上海中心大厦设计专栏(全)-给水排水杂志

上海中心大厦是目前中国在建的最高楼以及上 海最高楼，其设计阶段也是中国为数不多的400m 以上高度的建筑。大楼的设计，需要兼顾安全、绿 色、功能性的要求，同时设计、科研团队又面临系统 复杂、技术难度大、无现成工程案例可参考、缺少设 计规范支撑、边设计边施工、设计周期短等诸多难题 和挑战。为解决诸多难题，设计、研究团队对超高层 雨水系统消能技术、消防供水可靠性技术、生活消防 合用系统联动控制技术等500m以上超限高层关键 技术进行研究，完成上海市科委研究课题：《超高层 绿色建筑雨水收集与处理技术研究》、《上海中心大 厦消防供水技术可靠性研究》。2012年下半年，机 电安装工作已全面启动，为应对上海中心项目在机 电安装施工中材料及设备垂直运输量大、施工作业 面狭窄、机电管线复杂的特点，提高机电设备安装工 厂化、模块化率，BIM技术在上海中心大厦项目给 排水设计上作了大量的研究、应用与工程实践。总 之，希望上海中心大厦的设计、研究，能为我国 500m以上的超限高层建筑的建设带来一些经验， 供业内同行分享

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（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司高速铁路标准规范范本，上海2000

Gong Haining

(TongjiArchitectural Design (Group)Co.,Ltd.,Shanghai200092,China

上海中心大厦位于浦东的陆家嘴功能区，占地 30370m，所处地块东至东泰路，南依银城南路，北 靠花园石桥路，西临银城中路。项目建筑面积约 57.4万m，由地上128层塔楼，5层东西裙楼和5 层地下室组成，总高为632m，结构高度为580m。 建成后将成为上海第一高楼。 作为一幢综合性超高层建筑，上海中心大厦以

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办公为主，其他业态有会展、酒店、观光娱乐、商业 等。大厦分为5大功能区域，包括大众商业娱乐区 域，低、中、高、办公区域，企业会馆区域，精品酒店区 域和顶部功能体验空间。 上海中心地上部分共分为9个建筑分区（见图 ），15层为I区（裙楼商业区），6、7层为设备及避 难层；8～18层为Ⅱ区（办公区），19层、20层为设备 及避难层；21～34层为Ⅲ区（办公区），35层、36层 为设备及避难层；37～49层为IV区（办公区），50层、

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51层为设备及避难层；52～61层为V区（办公区）， 62层、63层为设备及避难层；64～81层为V区（办 公区），82层、83层为设备及避难层；84～98层为证 区（酒店区），99层、100层为设备及避难层；101～ 115层为区（酒店及精品办公区），116层、117层 为设备及避难层；118～屋面层为IX区（观光区）。

图丨上海中心大厦建筑分区示意

生活消防合用给水转输系统

竖向给水系统的设计是超高层建筑给排水设计 中最重要的内容，也是超高层建筑与普通高层及多 层建筑在给排水设计上差异最大的部分。超高层建 筑由于各功能区的竖向标高落差非常大，如何设计 一套安全、高效、简洁的给水系统满足各功能分区的 使用要求是摆在设计师面前的一大难题

2.1上海中心大厦生活、消防给水系统方案

随着目前水泵和管道技术的发展，对于建筑高 度不大于120m的超高层建筑仍可以采用一泵到 顶，减压供水的并联分区给水系统。对于建筑高度 超过120m的超高层建筑，考虑到水泵扬程，管道承 玉能力，系统的经济性和安全性，一般采用串联分区 给水的供水方式。对于建筑高度超过400m的超高 层建筑，从供水安全性出发，希望在建筑内储存一定 的生活和消防水量，从目前国内已建成的400m以

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上超高层建筑的统计数据来看，几乎所有项目的消 防给水均采用了高位重力水箱供水的方案；部分项 目的生活给水也采用了高位重力水箱供水的方案。 经过多轮论证比较，最终上海中心大厦生活、消 防给水系统采用了以下方案： （1）生活给水系统采用高位水箱重力供水一减 压阀减压的供水方式，高位水箱重力供水压力不足 的楼层采用变频泵组加压供水， (2)消防给水系统采用高位水箱重力供水系统 为主。各分区消防用水由各区的高位水箱重力供 水；仅塔冠区为临时高压系统，由消防主泵和屋顶高 位水箱联合供水 （3)生活、消防给水系统的供水泵组采用了生活 消防合用供水泵组。

上海中心大厦的生活和消防供水系统在确定了 均采用高位水箱重力供水前提下，选择了生活消防 合用转输供水泵组的设计方案。采用该方案主要是 考虑到4个方面的原因：①减少供水系统设施（管 路、设备、控制系统等）；②消防水箱储水的有效循环 使用，保证消防水质，减少水资源浪费；③消防系统 在平时工况的有效使用；④增加火灾时可以直接用 于扑救灭火的储水量。 下面笔者就上述4个方面的原因分别进行 介绍

2.2.1减少供水系统设施（管路、设备、控制系统等）

超高层建筑设计中，塔楼设备层的设计是重中 之重。由于超高层建筑的塔楼面积有限，同时核心 简又占去了大量面积，所以剩余的可以利用布置大 设备的有效面积十分有限，要同时满足给排水、暖 通、电气等所有机电专业的面积要求，可谓寸土寸 金。超高层建筑的塔楼越高，分区越多，这种矛盾就 越突出，因为所有机电专业都存在同样一个问题，就 是下层的设备层除了要满足本设备层服务范围内的 机电需求外，还要满足其上设备层的转输需求。对 于上海中心这样632m高的超高层建筑来说这一问 题就更加突出。建筑方案确定好后，各设备层的面 积也就基本确定了。机电专业要解决的问题就是如 何在现有的设备层面积条件下，实现各个机电专业 的功能

