高層建筑中自動噴水滅火系統(tǒng)的可靠性分析

崔鐵良　張鷗　姚禮楊　汪能

摘 要 隨著我國社會經濟的不斷發(fā)展，城市中的高層建筑越來越多的出現(xiàn)，高層甚至是超高層建筑已經成為城市中的一道風景，高層建筑最大限度地利用了空間也為人們的工作和生活帶來了便捷，但是另外一方面來說，高層建筑的這些特性也帶來了另外一個問題，那就是消防安全，高層建筑增多帶來了巨大的消防安全隱患，主要原因是高層建筑的樓層較多加上內部裝修，火災隱患很多，本文將結合高層建筑的特點和容易發(fā)生的火災危險進行討論，分析自動噴水滅火系統(tǒng)在高層建筑滅火中發(fā)揮的作用。

關鍵詞 高層建筑 火災隱患 滅火 噴水滅火系統(tǒng)

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷推進，城市的規(guī)模在不斷地擴大而城市人口也在呈爆發(fā)式增長，對于城市來說高層建筑起到的作用巨大，現(xiàn)代城市的發(fā)展離不開高層乃至超高層建筑，這是時代發(fā)展的要求也是現(xiàn)代社會多樣化發(fā)展的必然結果。

每一項新生的事物都帶有雙面性，高層建筑的增多促進城市的發(fā)展，但是隨之而來的消防安全問題也日益凸顯，由于高層建筑樓層很多，其內部的裝修十分復雜，另外一方面高層建筑內部人員密度非常大，各種管道密集集中，線路復雜，火災危險性不言而喻，一旦發(fā)生火災，蔓延的速度快和造成的危害巨大，有時候也會因為樓層過高給火災的救援工作帶來阻力，火勢的蔓延得不到有效的控制會直接造成人員的傷亡和巨大的經濟財產損失，這就要求高層建筑的消防滅火工作主要是以預防為主，建立完整的火災撲救體系，盡最大可能在火災發(fā)生的初期就把火撲滅，將火災造成的危害降到最低。

1 高層建筑火災特點

現(xiàn)代城市中高層建筑是不可或缺的一部分，它節(jié)省土地，提高效率，緩解城市用地壓力，也成為城市靚麗的風景，但是高層建筑樓層高，體積巨大，內部的人員眾多，每個高層建筑內部的組成復雜，一旦發(fā)生火災危害程度要比普通的建筑大?？偨Y高層建筑發(fā)生火災后的危害特點如下：

（1）一旦發(fā)生火災，蔓延迅速，火勢較大且蔓延的方式和渠道很多難以把控，高層建筑發(fā)生火災最容易形成煙囪效應，危害巨大，尤其是對人的生命安全。所謂的煙囪效應指的是，在高層建筑中一個樓層發(fā)生火災之后，建筑物內部的樓梯間，管道間，電梯間，通風管道等等可能透風的通道在發(fā)生火災的時候如果沒有很好地進行分隔，這些垂直的豎井就會像一座高高的煙囪，產生很大的拔氣，而火災有了拔氣作用燃燒劇烈，還有可能通過這些通道直接蔓延到其他的樓層進而造成更大的危害。通過科學的實驗證明，火災中的煙塵在拔氣作用下擴散的速度能夠達到每秒三到四米，也就是說，即使是在一樓發(fā)生火災，100米左右的高層建筑僅僅25秒到30秒的時間煙氣就能夠順著垂直通道直接擴散到頂樓，與此同時火勢也會進一步擴大，而這種拔氣效應在樓層越高的建筑物內越為明顯，產生的危害也就越大。

（2）一旦發(fā)生火災疏散較為困難。高層建筑為了更好地利用垂直空間，其垂直高度會盡可能加大，這樣更空間利用率更高，但是一旦發(fā)生火災在進行疏散的時候弊端就顯示出來，如果一層發(fā)生火災就需要疏散每一層的人員，極易發(fā)生擁堵，從建筑內部疏散到外部本身就需要很長的時間，在發(fā)生火災的時候高層人員唯一能夠借助的就是樓梯的消防通道，如果消防通道因人為疏忽封閉不嚴竄入濃煙或者也發(fā)生火災就直接切斷了高層人員疏散的通道，這樣最容易產生重大的人員傷亡。

