高层建筑给排水施工中的管道支架间距优化与固定

【摘要】为了更好的了解高层建筑在给排水工程施工过程中管道的受力情况，分析其影响因素，优化支架固定方式，保证管道的安全和使用功能。通过对某高层住宅楼给排水施工现场进行调查研究，从管架基础的承载能力、管架高度、管架荷载三方面入手，总结了不同工况下所需要的支撑间距，并利用有限元软件ANSYS进行数值模拟计算，通过对原有的满堂红支撑体系进行改进，降低了钢管的用量，避免了钢管在使用过程中被压断的危险，减轻了工人的劳动强度，提高了施工效率。该项目的实施可以节约成本，减少浪费，实现经济效益与社会效益双赢。

关键词：高层建筑；给排水施工；管道支架；间距优化；固定措施

近年来，我国高层建筑建设蓬勃发展，为人们的生产生活提供了舒适安全的环境。随着科技的进步，新型建筑材料、新型施工工艺被广泛应用于高层建筑工程中，从而进一步提高了高层建筑工程的施工质量和施工效率。在高层建筑给排水工程施工过程中，由于管道敷设及固定采用支架法，容易造成管材浪费或管件变形损坏等问题，且各层之间管道连接不紧密，易出现渗水漏水现象，影响后期使用，因此需对管道支架进行优化研究。因此，有必要对不同工况下的管道支架间距进行研究，以指导施工现场合理使用支架，降低成本，提高施工效率，确保管道的安全运行和使用功能。本文结合某项目给排水施工情况，通过现场调查及有限元模拟计算分析了不同工况下管架支撑间距的影响因素，从而提出了一套行之有效的解决方案。

一、高层建筑管道支撑的基本原理及计算方法

在高层建筑施工中，由于钢筋混凝土结构的特殊性，使得其对管道产生了巨大的剪力。而水压力是建筑施工时最常见的荷载之一，当管道与支承结构之间没有刚性连接时，其自身就会发生位移，而这时管道的固定则显得尤为重要，否则极易造成管道上浮或下沉、扭曲等现象。因此，为保证水平和垂直方向的管道都能满足设计要求，必须采用适当的支撑系统来固定管道。

对于管道支撑而言，一般可分为三种类型：第一类是利用支撑架将管道悬空拉起，从而达到支撑管道的目的；第二类是利用支架将管道与主体结构结合在一起，以保证管道不会发生变形；第三类则是通过支护将管道固定在基础上，以此来保证管道的稳定性【1】。支撑系统主要由竖向支撑架（包括立杆）、水平支撑架、吊装钢丝绳以及其他辅助构件组成。支撑架可以根据实际需要进行组合，从而实现多点支撑，以保证各层管线均有足够的承载能力。此外，支撑架还应具有一定的刚度、强度、稳定性以及抗弯能力，以保证管道在施工过程中的安全。

二、影响高层建筑给排水工程管道支架安装间距的因素

（一）管道本身的材质及规格。不同材质的管道，其受力情况有所不同，因此所采用的支撑方式也不同；相同材质的管道，因规格大小不一，在支吊架间距方面也存在差异。

（二）施工环境因素。如果施工现场的环境温度较低，会影响支架的承载能力和安装精度，从而对支吊架的安装间距产生一定的影响。

（三）支撑基础的强度。基础承载力是衡量支架承载能力的重要指标，当支架承受的荷载大于地基承载力时，会出现“超负荷”现象，这将严重威胁到支架的安全。

（四）施工楼层高度。管道在支架上的受力状态主要取决于管道的内压和外压，而这两种力都与管道所在位置的高度有关，并随着高度的增加呈指数级增长。

三、支架设计方案

针对高层建筑的管道在施工过程中由于楼板跨度大、管线数量多，导致在安装时存在许多问题。为了解决这些问题，提出了以下改进方案：

（一）利用满堂红钢管进行支设时，每根钢管都要承受一个方向的弯矩和剪力。因此，我们可以通过增加钢管的直径来减少每根钢管的截面积，从而降低单根钢管上所承受的压力。通过计算，每根钢管的截面积为48.67m2，如果将钢管直径由DN40增大到DN50，则每根钢管的截面积为28.96m2，大大降低了单根钢管所承受的压力，且不影响管道的正常使用【2】。