采用生活消防合用供水泵组的设计方案，可以 合并原先需要分别设置的生活水箱与消防水箱，生 活水泵和消防水泵，及相应配套的检修空间、配电设 备空间等，有效减少设备层的机房面积要求。同时 超高层建筑中的管道井面积更是紧张，超高层建筑 由于上下交通的需要，需要布置大量的电梯。以上 海中心设备层6层为例，核心筒内布置了41部电 梯，4个楼梯间以及相应配套的电梯厅和前室，核心 简内用作机电管道井的面积仅占整个核心筒面积的 %。采用生活消防合用供水泵组的设计方案，可以 合并生活和消防用的转输供水管道，减少管道井布 置的压力

2.2.2消防水箱储水有效循环使用，保证消防水质

上海中心的一次灭火合计消防用水量为1008 m，整栋建筑中储存消防用水量1620m。如此大 量的消防用水储存在消防水箱中，长时间不被动用， 水质恶化后需要定期更换，是对水资源的极大浪费。

2.2.3消防系统在平时工况的有效使用

针对超高层建筑发生火灾的特点，消防系统设 计应该立足自防自救，采用可靠的防火措施，做到安 全适用、技术先进、经济合理。采用生活消防合用供 水泵组的设计方案，可以保证消防水泵在平时处于 经常工作的状态，有利于保证消防供水系统的各部 分处于良好的运行状态，也有利于第一时间发现系 统中出现的问题，及时排除隐惠

2.24增加火灾时可以直接用于扑救灭火的储水量

由于生活和消防合用供水系统的水箱同时储存 了消防水量和生活水量。从表1可以看出，上海中 心的生活消防合用水箱中共有885m的生活储水。 当火灾发生时上述原本用于生活供水的储水，不需 要任何调用手段就可以直接用于火灾的扑救，无疑 大大增强了消防供水系统的灭火能力。这也和超高 层建筑的消防灭火立足自防自救的方针一致

表1上海中心大原生活、消防合用水箱参数

以上论述的是生活消防合用转输供水泵组设计 方案在上海中心项目中采用的优势，采用该方案的 缺点是生活供水系统和消防供水系统合用提升泵组 以后带来的水泵联动设计的复杂

3生活消防合用供水泵组的联动控制策略

由于上海中心生活和消防供水系统均采用以高 位水箱重力供水为主的方式，所以需要联动控制的 生活消防合用水泵均是转输水泵。下文主要介绍这 些转输水泵的联动控制设计

3.1联动控制设计方案

转输水泵采用逐级转输方式，转输水泵组为生 舌、消防合用。转输水泵的启闭由对应高位水箱的 水位控制，多台水泵的启闭由对应高位水箱的多级 水位分别控制

图2上海中心大厦20层生活消防合用水箱水位控制

从图2可以看出生活、消防合用水箱对应有多 个水位，有常规生活水箱的水位，也有常规消防水箱 的水位。如何让转输水泵按照楼宇的实时需要运转 是设计面临的难题。 通过分析不难发现，从消防角度可以把楼宇的 状态分为非火灾状态和火灾状态，相应地可把转输 水泵的联动控制分为平时工况与消防工况， 在非火灾状态下，给水系统的所有转输水泵均 按照平时工况运行。在火灾状态下，由楼宇消防控 制中心的火灾报警系统提供信号，判定楼宇发生火 灾的位置。给水系统的联动控制模块会根据预先设 定的控制程序，将为火灾发生位置提供消防给水服 务的所有转输水泵的运行工况从平时工况切换到消 防工况，而与火灾发生位置的消防给水无关的转输

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水泵仍然保持在平时工况， 在平时工况下，所有转输水泵被视作生活转输 泵，转输水泵的开启数量由上一级生活、消防合用水 箱的液位控制。根据上一级高位水箱中的生活水位 来控制启动和关闭水泵的数量，每低一档启泵水位 就多启一台泵，以此类推，直到低水位时启动全部水 泵。水泵一旦开启，直到高水位时再关闭全部水泵。 水位到达“生活高水位报警”水位时，发出警报；水位 到达“生活低水位报警”水位时，发出警报：水位如果 进一步降低，到达“动用消防用水报警”水位时（“动 用消防用水报警”水位高于消防储水水位200 mm），发出警报并根据延时设定，在延时结束时关 闭全部水泵，保证消防用水不被动用。 在消防工况下，相关的转输水泵均被视作消防 转输泵，转输泵的关闭及开启数量仍由上一级生活， 消防合用水箱的液位控制，根据上一级高位水箱水 位来控制启动和关闭水泵的数量，每低一档水位多 开启一台泵，以此类推，直到低水位时启动全部水 泵。水泵一旦启动，直到高水位再关闭全部水泵。 如果火势得到控制，消防用水小于转输泵的转输水 量，水位到达生活超高液位时，发出警报；如果火灾 过程中，水位到达消防低水位报警水位时，发出警 报，提醒消控中心预先根据楼宇内各级水箱储水情 况，手动调水，保证着火点的消防用水， 下面举例对手动调水进行介绍。上海中心大厦 项目中，当Ⅲ区（办公区）（2134层）范围内发生火 灾时，Ⅲ区的消防给水由位于50层的生活消防合用 水箱向位于Ⅲ区（办公区）的着火点的水灭火系统重 力供水，位于B5层和20层的生活消防合用水箱及 转输水泵此时切换为消防工况，参与消防给水转输； 位于83层、116层的生活消防合用水箱及转输水泵 仍处于平时工况。如果火灾扑救用水量大，位于50 层的生活消防水箱在灭火过程中水位下降过快，消 控中心可以打开生活消防合用水箱间预设的手动调 水供水管上的电动阀门（见图3），将83层和116层 储存的各200m的消防储水及现存的生活储水及 时重力调用给50层的生活消防合用水箱，用于Ⅲ区 （办公区）差小点的水安址救