（3）發(fā)生火災后撲救工作展開困難。如果火災發(fā)生在較低的樓層的話，消防官兵或者救援人員能夠在最短的時間內到達并實施滅火和營救，但是高層建筑發(fā)生火災往往出現(xiàn)在較高的樓層，而就目前來說我國的最為先進的消防云梯的有效高度也僅為七十多米，一般配備的消防云梯高度為五十米左右，而城市中很多的高層建筑高度能夠達到100米甚至更高，遠遠超出消防云梯所能夠達到的高度，一旦超出云梯高度，發(fā)生火災之后智能依靠建筑物本身的消防設施進行撲救工作，效率會大打折扣。

（4）起火因素多，撲救難度大。高層建筑內部的樓層多，人員多，內部的裝修材料的原料使用大多是易燃品且多種多樣，一旦發(fā)生火災的時候很難根據(jù)普通的火災情況進行處理，在燃燒的時候發(fā)生化學作用進而產生大量有毒的氣體通過通道蔓延，對疏散人員造成重大的人身危害。

（5）內部構造復雜，潛在的隱患多。一方面隨著城市的發(fā)展，城市用地變得越來越稀缺，另外一方面，建筑科技的進步使得高層建筑所具有的功能也越來越多，在寸土寸金的城市建設的高層建筑往往會竭盡可能地利用建筑物本身的功能，尤其是近年來，超高型建筑，大型高密度型建筑越來越多，高層建筑擔負的社會功能越來越多，從工作到生活到娛樂，每一方面都有所涉及。內部包含大樓的供電設施，給排水設施，暖氣設備，空調通道，電梯等的通道及設施錯綜復雜，一旦發(fā)生火災，煙塵和火勢可能隨著其中任何一種或者多種通道設施進行蔓延，蔓延的火勢會進一步危害到大樓內部人員和財產，另外一方面燃燒產生大量的有毒煙霧在內部擴散會直接造成人員的傷亡，有數(shù)據(jù)統(tǒng)計，造成高層建筑火災傷亡的原因竟然不是火而是煙，建筑火災中有將近百分之八十的傷亡是由于煙的中毒進而窒息而死，而濃煙也會嚴重阻礙救援工作的開展。

2 什么是自動噴水滅火系統(tǒng)

顧名思義，自動噴水滅火系統(tǒng)是一種能夠進行火災探測并在發(fā)現(xiàn)火災狀況的時候自動進行噴水作業(yè)的固定到建筑物內部的滅火相關設施，而且自動噴水滅火系統(tǒng)具有較為靈敏的感應技術，在火災發(fā)生初期就能夠感應到火災并進行滅火，由于是采用噴淋的方式能夠最大限度地降低輻射熱，限制火災的蔓延，也正是因為消防噴水滅火系統(tǒng)起到的作用比較明顯，這種滅火系統(tǒng)正越來越多地應用到現(xiàn)代高層建筑的建設中，取代原來的消火栓滅火系統(tǒng)成為高層建筑主流使用的滅火系統(tǒng)，進而占據(jù)主導地位。

表1很明顯地表明，高層建筑內部如果采用自動噴水滅火系統(tǒng)能夠在火災發(fā)生之初就能夠觸動警報并進行噴水滅火，第一時間進行滅火作業(yè)，降低燃燒物的燃燒熱度和蔓延速度，很多時候能夠在火災之后就能滅火，有效避免財產損失和人員傷亡。

