超高層建筑消防供液干管系統(tǒng)的應(yīng)用與優(yōu)化

朱偉峰

(上海市公安消防總隊(duì)，上?！?00051)

0　引言

隨著社會(huì)生產(chǎn)力的迅猛發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的日新月異，超高層建筑已成為一個(gè)國(guó)家、一個(gè)城市展示成就的重要標(biāo)志。截至2017年10月我國(guó)已建成或封頂?shù)某邔咏ㄖ?高度超過100 m)達(dá)3 262棟，涉及74個(gè)城市和地區(qū)；在建、預(yù)備和規(guī)劃的超高層建筑還有1 414棟，摩天潛力指數(shù)達(dá)14 980.07，是第二位阿聯(lián)酋的18.6倍。與此同時(shí)，超高層建筑防控火災(zāi)的難度極大，是國(guó)內(nèi)外消防部門一直竭力探究的疑難課題。如何在建筑固定消防設(shè)施失效的情況下，第一時(shí)間不間斷地組織向火場(chǎng)供給滅火劑，直接關(guān)系到滅火戰(zhàn)斗的成敗。受消防員體能、疏散樓梯形式數(shù)量、水帶連接固定等因素的影響[1]，利用消防水帶鋪設(shè)移動(dòng)線路供給滅火劑難度極大，急需尋找一種新的供液途徑來解決。本文通過對(duì)超高層建筑現(xiàn)有消防給水系統(tǒng)火場(chǎng)應(yīng)用難點(diǎn)問題的研究和對(duì)消防供液干管應(yīng)用效能的分析，結(jié)合上海中心大廈壓縮空氣泡沫管道建設(shè)實(shí)例，提出消防供液干管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方案，為超高層建筑消防供液干管設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

1　消防供液干管實(shí)戰(zhàn)需求分析

發(fā)生火災(zāi)后，尤其是當(dāng)建筑內(nèi)現(xiàn)有的消防給水系統(tǒng)失效的情況下，消防部隊(duì)利用現(xiàn)有的供水管網(wǎng)向建筑內(nèi)供液將十分困難，急需尋找一種新的供液途徑來解決現(xiàn)有消防給水系統(tǒng)在火場(chǎng)應(yīng)用中遇到的難點(diǎn)問題。

1.1　完好率不高影響固定消防設(shè)施作用發(fā)揮

2014年公安部消防局的調(diào)查顯示，室內(nèi)消火栓系統(tǒng)的完好率為73.5%，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的完好率為63.7%，其他固定消防設(shè)施的完好率為61.2%[2]。新疆德匯國(guó)際廣場(chǎng)、沈陽(yáng)商業(yè)城、北京央視新址在建文化中心、吉林銀都商廈火災(zāi)均因內(nèi)部消防設(shè)施不能啟用而造成嚴(yán)重的損失。建筑內(nèi)部固定消防給水系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，消防部隊(duì)無法利用其直接實(shí)施滅火救援；同時(shí)，在不能完全確定固定消防設(shè)施完整好用的情況下，放棄使用固定消防設(shè)施而只依靠移動(dòng)消防裝備進(jìn)行滅火救援已成為消防指戰(zhàn)員的思維定勢(shì)，“以固為主，固移結(jié)合”的高層建筑火災(zāi)滅火救援原則勢(shì)必成為空談。

1.2　濕式管網(wǎng)系統(tǒng)不能同時(shí)兼容水和泡沫

在發(fā)生火災(zāi)的樓層高度超出消防車水泵的供液高度范圍的情況下，消防部隊(duì)只能通過手抬泵串聯(lián)的形式向建筑內(nèi)部補(bǔ)水，或采用壓縮空氣泡沫消防車向建筑內(nèi)部供壓縮空氣泡沫滅火劑實(shí)施滅火作業(yè)。在壓縮空氣泡沫消防車大量配備部隊(duì)的情況下，火災(zāi)時(shí)向超高層建筑內(nèi)供壓縮空氣泡沫滅火劑滅火已成為優(yōu)先選項(xiàng)?，F(xiàn)有消防給水系統(tǒng)一般均采用濕式系統(tǒng)，由于泡沫和水不兼容，要想使用壓縮空氣泡沫滅火劑必須將管網(wǎng)內(nèi)充滿的水提前放完，需要一定的時(shí)間，勢(shì)必影響滅火救援進(jìn)程。