3.2差异化的运行策略

考虑到平时工况与消防工况的使用目的不同！

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图3上海中心大厦生活消防合用水箱手动调水供水管示意

在水泵联动控制的设计中也采用了差异化的运行第 略。平时工况下，生活供水转输系统出现问题可能 会造成某个或者某些区域暂时停水，其对楼宇安全 没有影响，这时转输水泵的工作策略是以保护供水 系统设备为主。在消防工况下，消防供水转输系统 出现问题可能会造成某个或者某些区域消防供水中 新，其对楼宇安全影响重大，这时转输水泵的工作策 略是以楼宇安全为主 下面解释一下什么是对楼宇运行安全有利的工 作策略。 （1）在平时工况下，侧重于保护供水系统的 设备 对于液位控制系统信号采集的策略是，当2套 液位计给出不同液位信号时，优先接受关闭水泵的 信号，即2套液位计只要有1套给出关闭某台水泵 的信号：水泵联动控制系统就采纳，并按照指令关闭 相关水泵；滞后接受开启水泵的信号，即2套液位计 只有同时给出开启同1台水泵的信号时，水泵联动 控制系统才会采纳，并按照指令开启相关水泵。 对于液位控制系统水泵控制的策略是，在平时 工况下当水箱水位到达生活超低液位时，发出警报 水泵直接停泵， （2）在消防工况下，侧重于保护楼宇安全。 对于液位控制系统信号采集的策略是，当2套 液位计给出不同液位信号时，优先接受开启水泵的 言号，即2套液位计只要有一套给出开启某台水泵 的信号，水泵联动控制系统就采纳.并按照指令开启

相关水泵；滞后接受关闭水泵的信号，即2套液位计 只有同时给出关闭同1台水泵的信号时，水泵联动 控制系统才会采纳，并按照指令关闭相关水泵。 对于液位控制系统水泵控制的策略是，在消防 工况下当水箱水位到达消防超低液位时，发出警报， 水泵不停直到水箱最低水位停泵。在消防超低水位 时仅报警，仍然维持水泵运转是为了楼宇安全，尽可 能地把储水全部输送给灭火使用。在水箱最低水位 停泵是因为在水箱无水情况下保持水泵开启不仅无 法提供消防用水，还有可能因为大型水泵空转而带 来次生灾害；同时在将水箱内储水转输完毕后主动 停泵，保持水泵及供水系统正常处于消防工况下，当 下方转输供水通过水泵接合器等外部手段恢复正常 时，系统还能再次投入正常工作，继续消防转输 作业

3.3液位信号控制安全可靠的保障措施

从以上介绍可以看出上海中心大厦整个生活、 消防合用给水系统的运行，不管是平时工况还是消 防工况，都是根据水箱液位信号控制的。液位计除 提供主要液位信号外，还要根据水箱液位信号控制 多台水泵的启闭。 由于上海中心大厦高达632m，地上部分有9 个分区，供水系统的转输水泵采用逐级转输方式，所 以系统运行的可靠性非常重要。如果某一区的转输 水泵的控制出现问题，需要其转输供水的其上各区 供水系统都会受到影响 为保证液位信号控制的安全可靠，每格水箱的 液位控制都采用2套不同工作原理的液位控制系统 超声波、电极式），2套控制系统均可以独立工作， 互为备用，控制中心能手动切换并监控。在正常情 况下，每格水箱内以超声波液位计为主，电极式液位 计为辅并能校核主要液位。当位于同一水箱分隔内 的2套液位计的水位信号差值大于设定值（100mm） 时，楼宇自控系统发出报警信号，指示工作人员前往 检查，排除故障。报警期间水泵联动控制系统会通过 预先设定的逻辑程序，按照对楼宇运行安全有利的工 作策略进行联动控制，直至警报解除， 除此之外，为保证液位信号控制的安全可靠还

要避免各个控制水位间的相互干扰，上海中心大厦 项目中各水箱不同控制水位间的最小水位差△hmir 控制在200～300mm。这个数值是根据液位控制 系统产品的控制精度和应用条件确定的。由于上海 中心大厦给水转输系统中的水泵流量大，水箱进出 水管管径较大，考虑在给水转输系统运行时，水箱内 的水位波动会比较明显。所以要求液位控制系统具 有滤波功能，能够排除水面波动的干扰，比较准确地 反映水箱的真实水位。经过与设备生产厂家的沟 通，按照现有一般液位控制器（超声波、电极式）的性 能，相邻2个控制水位间的最小距离△hmi控制在 200～300mm，可以保证相邻控制水位的信号不相 互于扰。结合以上条件，上海中心大厦对于进水管 管径大的水箱，其相邻水位间的△hin控制在30C mm；对进水管管径小，且受其他条件约束无法做到 hmin=300mm的场合控制△hmin不小于200mm。 最小水位差△hmin的控制对于以水位作为控制信号 的给水转输系统的正常运行土分重要。

由以上论述可以看出，上海中心大厦生活消防 合用供水泵组带来的水泵联动关系的复杂在于多种 工况条件下水泵联动关系逻辑分析上的复杂。通过 把楼宇状态分为非火灾状态和火灾状态，分别对应 转输水泵联动控制的平时工况与消防工况，就可以 解决生活消防合用供水泵组的联动控制问题。同一 组水泵，在消防工况控制下就是消防水泵，在平时工 况控制下就是生活水泵， 以高位重力水箱加生活消防合用转输水泵为主 的供水系统具有节省设备避难层机房面积，增加建筑 内储水容积，使消防设备随时处于良好运行状态等优 点，适合在给水系统串联级数多，塔楼设备避难层建 筑面积紧张的400m以上的超高层建筑中采用

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苏昶明 归谈纯1 王振华2

超限高层建筑的特点是用途广泛，功能复杂，往 往同一建筑内设有酒店、高级办公、商业等不同功 能；设备繁多，人员高度集中，超限高层建筑容纳的 人数可达数万人。 金茂大厦曾有试验，消防队员从顶楼向下跑，结 果最快跑出大厦的队员用时35min，正常情况下， 人流密度为1～5人/m时，在楼梯上垂直行进速度 为1.5~36m/s，明显慢于烟雾垂直方向扩散速度 ～4m/s，据报道，1993年纽约世贸中心遭遇恐怖袭 击，共用9h才将大楼内10万人疏散，因此，对于超限 高层建筑来说，一旦发生火灾，人员疏散极度困难[1]。 超限高层建筑应立足“自救”，由于水作为主要 的灭火剂，供水可靠性的研究就非常重要。从供水 方式区分，有临时高压和高压两种方式；从水源的提 升供给（转输）区分，有一泵到顶、水泵逐级串联和水 泵一水箱逐级串联两种方式。 上海中心大厦设计初期，项目组以市场调研的 方式，对国内已建成、在建或在设计中的超限高层进 行技术调研，并对其中的典型项目做技术研究，为上 海中心大厦的消防供水技术选择做技术储备

