第1章 给排水工程设计概论
1.1 给排水工程设计
给排水科学与工程（Water Supply and Drainage）是工程领域中的一个分支，简称给排水。给排水科学与工程一般指的是城市用水供给系统、排水系统（市政给排水和建筑给排水），简称给排水。给排水工程研究的是水的一个社会循环的问题。“给水”是指现代化的自来水厂每天从江河湖泊中抽取自然水后，利用一系列物理和化学手段将水净化为符合生产、生活用水标准的自来水，然后通过四通八达的城市水网将自来水输送到千家万户。“排水”是指先进的污水处理厂把人们生产、生活使用过的污水、废水集中处理，然后排放到江河湖泊中去。这个取水、处理、输送、再处理然后排放的过程就是给排水工程要研究的主要内容。
给水工程是为居民和厂矿运输企业供应生活、生产用水的工程，以及供应消防用水、道路绿化用水等。它由给水水源、构筑物原水管道、给水处理厂和给水管网组成，具有取集和输送原水、改善水质的作用。给水水源有地表水、地下水、再生水。地表水主要指江河湖泊水库和海洋的水，水量充沛，它们是城市和工厂用水的主要水源，但水质易受环境污染；地下水水质洁净，水温稳定，是良好的饮用水水源；再生水是工业用水的重复使用或循环使用，先进国家的工业用水中60%～80%是再生水。取水构筑物有地表水取水、构筑物和地下水取水等。
排水工程是排除人类生活污水和生产中的各种废水、多余的地面水的工程，由排水管系或沟道污水处理厂和最终处理设施组成，通常还包括抽升设施，如排水泵站。
排水管系用于收集和输送废水。污水的管网有合流管系和分流管系，合流管系只有一个排水系统，雨水和污水用同一管道排输。分流管系有两个排水系统，雨水系统收集雨水和冷却水等污染程度很低、不经过处理直接排入水体的工业废水，其管道称雨水管道。污水系统收集生活污水及需要处理后才能排入水体的工业废水，其管道称污水管道。
污水处理厂包括沉淀池、沉砂池、曝气生物滤池、澄清池等设施及泵站化验室、污泥脱水机房、修理工厂等。废水处理的一般目标是去除悬浮物和改善耗氧性，有时还进行消毒和进一步处理。
最终处理设施视不同的排水对象设有水泵或其他提水机械，将经过处理厂处理满足规定的排放要求的废水排入水体或排放到土地上。
消防工程包括城市和建筑的消防系统工程内容，有消火栓系统自动喷水灭火系统、水喷雾系统、水幕灭火系统、消防水炮系统、雨淋系统等。
随着计算机应用技术的不断发展，特别是近年来计算机辅助设计（CAD）不断渗透到给排水工程设计领域，使我国在上述给排水工程设计方面有了较快的发展。当然，其在使用中尚存在一些特有的问题。
1.1.1 我国给排水工程设计的发展
20世纪80年代中期国内开展了计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）工作。当时计算机硬件都采用工作站，由于它投资大，CAD的应用没能得到很好的普及，专业软件也不可能得到很好的开发。自90年代以来，微机的发展十分迅速，处理能力不断加强，价格不断降低，使CAD的普及应用成为现实，因而提供了一种功能强大的绘图和设计环境。同时，在设计内容上逐渐增加，从只能做常规室内给排水设计发展到能进行室内外给排水、热水供应、消防、雨水、泵站到集绘图和计算于一体的软件包。
给排水CAD的发展是随着建筑CAD的发展进行的，其专业软件的开发起步较晚。20世纪90年代初建筑给排水仅局限于利用CAD来绘制原理图，由于缺少完整的图库，只有在施工图设计中推广运用才能真正做到提高设计水平和出图率。由于建筑给排水专业对计算机辅助设计软件水平要求较高，在施工图中所绘制的透视图并不是仅通过视点的转换就能得到的，它有别于原始的三维图形。从1994年始，我国正式出现了商业性的给排水专用软件包，为建筑给排水计算机辅助设计应用提供了条件，从而开始了一个新时代。设计人员可以直接利用建筑工程提供的资料图绘制给排水平面图，然后生成所需的透视图，达到减轻设计人员的劳动强度并提高设计效率的目的，使他们有更多的时间用于设计方案的优化。
CAD专业软件包的开发和设计单位微机的大量配置，使各用户根据自身的特点建立一定量的图库和模块，正如20世纪60年代中期专业设计院刻制大量的图形和文字图章一样。计算机也加强了标准化，改进了设计质量，还广泛应用于图形的修改，减少了重复工作量，使设计人员摆脱了机械记忆和大量、单调的查资料工作。例如设计人员可随时从计算机中查到有关规范内容、资料数据和习惯做法等，做出决策，替代了很多烦琐的工作。
