高層建築排水系統性能評估與設計方法之研究

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

計畫類別：個別型計畫

計畫編號： NSC94-2211-E-011-025-

執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日執行單位：國立臺灣科技大學建築系

計畫主持人：鄭政利

計畫參與人員：嚴佳茹、何昆錡

報告類型：精簡報告

報告附件：出席國際會議研究心得報告及發表論文處理方式：本計畫可公開查詢

中華民國 95 年 9 月 4 日

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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 █成果報告

□ 期中報告高層建築排水系統性能評估與設計方法之研究

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫計畫編號：NSC 94－2211－E－011－025－

執行期間： 94 年 8 月 1 日至 95 年 7 月 31 日

計畫主持人：鄭政利教授共同主持人：

計畫參與人員：嚴佳茹、何昆錡

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

■出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後公開查詢

執行單位：國立台灣科技大學建築系

中華民國 95 年 7 月 31 日

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中文摘要

國內高層建築近年來蓬勃發展，而在使用者高度集中之情形下，不良之排水通氣系統易造成衛生器具存水彎之破封，可能產生如 SARS、新型流感等病媒傳播與居室衛生環境低落之疑慮，因此本研究將首重於文獻回顧與基礎資料整理，並進行案例收集與現況調查，

以便釐清高層建築整體排水通氣系統相關課題；其次分析歸納國內系統形式，並藉由專業技術人員之訪談與相關規範整理，建立可供分析各類型系統之分類方式。此外，高層建築排水通氣系統管路之組成複雜，本研究將其簡化為兩大類別、七大項目以及 33 項組成因子，並研提適切之系統設計決策程序。另一方面，配合流體現象與管內空氣壓力分布理論，

定性比較各因子之性能優劣，而藉由調查案例之性能試算與回饋，檢視系統之整體性能等級與其性能因子組成情形，並判讀可能產生破封疑慮之發生位置與風險評估，最後建立國內高層建築排水通氣系統之性能評估模式。本研究成果包括：文獻回顧排水系統之物理現象，整理相關研究理論之基礎資料；現況調查與專家訪談，理解掌握高層建築排水系統發展與課題；歸納系統分類方式與分析組成因子，研提適切之系統設計決策程序；建立可供設計提案回饋修正及既有系統性能檢核之評估工具。

關鍵詞：高層建築、重力式排水系統、性能評估模式、存水彎

Abstract

The main purpose of this research is to clarify the decision-making framework and to evaluate the performance of drainage system in high-rise building through the empirical observation and basic understanding of stack fluid mechanism. The evaluation method had been verified and proved to be practicable. These results can support the decision-making and be assessment tool for current design of high-rise building drainage system. The successful accomplish of such landmark is also seen as technical achievement of a country. Owing to the increasing of potential energy of height, inappropriate design of drainage system is facile to cause the sanitary problems in high-rise building and inconvenient utility. Particularly, people recognize the importance of healthy environment through the impact of SARS disease. Firstly, we investigated the existing high-rise buildings with 52 cases and summarize the design methodology from interviews of designer and plumbing engineers. According to the deconstruction analysis, we concluded a schematic structure of drainage system in high-rise building. Finally, this study deliberated intention to search the supporting factors and flow path for decision-making and assessment tool for performance evaluation of high-rise building drainage system. The results of this research would contribute to the domestic building technology and improve the design of drainage system in high-rise building.

Keywords: high-rise building, drainage system, performance evaluation, trap.

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一、前言

近年來隨著國內整體經濟活動成長，以及高度都市化發展的情形下，都市土地使用呈現密集化與高層化，而國內自從 1985 年首座高度超越 100 公尺之台電大樓完工後，

高層建築便蓬勃地出現在台灣南北各大都會區；2004 年台北 101 大樓之全面落成啟用，

更是象徵國內高層建築技術發展的重要里程碑，然而就在建築技術擁有長足進步的同時，過去長久以來容易被隱藏與忽視之排水通氣系統，其設計過程是否得到適切之考量，以及其整體性能與健康、衛生、安全等需求是否得以確保，都是值得進一步探討之課題。