1.3　分區(qū)供水形式的存在將“固移結(jié)合”供液局限在一定范圍

超高層建筑消防給水系統(tǒng)無論采用消防泵并行或串聯(lián)、減壓水箱和減壓閥減壓中的哪種分區(qū)供水形式，消防給水豎管中均存在消防水泵、減壓水箱或減壓閥之類的永久障礙，利用其管網(wǎng)“固移結(jié)合”供液只能實(shí)現(xiàn)低區(qū)供液。調(diào)研發(fā)現(xiàn)供水分區(qū)中低區(qū)的分區(qū)樓層一般在20層左右，如上海中心大廈低區(qū)分區(qū)樓層為20層，會(huì)德豐國(guó)際廣場(chǎng)低區(qū)分區(qū)樓層為19層，環(huán)球金融中心低區(qū)分區(qū)樓層為30層，樓層高度均未超過150 m。目前消防車裝配的森田ME-5型兩級(jí)離心泵、森田ME-7A型兩級(jí)離心泵和大力KSP1000型一級(jí)離心泵的供液高度可以達(dá)200 m左右，裝配EM2000型兩級(jí)離心泵的消防車供液高度可以達(dá)300 m左右，壓縮空氣泡沫消防車供壓縮空氣泡沫高度也可達(dá)300 m[3]，先進(jìn)裝備的性能由于分區(qū)供水形式的存在被大大削弱。

1.4　現(xiàn)有管網(wǎng)的供液流量不能滿足實(shí)戰(zhàn)需求

從消防泵的流量揚(yáng)程特征曲線可知，消防車的供液流量和揚(yáng)程成反比，揚(yáng)程越高流量越小。管網(wǎng)中的減壓閥、減壓孔板以及消防水泵接合器閥組在一定程度上增加了供液阻力損失，進(jìn)而使原本就不大的超高層供液流量變得更小。測(cè)試顯示，利用消防車通過水泵接合器向建筑消防給水系統(tǒng)補(bǔ)水的流量不超過2支水槍的額定流量。同時(shí)每組消防水泵接合器的數(shù)量一般不超過3個(gè)[4]的現(xiàn)實(shí)情況，使得超高層建筑火災(zāi)時(shí)利用現(xiàn)有供水管網(wǎng)提供的火場(chǎng)用水遠(yuǎn)不能滿足實(shí)戰(zhàn)需求。

2　超高層建筑消防供液干管系統(tǒng)的組成與優(yōu)化

2.1　供液干管系統(tǒng)基本組成與工程應(yīng)用

超高層建筑消防供液干管系統(tǒng)由輸液管道、自動(dòng)排氣閥、電動(dòng)閥、排水閥、安全閥、集水坑、樓層消火栓、消防車供水接口和手抬泵加壓接口組成，如圖1所示?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，火災(zāi)報(bào)警探測(cè)器探測(cè)到火災(zāi)信號(hào)并傳輸至聯(lián)動(dòng)控制中心，由聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)控制相應(yīng)區(qū)域的電動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)閉，排氣閥自動(dòng)打開，消防車通過供水接口向系統(tǒng)供液，待消防水(泡沫)槍出液后關(guān)閉排氣閥。當(dāng)需要使用手抬泵串聯(lián)供液時(shí)，在聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)消防車泵的供液高度，手動(dòng)關(guān)閉相應(yīng)區(qū)域的電動(dòng)閥，將手抬泵進(jìn)、出水口分別與電動(dòng)閥前后的樓層消火栓和手抬泵加壓接口相連，打開截止閥實(shí)施供液。火災(zāi)撲滅后，消防車泵停水，同時(shí)打開系統(tǒng)與消防水箱連接的旁通管道上的閥門放水沖洗管道內(nèi)的泡沫液，排水閥打開泄壓排水，系統(tǒng)恢復(fù)原位。

1.排水閥；2.安全閥；3.消防車供水接口；4.自動(dòng)排氣閥；5.電動(dòng)閥；6.單向閥；7.樓層消火栓；8.手抬泵加壓接口；9.樓層消火栓；10.集水坑；11.消防水箱

供液干管系統(tǒng)的工程應(yīng)用目前僅上海中心大廈有應(yīng)用實(shí)例。上海中心大廈的消防給水系統(tǒng)除設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)和室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)外，還增設(shè)了2路壓縮空氣泡沫空管系統(tǒng)，用于消防部隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)救援時(shí)輸送滅火劑至各樓層撲救火災(zāi)。上海中心大廈地上128層、地下5層，自地下5層至127層設(shè)置有2根豎向立管，每根豎管的管徑按室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)消防豎管的最小管徑要求100 mm確定；主干管選用不銹鋼管材，300 m以下管道耐壓不應(yīng)小于2.5 MPa，管壁厚度不應(yīng)小于2 mm；300 m以上管道耐壓不應(yīng)小于1.6 MPa，管壁厚度不應(yīng)小于1.5 mm；主干管采用焊接方式連接，為便于管道維修更換，管道穿越樓板處設(shè)置有套管。支管選用內(nèi)外熱鍍鋅鋼管，其與主干管采用配密封圈的法蘭連接，與消火栓采用絲扣連接。樓層消火栓設(shè)于疏散樓梯前室或電梯前室，選用標(biāo)準(zhǔn)的1.6 MPa耐壓雙閥雙栓室內(nèi)消火栓；消火栓固定接口采用DN65的快式接口，并設(shè)蓋保護(hù)，不設(shè)消火栓箱和消防水帶。分別在20層、50層、83層避難層設(shè)置有自動(dòng)排氣閥和電動(dòng)閥，頂樓128層也設(shè)有自動(dòng)排氣閥。消防車在地面通過消防水泵接合器(接口采用DN90的快式接口)給消防干管供液，地下5層設(shè)有集水坑和排水閥。