1.1.2 给排水工程CAD应用中存在的问题
随着CAD技术的不断发展，给排水CAD制图技术日益成熟，但主要是二维CAD技术应用相对较好。其专业CAD软件开发起步晚，资金少、起点低、技术差、软件汉化水平低等问题普遍存在，其中主要问题如下：
①软件开发全面规划问题；
②软件高、低版本的兼容性问题；
③给排水CAD软件二次开发的困难，且集成化、智能化问题较多；
④数据结构与专业计算功能问题，专业数据库建立与专业计算分析软件接口存在很多问题；
⑤价格问题，高档软件较贵，低档软件便宜但功能不全。
1.1.3 给排水工程CAD技术的发展前景
（1）软件向系列化发展，专业性强
软件之间兼容性好，可相互转换或直接使用，在专业的内容上更加全面，除了可以生成透视图外还可生成剖面图、管道的纵断面等，形成真正的三维空间，全面地实现自动生成。此外，整个建筑给排水CAD软件将由多个子程序组成，也可以有相对独立的部分出现，功能齐全，形成系列化。
①传统专业功能。增强和完善计算功能，包括各种水量、流量计算，给排水管线水力计算，水箱水池计算等。图块图库也在原来的基础上增加数量、提高质量、完善功能，以方便使用。
②新增专业功能。如自动设计给排水管道避开、绕过或穿过梁柱等障碍物；自动规范检查管道管径、坡度、埋深、间距；消防系统的消火栓与喷淋喷头自动布置和喷洒强度的自动确定；自动选择布置化粪池、检查井，并自动连接管线；自动选择泵，并做出基本无需改动的泵房设计图；自动为管道系统添加必要的部件、配件（如清扫口、泄水阀等）；自动对部分或全部给排水设计进行优化，使得给排水CAD在智能化方面上一个新台阶。
（2）完善计算，实现图形与数据的完整统一
开发出环状管网的计算以及多种系统的分析计算，可以做到图形完成后自动完成计算，对于复杂的给排水系统，可智能化地判别系统形式，迅速地进行水力计算，并提供选择的设备，从而摒弃烦琐的数据手册。此外，它还具备完善的图形库和数据信息库，可以查询、调用。
其用户界面友好、宜人化。用户界面是软件的“脸面”，直接反映软件开发的水平，按照最新的判别标准，软件必须要有相应的便于用户操作的界面，因此给排水软件用户界面的发展方向是形成直观、形象、美观、贴近AutoCAD与Windows风格，并应该是适应软件潮流的友好、实用的用户界面，还提供了方便的鼠标操作和随心所欲的联机帮助。
（3）向优化设计发展，形成专家系统
扩充利用专家系统咨询、确定选择系统和设计原则，及时产生合理的设计方案。由于计算速度的加快和存储容量的增加，采用优化设计理论（如数学规划方法或准则法）迅速寻求满足规范和其他经济技术要求，而且应是工程费或换算运营费之和最小的设计。在施工图设计中可提出管道的最佳走向和设备的最佳布置等，进行自动分析。
（4）各种相关设备软件间的相互协调
目前常困扰建筑设备工种的是相互管道碰撞问题，它通过自动检测给排水管道与暖通风管、电气桥架、结构梁之间的交叉做好工种间的配合，此外还能为土建工程自动预留孔洞图。
（5）加强计算机联网，让软件资源共享
把所有的计算机组成局部网络，最后挂到整个高速的网络系统中，它可使每台计算机在任何环境里与任何一台计算机进行“交谈”，做到资源共享，这样还有利于检索查询和避免软盘之间病毒的感染。
系统软/硬件配套，开发专业软件应当充分利用软件技术发展的最新成果，使专业软件的水平上一个台阶。这主要包括3个方面，即系统软件、图形支持软件和汉字系统。硬件资源开发为软件开发提供了更广阔的活动空间，应该利用新一代的高档微机与网络服务器，双屏幕和大尺寸、高分辨率显示器，大容量的内存和硬盘，各类输入设备（如CD-ROM）、扫描仪和输出设备（如喷墨、激光绘图仪、打印机等），以适应硬件的发展。
（6）针对专业特点，运用多屏显示
这一点有别于目前同步或多屏幕显示，而是根据建筑给排水有透视图的特殊要求将平面图与透视图或剖面图分别在多个屏幕中同步显示，以充分利用屏幕直观地进行图形设计。
总之，计算机的发展将带动给排水CAD进一步提高工作效率，以使工程设计做到在满足现行规范的前提下，根据实际经验、施工条件和工程的特点等，把给排水设计得更加合理，充分满足实际要求，达到安全可靠、经济适用的目的。