一般而言，高層建築因高度提升而使排水位能轉換為動能之負荷增加，未考慮周詳之系統設計容易產生排水通氣性能的缺失，造成衛生器具存水彎之破封，以及病媒傳播風險與居室衛生環境低落之疑慮，特別是 2003 年台灣地區在歷經慘痛的 SARS 傳染病媒衝擊後，國人已深切體認環境衛生健康之重要性，根據香港中文大學及香港衛生署調查報告指出，淘大花園社區的 SARS 擴大感染個案，其排水通氣管路系統可能是病毒傳播的途徑之ㄧ。而 2005 年一度造成全球感染恐慌之禽流感疫情，病毒亦同樣藉由空氣散播而傳遞，若 SARS 經排水通氣管路系統擴散是成立的，那麼世界各國衛生專家預測未來會造成全球大流行之新型流感疫情，亦極有可能透過建築排水通氣系統管路傳遞；

而目前居室與排水通氣管路之間，僅靠衛生器具存水彎之水封機制加以隔絕，一旦存水彎之功能喪失，對於居室內使用者之疾病感染風險亦將大幅提升。

此外，隨著建築規劃設計與營建技術等各方面品質之全面提昇，一般民眾對於相關設施的要求亦相對提高，過去比較容易被忽視的建築設備也逐漸成為建築品質的指標之ㄧ；然而就排水通氣系統而言，工程實務大多將其隱藏於設備管道空間，且當排水管路完成施作後，亦多以澆置或覆板方式將其隱藏，使其重要性往往為一般民眾所忽視。因此依據管內空氣壓力分布理論，研提適切且符合整體性能要求之排水系統設計決策程序將是必要的。另一方面，在系統之設計決策程序擬定後，未來專業技術者進行系統設計時，若無法在設計階段正確規劃與適切評估，則未妥善考量之排水通氣系統將可能產生不良之影響。因此，本研究除了研提系統之設計決策程序外，亦將建立整體系統之性能評估模式，透過此性能評估模式，並以高層建築排水通氣系統存水彎破封風險為評估重點，未來將可作為系統設計階段之檢核依據以及既有案例之評估工具。

二、研究目的與範圍

由於國內現行排水通氣系統之設計規範依循已多年未加以增訂編修，致使一般中高層建築普遍存在著存水彎破封之居室衛生問題，且因破封現象不易察覺，普羅大眾亦缺乏相關資訊與其重要性之警覺，加上國內研究文獻相對缺乏，故相關課題一直無法獲得正視並獲得合理改善對策，因此有關本研究之目的歸納如下：

（一）文獻回顧排水系統之物理現象，整理相關研究理論之基礎資料。

（二）現況調查與專家訪談，理解掌握高層建築排水系統發展與課題。

（三）歸納系統分類方式與分析組成因子，研提系統之設計決策程序。

（四）建立系統設計提案回饋修正以及既有系統性能檢核之評估工具。

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而在研究範圍方面，依據我國建築技術規則之建築設計施工編「高層建築物」專章之定義，高度達 50 公尺或樓層在 16 層以上之建築物，即應受到規範與管制，而專章管制內容亦包含建築給排水設備與配管、管材等相關規定，因此，本研究對於研究對象之界定，即以國內符合上述要求之高層建築物排水通氣系統為主。

三、研究方法與文獻回顧

一般而言，建築排水系統整體設計過程可視為難以解釋之「黑箱」，而本研究在綜合前述理論基礎與彙整相關資料，以及分析討論各組成因子之設計特性說明、壓力行為討論、設計時機以及適用對象後，將研提適切之排水通氣系統設計決策程序，並以步驟化呈現，藉以提供專業技術者於系統設計提案時之參考依據。如圖 1 所示：

圖 1 黑箱設計與設計決策程序路徑圖本研究整理

美國給排水設計規範(National Plumbing Codes) 設計指針中部份被應用於設定排水系統容許流量之依據，以作為指引建築排水系統設計之規範。參照日本於 1970 年代制定完成給排水衛生設備規準．同解說(HASS 203)所建立的理論基礎，定流量實驗方法已經被併用於執行法令規範之參考以及性能評估技術中。自 1990 年起日本根據超高層排水實驗塔(108 公尺高)及中高層排水實驗塔(30 公尺高)之實驗結果與經驗，已經發展出排水立管內空氣壓力分布預測模型，同時建立了可行的操作程序。而在實務設計操作方面，國內專業技術者參考之國外規範可分為歐美與日本等兩大系統，國內於 1974 年制定建築技術規則設備編有關給排水通氣系統之相關規定時，即是以美國之 N.P.C 為參考規範，並明文記載設置通氣管之相關規定與計算參考值等。

