī)院南區(qū)EPC 項(xiàng)目暖通工程施工為研究對(duì)象，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法對(duì)施工中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究，分析管道的應(yīng)力和變形的變化規(guī)律，得到結(jié)論：

⑴一次最大應(yīng)力比率表現(xiàn)為對(duì)稱(chēng)曲線，法蘭安裝在直管道中間位置時(shí)，其的一次應(yīng)力最大應(yīng)力比率最小，法蘭安裝位置從中間位置向直管道兩端移動(dòng)時(shí)，管道一次應(yīng)力最大應(yīng)力比率明顯比為未安裝法蘭的直管道一次應(yīng)力最大應(yīng)力比率，且管道一次應(yīng)力最大應(yīng)力比率表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)。

⑵所有工況條件下暖通直管道的撓度曲線均呈現(xiàn)為對(duì)稱(chēng)的拋物線型，在管道兩端的撓度近似為零，在管道的中部撓度最大；法蘭從暖通直管道中部向兩端移動(dòng)時(shí)，隨著偏移距離的增加，管道的撓度不斷減小，且降低幅度越來(lái)越大。

⑶不同溫度施工工況下，建筑暖通管道的一次應(yīng)力最大應(yīng)力比率均隨管道水平彎頭角度的增加而呈線性降低，二次應(yīng)力最大應(yīng)力比率為冪函數(shù)降低；施工溫度對(duì)管道一次應(yīng)力影響顯著，對(duì)管道二次應(yīng)力影響較小。