3 高層建筑自動噴水滅火系統(tǒng)可靠性探討

可靠性探討是近年來才逐漸被重視的一個課題，我國的此項研究也只是在近二十年才開始，每個行業(yè)都會有本行業(yè)的一些行業(yè)標準，國家也越來越重視一系列的可靠性標準。我國國內高層建筑給水排水系統(tǒng)工程方面比較具有代表性的就是徐祖信團隊對給水管網的可靠性進行了較為深入的研究，提出了水分配系統(tǒng)要以可靠性為基礎的線性優(yōu)化模式，可以把消防系統(tǒng)當作給水系統(tǒng)的一部分。另外一個就是楊琦（華東建筑設計院）發(fā)表的《高層建筑消防水系統(tǒng)可靠性的研究》一文里介紹了怎樣進行消防系統(tǒng)可靠性模型和可靠度的計算方法。

3.1 自噴系統(tǒng)主要組件的可靠性分析

3.1.1 報警閥

報警閥主要起到的作用包含三個方面，即全面體現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性，在發(fā)現(xiàn)火災的時候自動啟泵，及時報警提醒樓內人員進行疏散。水力警鈴報警裝置的一種，它的工作原理就是利用水流沖擊發(fā)出一定的響聲，在發(fā)現(xiàn)初起火災的時候在報警閥進行報警的同時，進行噴水滅火。水力警鈴的裝置一般是安裝在樓宇內部的公共通道上或者是樓宇值班室的附近的外墻上，一般的材質采用鍍鋅鋼管，長度如果在六米以內的話管徑應該是十五毫米，管道的長度超過二十米，官大的直徑要達到二十毫米，需要注意的是在裝的時候要預留檢修和測試的閥門。這種報警方式效果很好，但是水力警鈴這種報警裝置一般會安裝在泵房里，高層建筑的泵房往往又被設立在地下并且常常是無人看守，這樣一來即使是發(fā)生了火災且報警也很難有人發(fā)覺，警鈴形同虛設，為了避免這種情況的發(fā)生，在進行水力警鈴設計的時候就應當考慮到要把警鈴引到有人值守的值班室，但是要注意信號管的長度要控制在二十米以內。如果高層建筑內部有專門的消防廣播設施，水力警鈴只是起到輔助作用，如果沒有相應的廣播設施就應該以水力警鈴為主進行設置，讓流動人員能夠在第一時間聽到報警鈴聲。

我國國產的濕式報警閥ZSZ系列的最大工作壓力是1.2Mpa，另外一個系列ZSS最大的工作壓力是1.6MPa，舉例來說，一棟高度為一百米左右的高層建筑，內部的自動噴水滅火系統(tǒng)工作壓力很可能已經超過了其最高的工作壓力，主要應對策略就是分區(qū)措施，根據(jù)實際的工作壓力值結合樓層進行移位，保證報警閥能夠在正常的壓力范圍內進行工作報警。

3.1.2 信號閥門

在給排水系統(tǒng)中有一個比較重要的部位就是信號閥門，一般都需要配置信號閥的部位為報警閥組控制閥、水流指示器前的分區(qū)控制閥和報警閥組環(huán)狀供水的檢修用控制閥，信號閥必須能夠在消防控制只會中心顯示開啟或者關閉的狀態(tài)，這樣就能夠及時發(fā)現(xiàn)因操作失誤或者忘記打開閥門造成的配水管道而產生事故。

3.1.3 末端試水裝置

所謂的末端試水裝置就是手動檢驗裝置的一種，可靠性很高，主要是設置在一些具有聯(lián)動要求的自動噴水滅火系統(tǒng)上面。其原理是通過末端試水裝置來模擬單個噴頭的放水流量，通過測試來觀察壓力表的數(shù)值變化是否穩(wěn)定來判斷整個的噴水滅火系統(tǒng)的放水流量能否達到相應的標準，還有一點就是測試系統(tǒng)能不能在起火后離火源最近的噴頭在釋放噴水之后還能不能進行正常的報警，報警閥，壓力數(shù)值，水力警鈴都能夠不受影響正常的工作，也就是說在噴淋泵啟動的時候無論是哪個噴頭在工作，系統(tǒng)都能夠聯(lián)動運行。還有需要注意的就是，在進行末端試水裝置試水的時候其K值應當與區(qū)域里最小的流量噴頭的K值是一樣的才行，測試用的壓力表應當盡量靠近相應的試水口，這樣做的原因是，只有靠近試水口測出的壓力值才能準確反映試水口的出水量。