消防给水系统可靠性常用评判方法包括：逻辑 分析法（事故树）、计算机模拟法、综合评判法。 逻辑分析法是从结果到原因描绘事故发生的有 向逻辑树，由众多对顶部事件产生影响的基本事件

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构成，分析这些基本事件的影响程度，适用于单个消 防供水系统对于整体消防供水系统的可靠性评价。 计算机模拟法是在计算机中先设计出于某被研 究现象或过程（即原型）相似的模型，然后通过模型 间接研究原型规律性的方法，该法需要的实际数据 较多，由于项目处于设计初期，无法得到相关关键数 据信息，采用该法评判消防供水系统可靠性存在 定难度。 综合评判法包括：德菲尔法、模糊聚类分析法 层次分析法。德菲尔法即函询调查法，将提出的问 题和必要的背景材料，用通信的方式向有经验的专 家提出，然后把他们答复的意见进行综合，再反馈给 他们，如此反复多次，直到认为合适的意见为止。这 是一种匿名的专家问卷调查法。选择数位专家，设 计出问卷，寄出问卷，回收整理相同意见的部分，不同 意见的部分再次设计并寄出问卷，如此反复进行直到 意见一致。超限高层消防供水系统往往不具备唯 性，供水方式及转输方式有多种组合形式，不需进行 统一，需要的是找到一种适合项目的供水系统，故不 采用德菲尔法进行消防供水系统可靠性评判（在层次 分析法中的权重衡量上采用专家打分的方式进行） 模糊聚类分析是用数学方法定量地确定样本的亲疏 关系，从而客观地划分类型。消防供水系统可靠性 评判不仅需要定量分析，还需要定性分析。 层次分析法（AnalyticHierarchyProcess，简称 AHP)是将决策问题按总目标、子目标、评价准则直 至具体的方案顺序分解为不同的层次结构，然后使 用求解判断矩阵特征向量的办法，求得每一层次的

各元素对上一层次某元素的优先权重，最后再加权 的方法递阶归并各方案对总目标的最终权重，此最 终权重最大者即为最优方案。它最大特点是将与决 策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，并在 此基础之上进行定性和定量分析。 一个合适、安全度高的消防供水方案，可以较好 避免部分超限高层常见的问题，在项目的方案阶段， 需要在众多的方案中进行优选，决策方案的优选从 根本上可归纳为定性和定量两类，对于简单的问题， 比选法较常用，经验判断、方案评分、特别是依据专 家经验的比选较有效，现今对于复杂的决策问题，因 受多种复杂因素的影响，为体现决策的科学性，定性 和定量相结合的方法在实践中更为常见，层次分析 法是一种合适的、简易的科学决策方法。

2层次分析法在上海中心大厦消防给水方案中的

用AHP分析问题需经过以下5个步骤：①建 立层次结构模型；②构造判断矩阵；③层次单排序； ④一致性检验：③层次总排序。

2.1建立层次结构模型

于现今的供水技术而言，串联分区供水方式适用于 建筑高度在150～200m的超高层建筑，200～25d m尤其是250m以上的超高层建筑，应采用高压供 水的方式，对超限高层建筑消防供水系统而言，哪种 供水方式最适用？经过项目组的反复讨论和谨慎考 虑，选择了5种系统作为方案层，其中包括最常用的 1种给水方式，现有的超限高层建筑消防给水方式 部是选用4种系统给水方式中的一种或几种的组 合，以及项目组针对上海中心大厦这个项目的特殊 性量身定制的给水方式，这5种给水方式分别是： P1：水箱逐级串联的临时高压消防给水系统 消防水泵直接串联供水或者由转输水箱加消防转 输水泵接力转输，并由消防加压泵供水的消防给 水系统（见图1a）。 P2：仅设减压水箱的高压消防给水系统，系统 不设直接向消防给水管网系统供水的消防水泵 仅屋顶消防水箱储存一次灭火全部用水量，通过 中间减压水箱逐级减压向消防供水分区供水，并 能满足消防给水系统水压和流量的消防给水系 统。该系统屋顶消防水箱一般由生活给水系统补 水（见图1b）。 P3：转输、减压水箱分设的高压消防给水系 统，系统不设直接向消防给水管网系统供水的消 防水泵，由消防转输泵遂级转输至屋顶消防水箱 屋顶消防水箱储存一次灭火全部水量，通过中间 减压水箱逐级减压向消防供水分区供水，并满足 消防给水系统水压和流量的消防给水系统（见图 P4：转输、减压水箱合用的高压消防给水系 统，系统不设直接向消防给水管网系统供水的消 防水泵，由消防转输泵逐级转输至屋顶消防水箱 屋顶消防水箱储存一次灭火全部水量，通过中间 减压水箱逐级减压向消防供水分区供水，并能满 足消防给水系统水压和流量的消防给水系统（见 图1d)。 P5：带转输泵转输生活、消防合用高位水箱的 高压消防给水系统，系统不设直接向消防给水管 网系统供水的消防水泵，由生活、消防转输泵逐级 转输至中间及屋顶水箱，通过中间或屋顶水箱向 消防供水分区供水，并能满足消防给水系统水压 和流量的消防给水系统（见图1e）

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箱逐级串联的临时高压消防给水系统

转输、减压水箱分设高压消防给水系统

b仪设减压水箱的高压消防给水系纷

结合前面所阐述的评价指标和选定的各层元 素，可以得到超限高层建筑消防给水系统的优化层 次模型结构图，如图2，运用层次分析法以及上述的 相关评价方法，可以对5种系统进行综合评价与优 化设计，具体计算流程见图2。 在采用层次分析法确定各个评价指标以及准则 的权重时，广泛征求了有丰富设计经验的设计人员、 消防局的专业人士以及业主的管理人员的意见，对 每一个层次各因素间相对重要性进行一定的判断 （见表1），得到以下定性结果：