本研究延續既有參考文獻並加以擴充與延伸討論後，研提高層建築排水通氣系統之分類方式，整體系統可概分為排水系統與通氣系統，排水系統可再細分為系統排流、系統分區以及立管連結等方式；而在通氣系統方面，可分為伸頂通氣、連結通氣、局部通氣以及末端通氣等，其後則為各分類項目之系統因子，因此整體系統可歸納為兩大類別、七大項目與 33 項系統組成因子，其架構如圖 2 所示，此外，本研究以高層建築排水通氣系統之昇位圖示，藉以呈現整體系統之分類方式與位置，並探討台灣高層建築排水通氣系統發展現況與特性，相關內容如圖 3 所示：

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圖 2 系統分類架構資料來源：本研究整理

圖 3 系統分類方式資料來源：本研究整理

四、研究程序概念之提出

經由前述調查案例分析與分類方式之建立，本研究後續將進一步探討系統之設計決策程序，如圖 4 所示，整體設計投入基本資料並完成各項因子之選擇後，將可呈現系統設計成果，此時若將系統拆解為七大項目，並分項討論各採用因子之優劣，將能獲得整體系統之評估表現權重值。若將上述研究概念加以展開，並由各項目之因子組成完整排水通氣系統，再由整體系統分項探討各因子性能權重，進一步檢視整體性能等級，即為本研究之系統評估概念，詳細內容如圖 5 所示：

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圖 4 設計方法與性能評估研究概念圖本研究整理

圖 5 設計方法與性能評估研究概念展開圖本研究整理

經由前述研究程序之提出，本研究將持續探討排水系統各項設計因子，其中在排水系統設計因子方面，可分為三大類別與 16 項因子，而排水系統之主要目的，在於將污物、污排水能藉由重力作用，無障礙地搬送至外部污水處理設施，良好的排水系統設計，

能減緩因排水而造成之管內阻塞；反之，經由流體現象與壓力分布理論推估後，不良之排水系統，可能造成許多排水課題，甚至形成管路失敗與危及居室空間使用者之健康安全，因此專業技術者進行系統設計前，需對各項排水設計因子之特性、適用對象資訊以及基本圖示等進行瞭解，方能選取最適化之系統因子，完成排水系統設計。有鑑於此，

本研究後續將分項討論各設計組成因子，其分析內容與架構如圖 6 所示，相關說明如後：

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圖 6 設計組成因子分析內容與架構本研究整理

（一）設計資料

內容包含項目名稱與本研究所賦予之代號，而在系統類別方面，可分排水系統、

通氣系統以及排水/通氣併用等三類，主要定義是以管路系統所在位置加以區隔。其次探討適用構造，應以 SRC 或 SC 構造為主。

（二）設計圖示說明

內容包含以完整昇位圖示呈現整體設計範圍，以及簡要昇位圖示與配管空間部位說明，其中簡要圖示部分，是以原始昇位圖檔加以裁減，方便使用者對照，而在配管空間與部位方面，則可概分為：

1.昇頂通氣管部。

2.垂直配管部。

3.水平配管部。

4.橫主管部。

（三）系統圖示與相關說明

本研究以 3D 電腦模擬，立體呈現系統組成因子之完整圖示，以方便專業技術者與一般使用者未來參考使用。而在壓力行為與課題節點說明方面，本研究簡要呈現系統面臨排水負荷時，管內可能產生之物理現象，以及系統組成因子可能發生問題之節點。

（四）各向圖示說明

本研究為了讓使用者理解管路系統於水平、垂直等多向度實際情形，亦以各向圖示來說明管路系統，完整呈現平日隱藏於隔牆或設備空間之排水通氣系統，上述內容之圖示如下圖所示：

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圖 7 設計因子圖表內容說明圖本研究整理

五、建立設計決策程序

本研究研提適切之設計決策程序，供專業技術者進行參考；設計程序將於七大項目中進行個別系統決策，並於各項目中選取單一因子，完成整體系統設計程序，本研究以 樹狀圖加以表示，如圖 8 所示：