3.1.4 噴頭

噴頭是整個噴水滅火系統(tǒng)的最終端，滅火動作是通過噴頭實現(xiàn)的，布水作業(yè)直接由噴頭完成，也就是說噴頭的選用好壞或者選型是否恰當會直接影響到滅火效率和效果，十分重要。所以在選用噴水噴頭的時候要切實做到從實際出發(fā)，也就是說要根據(jù)使用此噴頭的場所的火災危險性特點相結合，結合建筑物內部的空間構造，還有就是整個消防系統(tǒng)自動噴水滅火的特點進行選擇，比較核心的參數(shù)就是噴頭的流量系數(shù)和熱敏指數(shù)，進而確定噴頭的安裝密度和保護面積。

噴頭的選用關系到整個噴水滅火系統(tǒng)的可靠性，所以要進一步考慮到噴頭所處的特殊場合狀況，每個不同的場合選用不同的噴頭，最先要考慮率到噴頭的靈敏度即反應的快慢，是否能夠在最初發(fā)現(xiàn)火災的時候進行噴淋作業(yè)而又不會因為過于靈敏出現(xiàn)誤噴的現(xiàn)象。

在實際的使用過程中，對于一些中輕危害級別的場所，如住宅，娛樂場所，醫(yī)院，學校，養(yǎng)老院等人員密集活動的地方要采用快速反應的噴頭，在發(fā)現(xiàn)火災情況的第一時間就會做出反應，報警，最大程度地爭取疏散逃生的時間，降低人員傷亡。而在一些嚴重危險的場所突然發(fā)生火災的時候，要考慮到，發(fā)生火災之后火速蔓延較快，并且同時釋放大量的熱量，如果同樣采取快速反應噴頭會造成同時觸發(fā)的噴頭數(shù)量過多，相應的水壓不能達到，噴頭開啟數(shù)量雖多但是強度不夠，很難取得良好的滅火效果，這也就是為什么一些嚴重火災場所要降低噴頭靈敏度的原因，熱度高的時候數(shù)量不是決定性因素而是強度。

另外，還有一些地方應采用快速反應噴頭，主要從使用場所上分別，如倉庫，也就是不易捕捉熱量的地方，要采用快速反應噴頭，一般來說，像倉庫這些火災危害性較高的地方都會采用專用的噴頭，也就是有過相關認證的噴頭，常見的有早期一直快速反應噴頭，效果良好，但是并不適用于非常大的空間場所，不然極易產生誤噴。

3.2 自動噴水滅火系統(tǒng)水泵啟動控制方式的可靠性分析

在實際的應用過程中，自動噴水滅火系統(tǒng)有未能滅火成功的案例，通過對這些案例的分析，我們發(fā)現(xiàn)，引起未能成功滅火的原因中，供水中斷的比列達到百分之三十五，供水量不足占到百分之十，兩者合計能夠達到百分之四十五，這個數(shù)據(jù)充分的證明一點——供水系統(tǒng)不可靠對噴淋系統(tǒng)效果的影響很大，建立完善的獨立的供水系統(tǒng)很有必要且十分重要。

3.2.1 探測器控制

探測器控制的主要工作原理就是設立探測器控制點，以點為單位向統(tǒng)一的只會中心發(fā)射報警信號，在經過消防控制中心對信號進行辨認處理之后再啟動消防閥門，這種方式在使用之初就出現(xiàn)了很多問題，如探測器誤報，遠程控制不能保證噴頭是否打開，還有就是由于處理不及時造成火災蔓延過快等等，所以后來就漸漸地退出了市場。