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图15种消防给水系统示意

图15种消防给水系统示意

P1临时高压消防给水系统，具有初期投资小 运营成本低，占地面积省的优点，但对整个消防给水 系统而言，安全性相对不高，系统压力也不是很稳 定，运行可靠性一般，不如高压系统控制简便，设备 维护也相对较为复杂。 P2经典重力消防给水系统，占地面积较临高压 系统略高，初期投资和运营成本较临高压系统低，系 统压力稳定性好，系统控制、设备维护简单，但该系 统将一次火灾持续时间内的消防用水量储存在屋顶 消防水池，其余各设备层只设置减压作用的消防水

2超限高层建筑消防给水系统优化层次模型结构

箱，对于“竖向消防水源”来说，只能做到单水源，而 且由于超限高层建筑的“级数”比较多，对于靠近建 筑下部的分区，水源需要从最高处层层减压供给，路 径过长，中间环节多，可靠性不高，系统安全性随着 减压水箱基数的增加而减小；除了在最高处储存一 次火灾所需消防用水量外，地下水池还需储存一定 水量作为消防转输泵的调节水量，经济性更差；屋顶 消防水箱的补水，通过生活给水系统补给，水源的安 全性也存在一定隐患， P3转输、减压水箱分设重力消防给水系统，初 期投资大，运营成本高、占地面积大；但优势在于消 防供水系统安全性较高、系统压力更稳定、运行更可 靠，联动控制较复杂，设备维护相对较复杂，对于“竖 向消防水源”来说，弊端与P2一样。火灾初期上级 减压水箱向下级减压水箱溢流系统可靠性差，并消 耗了部分屋顶消防水池储水量， P4转输、减压水箱合用重力消防给水系统，初 期投资大，运营成本高、占地面积大，但优势在于消 防供水系统安全性较高、系统压力更稳定.运行可靠

性一般。相较于P3而言，在“竖向消防水源”上，可 更好分开储存消防用水量，在每一级分区内，储存了 定的消防用水量，供水环节少，可靠性高，但在联 动控制方面，当合用水箱水位下降时，由下一级的转 输泵和上一级的合用水箱共同补水，由于消防状态 时消防水泵不会关闭，该级水箱同时向上一级转输 又同时由下一级水箱转输供给，由于每台水泵的性 能曲线不会完全一致，管道特性曲线也无法完美匹 配水泵特性曲线，该级水箱进出流量是否平衡不能 确定。另外，上一级水箱减压供给火场以外，同时供 给该级水箱，减压阀后的流量需大于消防用水秒流 量，水箱的出流量必定大于进流量，高位消防水池 用完后，很大可能会“入不敷出”，持续消防作战的能 力下降。 P5生活、消防合用的重力水箱分区重力消防给 水系统，相较于P2、P3、P4而言，初期投资、运营成 本、占地面积均处于中游位置，但在系统压力稳定、 联动控制、设备维护方面有较为突出的优势。由于 水泵不分生活、消防专用，所以确保了在消防时，水 泵一直保持看良好的状态，做到了需之即用的特点。 水箱液位控制采用2套不同工作原理的液位控制系 统，互为备用，控制中心能手动切换并监控，转输泵 的工况判断以消火栓箱内按钮和自动喷水灭火系统 报警阀组上的压力开关状态甄别，初期火灾时，无上 尔水箱向工级水箱送法址水问肠

根据各打分人员评分的结果取平均值，对Z（目 标层）、C1（准则层1）、C2（准则层2）以及方案层F 消防给水系统方式)建立判断矩阵，并通过计算，可 以得到以下结果（见表2～表15）

表1层次分析法各因素比较

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表 2 准则层比较判断矩阵

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杨　民殷晨鸣陆　萍王坚安3 殷晓风3 姚灯银俞志根

摘要在上海中心大厦项目虹吸雨水系统实施过程中，如应急排水系统的计算、溢流系统的设 置等涉及到系统及建筑安全的部分十分重要，需要综合考虑各方面要求后才能实施。同时，为保证 系统的正常使用，从设计、深化设计、施工客阶段，都要对系统的客个环节进行动态的设计、审核、复 核，并及时与土建总包、机电安装、设备承包商进行必要的沟通、协商，才能保证施工的有效进行，保 证系统验收完毕，确保虹吸系统能够按照设计的要求正常运行。通过对系统选用、设计等方面的分 析，总结了虹吸雨水技术在大型建筑上的应用特点。 关键词上海中心大厦虹吸雨水应急排水溢流系统大型公共建筑

在上海中心大厦项目中，塔楼屋面采用半有压 流的雨水系统收集排放雨水，裙楼屋面主要采用虹 吸式雨水排放系统，部分采用半有压流及重力雨水 系统收集裙楼屋面及部分塔楼侧墙的雨水。结合大 楼绿色建筑的要求，收集的雨水经处理后，作为中水 的补充，其中塔楼屋面雨水收集至66层雨水处理机 房，裙楼屋面雨水收集至地下5层的雨水处理机房， 多余的雨水均溢流或经事故排放系统排至室外雨水 管网。室外东南西北四个方向上均有雨水排放接口 与市政雨水管衔接，可以满足基地排放要求

1裙楼屋面雨水系统方案选择分析

在上海中心大厦中，裙楼及塔楼侧面计算面积 将近有30000m，如采用重力流设计，势必会有较 多的雨水管道及较大的雨水管径，而虹吸式雨水排 放系统，利用负压作用抽吸排水，排水更快捷，管径 可以相对较小，可让多个雨水斗共用一根立管排放 进而可大量减少从建筑屋面引至地面的雨水立管 数，使得建筑物内立面美观、空间利用率提高。 裙楼屋面有许多大型的设备，屋面不能产生积 水、冲刷现象，要求雨水排放迅速有效；同时裙楼中 又有宴会厅、餐饮等人员密集型场所，屋面不能有渗 水、漏水等现象，这主要与防水节点、施工质量等有 关，也与排水能力有关。虹吸雨水系统能够提供较