圖 8 系統設計過程樹狀圖本研究整理

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另一方面，若將系統設計程序完全展開，則如圖 9 所示；流程圖縱向程序為設計過程中，從所需資訊確立，至設計初始以及各階段項目之選擇，並於最終完成系統設計；

而橫向程序則表示各設計項目中，可供選擇之組成因子，依序進行選取後，組成完整之高層建築排水通氣系統。因此，未來專業技術者進行系統設計時，即可依據本研究所建立之流程作為參考依循，而對於欲理解高層建築排水通氣系統之一般使用者而言，本設計程序亦有助於理解與觀念之釐清。

圖 11 系統完整設計流程圖本研究整理

六、評估模式之建立

本研究所引用之性能評估理論，係參考 FMEA（Failure Mode Effect Analysis）失效模式效應分析，最早起源於 1950 年代初期，並且由美國開發本評估分析制度，主要用途在確保可靠度、安全性設計之解析法，後續並將適用對象推廣至既有受評測對象。

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表 1 失效模式效應分析內容表

簡稱 FMEA

名稱失效模式效應分析 Failure Mode Effect Analysis

定義

◎為了找出設計的不完善及潛在的缺點，解析對構成要素的故障模式，

及其對整體系統之影響，可作為事前管理與事後檢討之評估工具（JIS Z 8115）。

起源

◎1950 年代初期，美國為了開發民航機，用以保證可靠度、安全性設計之解析法，其後太空總署 NASA 之阿波羅計畫亦採用此工具，並獲得良好評估成果。

◎初期一般企業引用於開發、設計部門，近代則引用工程、系統之控管與評估。

目的

◎減少因不良設計所造成之經費耗損以及縮賭開發時程。

◎於開發、設計階段，掌握並檢出課題弱點，並事先考慮對策，減少損失。

適用對象系統、方法、機械、產品、工程、材料等適用時期 ◎開發、設計階段。 ◎使用、檢討階段。

使用要點 ◎具備受評對象。◎指出不良現象。◎推定不良原因。

◎預測影響程度。◎確立評測方法。◎異常處置對策。

引用內容定義、適用對象、使用要點

依據上述 FMEA 理論，性能評估須先指出不良現象與推定不良原因，並以排水管路系統設置性能不佳，或通氣管路管內壓力逸散/補注效能不佳為主，本研究後續將以流體現象與管內空氣壓力分布理論，定性評估各因子之性能，其群組如下：

（一）基本群組。

（二）中等群組。

（三）良好群組。

（四）優良群組。

綜合上述討論內容，本研究以下表綜合歸納其加權值與性能群組分類：

表 2 評估數值與性能群組

性能群組基本中等良好優良

加權值 0.8 1.0 1.2 1.4

由上表可知，若受評估因子抵抗排水管內空氣壓力變動之能力較差，而為了突顯採用此群組因子所可能產生之課題，其加權值將判定為 0.8 或 1.0，主要目的為後續整體性

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能評估階段，是以七大項目之加權值乘積，判斷該系統之整體評估等級，並表現其整體性能之高低，若僅達到基本或中等群組因子之項目較多，則整體性能乘積將無法提升，

數值甚至有趨近零之可能；反之，若評估因子性能表現相對較高，將可能判定為良好或優良群組，且當良好或優良之群組因子項目較多時，七大項目之加權值乘積將向上提升，藉以顯示整體性能之高低。經由前述討論各項性能評估因子之性能群組與加權值後，後續將以列表之方式呈現性能評估因子簡易查核表，以供專業技術者與使用者簡易查核之用，相關內容如下表所示：