3.2.2 水流指示器控制

這種控制方式是通過水流指示器的信號傳送來提示控制中心，也就是說終端反饋，經過延時證實之后在進行消防水泵的啟動。這種方式不是直接判斷火情而是判斷管網中的水流動情況進行判斷是否有火情，因為系統(tǒng)中的水量是固定的，一般出現(xiàn)大體積的流動肯定是出現(xiàn)了什么狀況，有一定的實際意義，但是在實際的應用中也會因其他原因如空氣壓縮等出現(xiàn)誤報情況。

3.2.3 壓力開關控制

這種控制方式最為常見，應用最為廣泛，又可細分為單壓開關控制及雙壓開關控制。

（1）單壓開關控制。將壓力開關設在延時器后，如圖2所示。在發(fā)生火災險情的時候，噴頭會自動打開進行噴淋滅火作業(yè)，而系統(tǒng)管網中的水發(fā)生流動的時候，水流指示器發(fā)出報警信號，水流把報警閥打開，啟動消防水泵，這種控制方法效率高且有效，應用十分的廣泛。

1—屋頂水箱；2—自動排氣閥；3—信號控制閥；4—水流指示器；5—壓力開關；6—水力警鈴；7—濕式水力報警閥；8—消防水池；9—消防水泵接合器；10—噴淋泵

（2）雙壓開關控制。將兩只壓力開關均設在水力報警閥之后，如圖3所示。這種控制方法采用兩臺穩(wěn)壓泵設置在穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)里，使整個系統(tǒng)都隨時處在有壓力的情況下。每個壓力開關都有相應的最高壓力及最低壓力出點。

這種控制方法的另外一個好處就是，如果主泵因為某種原因不能正常的運轉，管網的壓力逐漸下降到一定的數(shù)值就會啟動備用的消防泵，即有了雙層的保險。

3.2.4 控制方式的分析與比較

實踐證明，在之前提到的這幾種控制方式里，探測器和水流指示控制有可能會出現(xiàn)誤觸或者誤報的情況，出現(xiàn)浪費資源的情況，特別的探測器控制，有時候并不可以完整地反映真實情況，實際的工程運用效果也不是很好，而兩種方式都不能自動停止主泵，所以現(xiàn)在采用得比較少。

而單壓力開關控制方式雖然要經過二十秒到三十秒的延時之后才能啟動水泵但是其信號的可靠性是有保證的，這種控制方式避免了誤觸，較為可靠。

1—屋頂水箱；2—自動排氣閥；3—信號控制閥；4—水流指示器；5—壓力開關；6—水力警鈴；7—濕式水力報警閥；8—消防水池；9—消防水泵接合器；10—噴淋穩(wěn)壓泵；11—噴淋泵

雙壓開關控制方式是應用最為廣泛的方式，直接根據(jù)水壓進行水泵控制，能夠最為直接的反映整個系統(tǒng)的情況。雙壓力開關通過控制管網水壓變化平衡了水泵和電機之間的關系，使得供水更為可靠。

然而，每一種控制方法都有各自的特點，可以表1自動噴水滅火系統(tǒng)控制方式比較。這里需要注意的一方面就是除了自動滅火控制強調的自主外還要可以手動進行啟動。

3.3 報警閥前環(huán)狀供水管道的可靠性分析

自動噴水滅火系統(tǒng)的使用能夠讓人們在最大程度上將火災控制在產生危害之初，是降低火災危害財產及人身安全的重要方法，所以其安裝標準不能低于消火栓系統(tǒng)。我國已經有相關的立法規(guī)定，《噴規(guī)》第10.1.4條規(guī)定：“當自動噴水滅火系統(tǒng)中設有2個及以上報警閥組時，報警閥組前宜設環(huán)狀供水管道?！边@樣做的目的就是保證雙向供水在發(fā)生火災的時候能夠保持供水系統(tǒng)的穩(wěn)定。

按照環(huán)狀供水示意圖（圖4），當閥1、閥2之間環(huán)管檢修時，所有的報警閥均停止供水，失去了環(huán)狀供水作用。而且在一般情況下環(huán)狀供水管道不長，設置閥1及閥2意義并不大。另外，當閥3檢修時，自動噴水泵便無法使用，系統(tǒng)供水的安全性也大打折扣。