上海市科委课题（09dz12077

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高的排水效率，适合于此种类型的大型公共建筑。 另外，上海中心大厦裙楼中的多功能厅、宴会 厅、会议、餐饮等，都对排水噪声的控制有非常高的 要求。基于虹吸系统的特性以及低模量且呈满管流 的HDPE管道，相比于其他雨水排放系统可以将噪 声进行有效降低。 裙楼面积大、功能多，吊顶内管道众多且交错 结构形式复杂，管道井相对集中，而内部空间又要求 尽量高，如采用半有压流或重力雨水系统，管道坡度 的因素会使得管道布置极为困难，而采用虹吸雨水 系统，悬吊管可采用平坡布置，极大方便了管道布置 及走向。因此，裙楼的大部分面积最终采用了虹吸 雨水系统，其余小面积部分则采用半有压流雨水 系统

裙楼屋面雨水量按照50a的重现期计算，结合 溢流系统，达到100a重现期的排水量，经计算：上 海市暴雨强度重现期P=50a，5min暴雨强度q= 7.09L/（s·100m）；P=100a,5min暴雨强度q= 7. 79 L/(s· 100 m)

根据裙楼屋面的布局，先初步划定屋面的汇水 区域。因本项目裙房屋面复杂，不仅形状不规整，建

筑屋面标高也各不相同，所以划定区域时，综合考虑 了包括面积大小、形状、建筑标高、屋面建筑功能、屋 面材料等各类因素，确定合理的汇水范围。因塔楼 侧面积大，虽然侧面雨水也排入裙楼屋面，但设计时 采用单独的排水系统，包括独立的明沟、雨水斗及管 路系统等，以避免对裙楼整体排水系统产生影响。 裙楼屋面平面见图1

2.2.2确定明沟的走向及截面

根据确定的屋面布局、汇水区域等，配合建筑专 业确定明沟的位置及走向。其中，要综合考虑包括 汇水区域、建筑找坡厚度及方向、下层空间的功能布 局、雨水斗接管方式、屋面的建筑布局、设备布置等 各类因素

2.2.3确定主管道的路线

由于裙楼内建筑功能复杂，其他专业的管线众 多，虹吸雨水系统的深化设计又跟不上施工图设计 的进度，所以先根据汇水面积，初步确定系统的管 路、走向，并通过管线综合提前预留管位，包括吊顶 内的悬吊管、各层立管、地下室出户管等，

2.2.4初步确定雨水斗数量、型号及位置

参考图集及手头的资料，根据屋面雨水设计流 量和雨水斗的额定流量参数值，初步确定雨水斗的 数量，根据一般2个雨水斗间距不宜大于20m，可 以确定雨水斗的具体位置，同时，雨水斗的位置还要 考虑避开屋面构造、设备基础等

2.3虹吸系统与雨水回收系统的衔接

因上海中心大厦有雨水回收的要求，裙楼虹吸 系统的管路大部分进入地下5层的3个雨水处理机 房处理后回用。考虑裙楼面积较大，为避免管路过 长，采用分区域设置雨水处理机房的办法，可以让管 道就近接入。同时，如果只采用1个集中的雨水机

房，一旦雨水调节池到达高水位、或处理设备发生故 障等，整个系统均无法使用，对大楼的运营会产生较 大影响，而采用3个雨水机房能够减少这种影响。 虹吸雨水系统与雨水回收系统，根据招标要求 分为2个系统，故涉及到系统间管路的对接、雨水量 的匹配、系统的控制以及消能和事故排放等，在设计 过程中都要整体考虑并提出技术要求

2.4溢流、事故排放等应急措施的设置

虹吸系统根据规范要求，必须设置溢流系统。 因裙楼外墙为幕墙，在外立面上设置溢流口较困难 所以在设计初期就向建筑、幕墙专业提出要求。溢 流口的设置高度及面积应满足设计要求，形状及形 式可以结合幕墙的要求进行调整；溢流口或溢流装 置周围不得遗留杂物、充填物等；在雨水斗与溢流口 之间，明沟内应保持水流通畅，无障碍物；溢流口的 位置要避免溢流时对建筑物四周的人流、设施等产 生危害

2.4. 2溢流管系统的设置

由于溢流口的设置受到建筑外立面的限制，所 以裙楼只能进行少量的设置，其余雨水溢流量还需 要通过溢流管路系统来消化。溢流管路根据汇水面 积分别计算后设置，并直接排出室外。

上海中心大厦的雨水机房在地下5层，考虑雨 水调节池达到高水位或处理设备发生故障的可能 性，除雨水机房内设置事故泵外，每路虹吸系统都有 2路分支管路，一路直接进地下室雨水机房，进行正 常的雨水收集，另一路直接接出室外，在非正常情况 下应急排放雨水。在2路管路上均装有电磁阀，由 雨水处理机房在不同工况下发出信号，进行联动开 关。这样，对于一套管路系统就会有2种工况，但均 要求能够达到设计要求的排水要求，在后期深化设 计中，必须通过水力计算加以复核。应急排放系统 见图2。

消能、排气等安全措施的设置

屋面雨水进入雨水处理机房内，先进入雨水调 节池。雨水调节池为不锈钢材质，如直接接纳屋面 的雨水，除去虹吸系统末端有一定的压力，并有气水

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图2虹吸系统应急排放系统

混合的水流状态，加上竖向管路50多米的垂直距 离，对不锈钢水箱会产生巨大的冲击作用，同时形成 振动和发出噪音，影响水箱的使用寿命。为此，在雨 水调节池前，增设了雨水消能池。消能池采用不锈 钢内胆外加钢筋混凝土的构造，除了能够避免渗漏， 还能增加池体重量，有利于减少振动和噪声。池内 在进水管处还有混凝土消能档板，避免雨水直接冲 击水面。池外壁设置消音板，池体不锈钢裸露的部 分还采用喷涂消音涂层。为避免池内气流扰动，水 池顶部均设置通气管以加强排气。

2.5.2雨水出户管经雨水消能后排放室外

根据规范的要求，虹吸雨水系统的出户管应接 消能井，以消弱雨水的势能、排放多余的气流、稳定 室外排水管道的流态等。上海中心大厦的东面及北 面地下室外墙均贴邻红线，没有室外空间设置消能 井，只能在地下室内设置，但如果每个雨水管均对应 一个消能井，则数量大且影响地下1层商业面积的 使用，所以采用集中设置的办法，共设置4个大型消 能井，所有管线集中至4个消能井后再排放至市政 雨水管。西面的地下室外墙离红线虽然有4m的距 离，但室外管线较多，结合场地布置，采用在室内和 室外集中设置消能井的办法；南侧因室内空间均为 机电用房，则全部在室外集中设置消能井。消能井 还要考虑排气措施，均在池顶或池壁设置排气管，引 至安全、隐蔽的室外部位设置。消能井的平面位置 见图3。