表 3 性能評估因子簡易查核表資料來源：本研究整理

性能類別 基本Basic 中等Fine 良好Good 優良Excellent

系統排流

D.S (1-4) 0.8 1.0 1.2 1.4

系統分區

Z.M (1-8) 0.80 1.0 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30

立管連結

C.M (1-4) 0.8 1.0 1.2 1.4

伸頂通氣

S.V (1-5) 0.8 1.0 1.2 1.25 1.30

連結通氣

Y.V (1-4) 0.8 1.0 1.2 1.4

局部通氣

L.V (1-4) 0.8 1.0 1.2 1.4

末端通氣

E.V (1-4) 0.8 1.0 1.2 1.4

由於高層建築排水通氣系統由七項構成因子所組成，各分項之性能表現對整體系統性能而言，均有舉足輕重之影響，如式（1）所示，將各分項因子之加權值予已相乘，

良好與優良性能群組數量愈多，則其乘積將愈趨近 10，表示該系統抵抗管內空氣壓力變動之能力越高，衛生器具存水彎破封風險值越低。

P^F= P^DS×P^ZM×P^CM×P^SV×P^YV×P^LV×P^EV…⁽¹⁾

本研究以圖 12 說明整體性能評估程序之展開圖形，當專業技術者完成系統設計提案或既有系統欲進行性能評估時，其程序即如下圖所示，完整系統可依序拆解為七大項目，各項目可透過本研究建立之評估因子性能群組與加權值，進行整體案例試算，其後分析各項因子之性能群組類別，並判斷其乘積值之等級落點，並針對性能未達建議標準之系統進行改善，即可完成整體性能評估。

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圖 12 性能評估程序展開圖本研究整理

七、結論與建議

簡要歸納成果與結論及建議如下：

（一）現況調查與訪談：

本研究共調查 52 件案例，受訪專業技術者均表示，國內目前有關排水系統之設計法令不足，無法滿足現今設計作業之需求。

（二）分類方式與設計方法：

國內目前缺乏明確而完善之排水通氣系統分類方式，本研究整理歸納，將系統區分為排水/通氣兩大類別，其次分為七大項目，並歸納出 33 項系統組成因子，可分析並分類目前發展之各類型高層排水系統。

（三）系統性能評估模式：

本研究將各組成因子，進行性能評定，並賦予權重值以及基本、中等、良好與優良等四大性能群組，由劣至優劃分為基本等級與一至三等級，調查案例之七項因子權重值平均數，以排水系統分區較差，以末端通氣較佳，整體通氣性能表現優於排水性能。

（四）法令規範編修：

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研究應加強適於設計應用之技術規範，以提供國內建築給排水設備系統設計之參考。

（五）相關實驗研究：

本研究進行各因子性能優劣之定性判別，由於受限於實驗場地與設施建置之影響，各因子間之實際基準值與確切定量性能差異，後續研究透過既有與新建置之實驗設施持續進行分析探討。

（六）現有實驗設施後續研究：

建議後續研究除進行上述各因子之定量性能解析外，亦可研發新系統、新技術與新工法，藉以提升國內整體排水通氣系統性能，並作為相關法令規範編訂增修之參考依據。

八、計畫成果自評

本研究內容與原計畫內容相符，達到預期目標，研究部分成果並已於 2005 年，發表於比利時舉辦之第 31 屆 CIB-W062 國際建築给排水研討會，本研究所研提之高層建築排水通氣系統設計程序與性評估模式，亦獲得在場國際學者專家之關注與討論，並給予相關建議與表達高度之肯定。根據研究成果，本研究計畫自我評估大致已達預期目標。

九、參考文獻

1. 香港衛生署，2003，淘大花園爆發嚴重急性呼吸系統綜合症事件調查報告。

2. 周鼎金，1996，〈建築設備〉，茂榮出版社。

3. 營建雜誌社，2005，〈建築技術規則〉，營建雜誌社編印。

4. 呂文弘，鄭政利，周衍均，2001，〈台灣地區中高層住宅建築排水通氣系統現況調查研究〉，亞洲地區建築給排水國際研討會論文集。

5. 周衍均，2002，〈中高層公寓式住宅排水通氣系統性能實驗研究-基礎實驗建置及單管式排水通氣系統性能的驗證〉，台灣科技大學碩士論文。

6. 沈明德，2004，〈建築排水立管空氣壓力預測理論解析與實證之研究〉，台灣科技大學碩士論文。

7. 呂文弘，2005，〈二管式排水通氣立管空氣壓力變動推估模式之研究〉，台灣科技大學博士論文。

8. 鄭政利，呂文弘，何昆錡，2004〈高層建築排水設備系統調查之研究〉，第十六屆第一次中華民國建築學會研究成果發表論文集。

9. 1955，＂National Plumbing Code＂。

10. Roy.B.Hunter，1941，＂BMS 79 Water Distributing System for Building＂。

11. R.S.Wyly and H.N.Eaton ，Capacities of Plumbing Stack in Building,BMS Repoet,132（1952）