2.2　輸液管道

《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB 50974—2014)規(guī)定[4]：管道的直徑應(yīng)根據(jù)流量、流速和壓力要求經(jīng)計(jì)算確定，但不應(yīng)小于DN100，而《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[5]條文說明中建議干管的管徑采用DN80。在對(duì)相同條件下DN65、DN80、DN90水帶輸送壓縮空氣泡沫析液時(shí)間的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，利用DN90水帶輸送壓縮空氣泡沫同等距離時(shí)測(cè)得的析液時(shí)間最長(zhǎng)，即泡沫中的含水量最少，輸送過程中析出的水分最多。上海中心大廈壓縮空氣泡沫管道系統(tǒng)在150 m高度測(cè)試時(shí)，未能取得測(cè)試數(shù)據(jù)，一定程度上與其管徑過大，泡沫液中的水分過早析出沉積在豎管下部導(dǎo)致泡沫破壞有關(guān)。因此建議超高層建筑中消防供液干管的管徑按《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》采用DN80，設(shè)置數(shù)量不少于2條。

豎管的耐壓應(yīng)和消防車泵的最高供液壓力、建筑的高度相匹配。目前消防車供壓縮空氣泡沫的供液壓力最大為1.5 MPa，供水的最大壓力為40 MPa[1]。另外據(jù)高樓迷網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)建成或封頂?shù)某邔咏ㄖ?3.4%高度在200 m以下，13.7%建筑高度在200～300 m之間，兩者占超高層建筑的97.1%。因此，建議高度在200 m以下的豎管耐壓按2.5 MPa設(shè)計(jì)，管壁厚度不應(yīng)小于2 mm；高度在200 m以上的豎管耐壓按1.6 MPa，管壁厚度不應(yīng)小于1.5 mm設(shè)計(jì)。考慮到主干管同時(shí)可用于輸送水和泡沫滅火劑，其管材應(yīng)選用耐腐蝕的不銹鋼管材，并采用焊接方式連接；支管可選用內(nèi)外熱鍍鋅鋼管，用絲扣連接。

2.3　分段控制

為使消防車泵的供水能力在一定范圍內(nèi)得到有效發(fā)揮，豎管應(yīng)在豎向進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)主要通過在干管上設(shè)置電動(dòng)閥實(shí)現(xiàn)。據(jù)2010年上?？傟?duì)消防車泵統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，75.88%的消防車泵滿足15 L·s-1流量時(shí)的工作壓力為1.1～1.6 MPa，13.2%的消防車泵滿足15 L·s-1流量時(shí)的工作壓力可以達(dá)到1.9 MPa。因此，建議當(dāng)建筑高度超過100 m時(shí)，豎管應(yīng)進(jìn)行分區(qū)；建筑高度在300 m以下時(shí)，應(yīng)每隔100 m進(jìn)行分區(qū)；當(dāng)建筑高度超過300 m時(shí)，考慮到手抬泵的串聯(lián)供水，200 m以上部分應(yīng)每隔50 m進(jìn)行分區(qū)，并在電動(dòng)閥上端設(shè)置一個(gè)DN80/90的快式接口用于手抬泵的串聯(lián)供水使用。電動(dòng)閥和自動(dòng)排氣閥應(yīng)接入樓宇消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2.4　水泵接合器與樓層消火栓

消防供液干管系統(tǒng)中的消防水泵接合器與消防給水系統(tǒng)中的水泵接合器不同，其不需要考慮減壓、回流等問題，建議采用閥門加DN80/90接口組成的方式與豎管直接相連，取消水泵接合器的其他組件。樓層消火栓僅供消防員到場(chǎng)后使用，無需設(shè)消火栓箱和消防水帶，接口采用DN65/80/90快式接口并設(shè)蓋保護(hù)即可。