3虹吸雨水系统深化设计

虹吸系统在施工图中的设计，按照其深度还不 能作为施工使用，往往仅能用于设备招标、管道基本 定位、用于管线综合和预留预埋等.还需要由专业公

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司进行深化设计，根据承包商的产品特性、水力计算 软件等，对设计参数的复核、管径选用、雨水斗选型， 数量及位置等作进一步的细化和深化，并结合机电 总包的管线综合设计确定管线位置和安装节点等配 合工作。当然，深化设计的所有内容，都必须经过设 计院的审核确认，方能最后实施

需要复核的设计参数包括汇水区域的 水区域的高度，暴雨强度重现期，确保设计参数准 确。特别是汇水区域，在原施工图设计的基础上，经 现场实测后，才最终确定面积大小及形状。

2复核天沟走向、天沟材质、截面形状及大小、防

上海中心屋面排水涉及到幕墙构造，幕墙是由 幕墙公司后期深化的，与原先的施工图会有所不同， 需要复核天沟截面、天沟走向、汇水面积、不同材质 的天沟和防水做法，并匹配相应的雨水斗，确保虹吸 雨水斗可以正常安装和工作

.3复核雨水斗选型和定位

根据汇水面积和天沟长度，计算后确定雨水斗 数量和型号.结合天沟均匀布置雨水斗。

系统水力计算，流速、正负压的控制，确定管行

在初次对系统进行水力计算时，确保系统充满 度为90%左右，留有10%的余量，确保施工阶段有 调整空间。每个虹吸排水系统的负压控制在 70kPa，正压控制在150kPa

由于每路虹吸系统进入地下室后都有2路分支 管路，以应对正常回收和应急排放的2种工况，需通

过水力计算对2种工况进行复核，并对原设计管路、 配件等进行调整，确保系统同时满足系统运行要求。 在进行水力计算的时候相比一般项目来说计算 量较大，难度较高。计算量大，是因为每路虹吸系统 都要进行2次水力计算，一次进行系统排出到市政 管网的水力计算，另一次进行系统排出到雨水机房 的水力计算。计算难度较高，原因是一路系统在这 2次水力计算的过程中，不但要确保系统通过水力 计算，还要保证系统在地下1层以上的部分管径一 致。以其中一路系统为例。表1是某系统排出到地 下1层的管道参数，表2是该系统排出到地下5层 的管道参数。表1中的管道编号7～22，表2中的 管道编号13～28，表示此系统在地下1层以上的管 路计算，必须确保2次计算中这部分的管径尺寸 一致

表1某系统排到地下1层的管道参数

注：管道编号19S15表示整个系统中编号为19的管道，同时也 5号管道的支管，余同

15 号管适的支管.余同

某系统排出到地下5层的管

裙楼南面有雨蓬，该处位于2层屋面的高度，排 水量对应塔楼的侧墙面积，为加强排水能力，结合建 筑要求采用的是溢流管路系统结合溢流口的溢流方 式，裙楼的其余部位则均采用溢流管路系统。溢流 口的形式与幕墙公司配合后，采用了矩形截面。

一般虹吸系统没有系统控制的要求，本项目结 合雨水回收系统，有管路正常排放及应急排放的要 求，因此，需要配合雨水回收处理工艺确定控制的逻 辑关系。控制是通过管路上的电磁阀来进行，打开 及关闭的指令由雨水处理工艺发出，电磁阀的位置

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则由虹吸系统来确定。电磁阀的设置位置和形式， 要求能够保证电磁阀的检修、电磁阀能够与HDPE 管道连接匹配等，更重要的是，电磁阀的设置位置， 直接关系到系统2种工况的设计范围、水力计算、以 及管径设计等。因此深化设计时，需要额外增加系 统控制（主要是电磁阀设置）的设计内容

施工图完成后，安装公司根据现场情况会有管 线综合的深化过程，对原有雨水管路的走向及定位 都有调整，这些信息会及时反馈给虹吸系统的承包 商和设计院，由承包商和设计院根据水力计算动态 校核各管路的系统工况.并提出修改意见

3. 9 管道支架形式

管道支架的做法是虹吸系统的一个重要环节， 因本项目地下室管线众多，支架的设置涉及到与其 他管线支架的配合、土建的配合等，深化设计中对此 都有具体要求。 本项目中管道支架采用的是管道、管卡与方钢 结合的二次悬吊的安装形式，它的优点是可以有效 缓解管道的热胀冷缩

3.9.1水平固定系统

根据以下规则注意固定点： （1)每个Y型接口需要一个锚固管卡，在最大 管径的管道上，当两个Y型接口间距超过5m时， 需要增加锚固管卡，保证相邻两个锚固管卡间距不 大于5m。最后一个雨水斗处及水平管接至立管需 要有锚固管卡。锚固管卡采用专用电焊圈 200mm管径管道的固定点需要双法兰衬管。 （2）如果方钢间断，需要安装2个锚固管卡。 （3）每隔2.5m需要有一个连接房顶和墙面的 连接件。 （4）检查每一个吊件及支架中是否已插入楔形 固定件。 固定系统示意见图4

3.9.1.2管径≥250mm时的水平固定系统

镭固管卡由一组配件组成。315mm官径的每 个固定点需要2个锚固管卡组成。每个Y型接口 需要1个锚固管卡，在最大管径的管道上，当两个Y 型接口间距超过5m，需要增加锚固管卡，保证相邻

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两个锚固管卡间距不大于5m。最后一个雨水斗处 及水平管接至立管需要有锚固管卡。 每隔2.5m必需与屋面或墙面固定。方形导轨 不能被切断，否则需要两个锚固管卡固定。 固定系统示意见图5