經過修改的環(huán)裝供水管道如圖5，水泵出水管和環(huán)狀供水管道不長時，可取消圖4中的閥1、閥2。按圖5設置的閥門，如果在進行某段的管道檢修時收影響的報警閥組只有一個，圖5中任意某個閥門或某段管道檢修時都不影響水泵向系統(tǒng)供水，顯然，圖5供水可靠性比圖4有較大的提高。

3.4 自動噴水滅火系統(tǒng)噴頭布置對系統(tǒng)可靠性影響

3.4.1 噴頭布置間距

規(guī)范中很詳細地規(guī)定了不同危險程度場所所應當布置的噴頭之間最大與最小的距離，有科學的數(shù)據(jù)研究結果表明，一般噴頭開啟的熱量來自熱對流，當熱空氣流經噴頭的時候才會傳達給感應器，噴淋才能開啟，但是在實際的火災現(xiàn)場，起火點的火勢是呈輻射狀不斷向周圍擴散的，只有起（下轉第175頁）（上接第153頁）火點上方才會有較為明顯的熱對流引起噴淋動作，為了能夠讓噴頭噴淋的時機正好，就需要明確規(guī)定出各個噴頭之間的最大距離，而如果噴頭間的距離過小也會因為相鄰的噴頭已經開啟而降低了氣流的溫度不能開啟，所以間距過大或者過小都不行需要科學的計算。

另外一方面，各個噴頭之間所布置的間距對整個系統(tǒng)的水力計算影響也是很大的，噴頭布置的密度高低直接關系到噴水的強度和噴頭本身的損失。最為科學的布置方式是根據(jù)系統(tǒng)的噴水強度、噴頭流量系數(shù)和工作壓力進行計算所得出的結果，一般噴頭的布置都是采取最大間距的矩形布置，這樣布置的好處就是重復噴水面積很少，噴頭的噴水得到了有效的利用。

《噴規(guī)》規(guī)定了噴頭布置的最大間距和最小間距具有一定的科學性，但是在實際的建筑施工過程中并不能完全按照規(guī)定執(zhí)行，要根據(jù)建筑物的實際情況來設置噴頭，以噴頭不受阻擋為主要原則。

為了不影響使用功能，并且能夠與建筑內部的裝修一致，有一個規(guī)則需要遵循，那就是噴頭應按柱網或房間開間內均勻布置，這樣一來無論是在大型商場還是一般建筑中都能夠滿足相應的規(guī)范要求。

3.4.2 噴頭與頂板間距離

它們之間的距離應該在七十五毫米到一百五十毫米之間，如果離得太近不易于安裝和后期的維護，而且一旦出現(xiàn)灑水也會受到影響，而太遠了也會因為噴頭周圍的煙氣升溫速度相對較慢使得噴頭不能及時的打開，《噴規(guī)》之所以規(guī)定距離就是要給出相應的規(guī)范，但是在實際的安裝過程中有很多建筑不按此規(guī)定進行安裝，一旦發(fā)生火災危害巨大，一定要把這項規(guī)定落到實處。

3.4.3 噴頭布置均勻性

噴頭布置均勻能夠達標的話，一旦發(fā)生火災會取得良好的滅火效果，但是實際布置中可能會因為建筑物的內部構造特性，受到管道，梁的硬性分布不均勻，這在所難免，但是一定要保持在《噴規(guī)》所規(guī)定的范圍之內。噴頭布置不均勻的話，一旦發(fā)生火災，如果布置較少的位置發(fā)生火災，噴頭數(shù)量較少會直接影響到么滅火效果，如果過于密集很容易在較短的時間內就把系統(tǒng)用水用完了。

總之，高層建筑的防火滅火工作是一項涉及方面眾多的工作，噴水滅火系統(tǒng)是一種有效的方法，但是要找到科學有效的控制方法和布置方法才能最大限度的發(fā)揮噴水滅火系統(tǒng)的作用，提高其可靠性。

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