（二）在原有满堂红支管基础之上，优化钢管间距。由于在实际施工过程中发现，当管道直径大于DN50时，由于单根支管的受力过大，经常出现支管压断的情况，这给工人的安全带来了隐患。所以在设计时采用双排支管，每根支管之间间隔2.35m，保证单根支管能均匀受力，避免单根支管压力过大而发生断裂。

（三）支架结构设计应符合有关的技术标准及规程要求。由于管道在竖向上的受力是最大的，所以在设计时应该充分考虑竖向荷载的情况。另外，随着楼层高度的提高，所需的支撑量也会随之增大，所以在设计时还应考虑上层建筑对下层建筑的影响，避免出现顶层超载的现象。采用钢板代替普通钢管，利用钢板较厚的特点，实现承载力更大的目的。

四、管道支架间距优化方法

（一）基于有限元分析的间距优化

有限元分析可以对复杂结构行为进行模拟，在优化管道支架间距的时候，利用有限元分析各种荷载作用下管道状态，合理选择支架位置。首先构建有限元模型，其中包括管道和支架以及荷载等因素，可以简化管道为梁单元，将支架作为约束条件。在模型中可以利用以下公式计算管道应力分布。

其中代表管道在x部位的应力；代表弯矩；代表管道在x部位的截面惯性矩；代表最大截面惯性矩。

对支架位置改变之后，需要对应力分布重新计算，因此确定最小应力的支架间距。利用FEA软件可以将不同荷载条件下应力分布图展示出来。通过有限元分析可以明确，通过对高层房屋建筑支架位置进行调整，可以对管道应力分布基给予改善。在特定支架间距下，可以降低管道最大应力值，同时可以均匀地分布应力。

（二）基于振动传递特性的间距优化

振动会影响到管道系统的运行，为了减少振动影响，需要合理优化支架间距，以此可以对振动传播发挥出控制作用。可以利用振动传递函数将振动能量传播进行描述。通过建立VTF，可以对不同支架间距下管道振动响应进行预测【3】。可以利用以下公式计算管道固有频率。

在上式中代表管道固有频率；K代表管道刚度，m代表管道质量。

通过对支架间距进行调整，可以对管道固有频率给予改变，避免产生共振情况。利用FEA软件可以建立振动频率和振幅响应分析图。通过对支架间距进行调整，管道振动幅度因此被降低。为了增大支架间距，可以利用阻尼器，管道固有频率因此被改变，避免产生共振，也不会因为振动而损坏管道连接件和支架。

五、管道支架固定技术的改进和创新

（一）在支架固定中利用高性能材料

合理选择管道支架固定材料，可以优化支架使用性能。利用新型高性能材料，可以使支架的力学性能和耐腐蚀性得以提升。例如利用纤维增强塑料和碳纤维复合材料，具有较具有较高的强度和耐腐蚀性，支架的承载力得以提升，延长其使用寿命。

（二）创新固定结构设计

开发新型可调节的支架系统，当管道出现位移和伸缩的时候，该系统可以自动响应，避免因为改变温度而集中应力。该支架利用高性能材料，可以使支架的耐久性得以提高。

结束语：

由于高层建筑的给排水管道都是通过支架进行固定，并且管道种类较多，因此管道受力情况复杂。对于同一建筑来说，其内部各个楼层的管道受力情况不一致。对此问题进行了分析，提出了一种新型的支撑方式，不仅节省了施工时间，也降低了成本。另外，在选择管道支撑方式时，应从多方面考虑，比如：材料、施工难度、经济成本等。

参考文献：

[1]查雪松.高层住宅建筑给排水系统设计与施工技术探讨[J].居舍，2025，（03）：114-117.

[2]徐冉，曲新月.基于高层民用住宅建筑的给排水施工工艺[J].中国建筑金属结构，2025，24（01）：79-81.

[3]郭刘岩.高层建筑给排水系统施工中的常见质量问题及预防措施[J].陶瓷，2024，（12）：143-146.

作者简介：任晓苗，1985.7.2，女，汉，河北省唐山市，本科