3　消防供液干管應(yīng)用效能分析

消防供液干管的建設(shè)為超高層建筑滅火救援提供了新的供液途徑，有效解決了實(shí)戰(zhàn)中出現(xiàn)的諸多困難。

3.1　減少阻力損失，供液高度更高

由于受超高層建筑結(jié)構(gòu)和避難層設(shè)置要求的影響，大部分樓梯都不能從地面直通頂層，要么分區(qū)設(shè)置，要么在避難層錯(cuò)位。樓梯錯(cuò)位使得沿樓梯鋪設(shè)供液線路時(shí)產(chǎn)生了額外的阻力損失，直接影響到供液高度。以環(huán)球金融中心為例，A、B樓梯直通89層但不能垂直鋪設(shè)供液線路，C樓梯可以垂直鋪設(shè)供液線路，但在78層避難層出現(xiàn)錯(cuò)位。環(huán)球金融中心在建時(shí)沿電梯井垂直鋪設(shè)供液線路，實(shí)現(xiàn)了供壓縮空氣泡沫至370 m的供液高度，建成后沿C樓梯垂直鋪設(shè)供液線路供壓縮空氣泡沫僅供至300 m。消防供液干管既不像水帶線路有眾多的連接點(diǎn)，也不像消火栓供水系統(tǒng)那樣有減壓分隔設(shè)施，供液線路阻力損失更小，供液高度更高。

3.2　減少鋪設(shè)環(huán)節(jié)，作戰(zhàn)效率更高

現(xiàn)有的研究結(jié)果顯示，當(dāng)建筑高度超過100 m后，沿外墻鋪設(shè)供液線路無論是線路鋪設(shè)還是線路固定都將十分困難，線路鋪設(shè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1 h[3]。消防員徒手攀登160 m高度的超高層建筑一般須耗時(shí)約8～9 min，而按滅火要求著實(shí)裝攜重物時(shí)則需延長(zhǎng)近1倍，在實(shí)際滅火戰(zhàn)斗中身著全套戰(zhàn)斗服，背負(fù)水帶水槍等裝備時(shí)，體力透支的速度增快，其實(shí)際運(yùn)動(dòng)能力將明顯降低，會(huì)較早出現(xiàn)生理極限喪失行動(dòng)能力。消防供液干管的設(shè)置減少了鋪設(shè)供液線路的環(huán)節(jié)，有效解決了鋪設(shè)水帶線路的時(shí)間、爆破更換維護(hù)問題，而且解決了因鋪設(shè)供液線路而產(chǎn)生的額外負(fù)重體能消耗，使消防員在超高層建筑滅火救援中第一時(shí)間接近火場(chǎng)、第一時(shí)間展開內(nèi)攻成為可能。同時(shí)，消防供液干管的設(shè)置釋放了因鋪設(shè)水帶而占用的疏散樓梯空間，使消防員進(jìn)攻通道和人員疏散通道得以分離，火場(chǎng)行動(dòng)更加有序。

3.3　實(shí)現(xiàn)一管多用，戰(zhàn)術(shù)選擇更多

消防供液干管不僅可以用來輸送水滅火劑，也可以用來輸送壓縮空氣泡沫滅火劑?；饒?chǎng)上，指揮員可以根據(jù)火災(zāi)發(fā)生樓層和消防車配備情況靈活地選擇戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法，可以最大限度地發(fā)揮先進(jìn)裝備的作戰(zhàn)效能。

4　結(jié)束語(yǔ)

超高層建筑火災(zāi)處置尤其是火場(chǎng)供水組織是國(guó)內(nèi)外消防部門的疑難課題，在建筑固定消防設(shè)施完好率不能保證的情況下，現(xiàn)有的消防給水系統(tǒng)管網(wǎng)在超高層建筑火災(zāi)救援處置中存在不能供壓縮空氣泡沫滅火、“固移結(jié)合”供液局限在供水分區(qū)低區(qū)、供液流量不能滿足實(shí)戰(zhàn)需求等難點(diǎn)問題，在實(shí)戰(zhàn)中需要加以解決。在超高層建筑中設(shè)置消防供液干管，不僅有效解決了現(xiàn)有消防給水系統(tǒng)在滅火救援中的應(yīng)用難題，同時(shí)也解決了超高層建筑火災(zāi)救援處置中因消防員體能消耗過大、水帶線路鋪設(shè)時(shí)間過長(zhǎng)、供水組織占用進(jìn)攻疏散通道、水帶線路需要人員巡查維護(hù)等影響救援效能的實(shí)戰(zhàn)問題，是對(duì)現(xiàn)有消防給水系統(tǒng)的有益補(bǔ)充，是解決超高層建筑火災(zāi)處置供水難題的有效途徑，值得在超高層建筑中推廣應(yīng)用。