每隔5m安装一个锚固管卡，每15倍管径有1 个导向管卡。到达混凝土路面之前必须有1个固定 点。系统示意见图6。

3.10管材选用、管道连接方式

管材选用高密度聚乙烯HDPE管道，并采用热 熔焊接或电焊管箍连接

4虹吸雨水系统施工配合

在施工配合阶段，除了要让施工单位明确设计 意图，按照设计图纸施工，施工过程中还会有现场问 题需要解决，各方意见需要协调，这都要求设计灵活 运用规范、提出合理的办法

上海中心大厦的施工各方包括土建的总包和分 包、机电安装的总包和分包，参建单位众多。设计师 要求施工总包提供项目的施工进度计划，安装分包 提供虹吸系统的分包施工进度，了解虹吸系统在整个 项目中的节点，便于设计跟踪，集中配合。由于项目 造价管理的要求，涉及到造价变更的，都需要设计院 提供修改图纸，因此，设计师对项目需要有全局的了 解，对每个修改都要知道前因后果，便于正确修改。 虹吸系统的前期涉及到预留预埋等，中期涉及 到管道布置、支架和配件安装等，后期涉及到验收调 试等。上海中心大厦的虹吸系统在整个项目中，属 于一小部分，但却与土建、幕墙、安装、总体、中水雨 水处理等均有关联，而每个关联方的进度又各不相 同，所以对进度相关的部分、以及对应的施工内容应 均加以了解，可以跟进施工中的问题及时复核系统， 督促施工方注意施工内容，协调施工方案，避免不必 要的返工。

4. 2 与士建的配合

上海中心大厦主体建筑的施工图设计，为配合 施工进度，是由下往上分成5个子项分别进行的，即 完成地下室施工图后，再进行裙楼的设计，依次类 推。虹吸雨水系统的招标工作又在整个大楼施工图 完成后，土建施工又紧密跟着施工图进度，所以在地 下室施工图设计时，虹吸系统是按照整体的系统进 行设计，裙楼部分与虹吸有关的设计也同步设计。 地下室土建施工时，涉及到的地下室外墙的预留预 埋、楼板的留洞等，需要在施工图上表达清楚，同时 由于地上部分尚未正式设计，许多设计条件还没有 正式确定，需要结合设计经验，并参考类似项目的经 验，考虑日后调整的可能性，适当增加预埋点和预留 管位。裙楼土建施工时，除了涉及到楼板和屋面留 洞管道布置外.还要兼顾屋顶幕墙天沟的施工配

合、屋顶设备承包商的施工配合等。 与土建的配合，当机电安装全面展开后，管路势 必会调整，因此还涉及到预留洞的修改、管道支架和 管道井的调整等，都需要土建配合调整。

施工图完成后，根据项自的要求，还有安装公司 的深化设计阶段，进一步结合施工现场、施工进度， 进行管线综合、设备布置等。深化设计阶段，虽然以 安装公司为主，但对系统的把握依旧以设计师为主。 施工现场的问题，会同时反应到深化设计和设计师 处，同步反应并参与深化设计的修改。所有修改，都 需要经过设计师的认可，深化设计图纸都要由设计 师签字确认后才能施工 虹吸雨水招标完成后，设备承包商会配合复核 原招标图纸，经深化设计的管线综合，确定管道现场 的安装位置、支吊架的安装等。其间，承包商还需应 用专业软件对系统进行水力计算，设计师同时加以 复核，以保证所有的修改能满足设计规定的要求。

上海中心大厦裙楼采用虹吸雨水系统，是根据 建筑特点，并经过技术比较后选用的。虽然虹吸雨 水系统已经是一个成熟的技术，但在上海中心大厦 项目的实施过程中，诸如：应急排水系统的计算、溢 流系统的设置等涉及到系统及建筑安全的部分都格 外重要，都要考虑各方面要求后才能实施。同时，为 保证系统的正常使用，从设计、深化设计、施工各阶 段，都要对系统的各个环节进行动态的设计、审核、 复核，并及时与土建总包、机电安装、设备承包商进 行必要的沟通、协商，才能保证施工的有效进行，保 证系统验收完毕，确保虹吸系统能够按照设计的要 求正常运行

CECS 183 虹吸式屋面雨水排水系统技术规程 CJJ142一2014建筑屋面雨水排水系统技术规程

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水利常用表格李学良杨民章俊杰潘健姚灯银俞志根

摘要上海中心大厦项目中除酒店外的所有卫生间均采用同层排水技术，并主要采用沿墙敷设 方式。通过项目介绍，阐述了同层排水系统在超高层建筑中的技术特点，为同层排水技术在超高层 建筑中的应用提供有效案例。 关键词上海中心大厦同层排水沿墙敷设超高层建筑

上海中心大厦位于浦东陆家嘴金融中心，总建 筑面积约为57万m，地面以上128层，建筑高度 632m。从建筑构造方面分为地下室、裙楼、塔楼 塔冠等，从建筑功能方面又分为地下车库、地下设备 机房、地下后勤区、地下商业、裙楼商业及多功能会 议、办公、酒店、塔冠观光、避难和设备层等区域。建 筑内卫生间数量众多，卫生间内采用污、废分流的形 式，洁具配置器具通气管，在综合考虑各种因素的前 提下，最终采用同层排水的形式进行排水管道的 布置

上海中心大厦排水系统设计特点

上海中心大厦为绿色超高层建筑，按照绿色三 星、LEED金奖的要求进行设计，其中给排水系统中 涉及到中水回用、雨水收集利用等内容。中水回用 的水源包括卫生间废水、机房排水等，因此，建筑内 的排水按照污、废分流的排水体制设计，污水和废水 单独设置排水系统，污水直接排放至室外排水管网， 废水经中水处理站收集处理后回用于大楼的冲厕、 绿化、景观等用水。

1.2按不同功能设置独立排水系统

由于建筑内部功能复杂，管路众多，同时考虑大 楼建成后维护管理的方便，设计按不同功能设置相 应的管路系统，如酒店区、办公区、裙楼的生活污、废 水分别设置排水干管收集排放，厨房含油废水、机房 排水等均单独设置管路系统

国家电网标准规范范本排水立管在设备层结合管井的位移作横向转

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