某超高層辦公樓消防給水系統(tǒng)選型及設(shè)計(jì)分析

陳方圻

(福建省環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350012)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)及建筑行業(yè)的快速發(fā)展，超高層建筑(一般指建筑高度>100m建筑)越來(lái)越多出現(xiàn)在城市建設(shè)中。超高層建筑體量大、容積率高、功能復(fù)雜、人員密集、可燃物多，著火時(shí)火勢(shì)蔓延速度快，疏散組織困難，容易造成重大火災(zāi)事故。

發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于超高層建筑的高度往往超過(guò)城市消防車等消防設(shè)施滅火供水高度，消防救災(zāi)更傾向于依托建筑內(nèi)部消防系統(tǒng)進(jìn)行“自救”。因此，超高層建筑消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合相關(guān)法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及工程特點(diǎn)等方面，經(jīng)技、術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定，以確保系統(tǒng)安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用。

本文以南昌市某超高層辦公樓的消防給水方案為例，介紹該項(xiàng)目?jī)?nèi)超高層辦公建筑消防給水系統(tǒng)的方案選型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 工程概況

該項(xiàng)目位于江西省南昌市紅谷一路以西，紅谷二路以東，項(xiàng)目地塊由2層地下車庫(kù)(負(fù)二層標(biāo)高-8.9m)、1棟39層超高層辦公樓(建筑高度162.7m，其中十一層、二十層、三十層為避難層)、1棟高層辦公樓、5棟高層住宅(高層辦公、住宅建筑高度介于78.0m～99.95m)、4棟多層住宅，以及沿街商業(yè)、農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)、配套設(shè)施等組成。項(xiàng)目總建筑面積17.7萬(wàn)m2,建成后由同一物業(yè)進(jìn)行管理。項(xiàng)目自紅谷一路、紅谷二路分別引入一根DN250市政給水管網(wǎng)，市政供水壓力為0.28MPa。

2 消防給水方案選型分析

該項(xiàng)目的市政給水引入條件滿足室外消防用水要求，因此室外消防用水由市政管網(wǎng)直接供給。下文主要對(duì)超高層辦公樓的室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)展開(kāi)討論。

《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[1](GB 50974-2014)(下文簡(jiǎn)稱《消水規(guī)》)第6.2.1條規(guī)定，下列情形的消防給水系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行分區(qū)給水：①系統(tǒng)工作壓力大于2.4MPa；②消火栓栓口處?kù)o壓大于1.0MPa;③自動(dòng)水滅火系統(tǒng)報(bào)警閥處的工作壓力大于1.6MPa或噴頭處的工作壓力大于1.2MPa。

該項(xiàng)目超高層建筑高度達(dá)162.7m，因此應(yīng)對(duì)消防給水進(jìn)行分區(qū)。結(jié)合業(yè)內(nèi)常見(jiàn)超高層建筑消防給水分區(qū)方式，擬從以下3種備選方案中選擇：并聯(lián)式消防給水系統(tǒng)、重力式消防給水系統(tǒng)、串聯(lián)式消防給水系統(tǒng)。

2.1 方案一：并聯(lián)式消防給水系統(tǒng)

該方案對(duì)項(xiàng)目各豎向分區(qū)分別設(shè)置獨(dú)立消防水泵向消防管網(wǎng)供水，或項(xiàng)目?jī)H設(shè)置一套消防加壓泵，各分區(qū)消防給水經(jīng)減壓閥減壓供水。

采用并聯(lián)式消防給水系統(tǒng)時(shí)，各分區(qū)消防供水相互獨(dú)立，消防水泵集中布置于B2層消防泵房?jī)?nèi)，節(jié)省占地面積，管理維護(hù)方便。此方案不需要在避難層內(nèi)設(shè)置消防水泵及轉(zhuǎn)輸水箱等設(shè)施，可擴(kuò)大設(shè)備層的有效使用面積，避免了水泵等機(jī)械噪音。

超高層辦公樓屋頂停機(jī)坪消火栓出水口標(biāo)高為163.1m，經(jīng)計(jì)算消防給水設(shè)計(jì)壓力約為2.29MPa。結(jié)合《消水規(guī)》中第5.1.6條的規(guī)定：消防水泵零流量時(shí)的壓力不應(yīng)大于設(shè)計(jì)工作壓力的140%，且宜大于設(shè)計(jì)工作壓力的120%。此方案選用的消防水泵零流量壓力將大于2.4MPa，不滿足規(guī)范要求。此外，并聯(lián)式消防給水系統(tǒng)隨著分區(qū)消防水泵揚(yáng)程的增大，勢(shì)必提高消防供水管網(wǎng)及閥門附件的承壓等級(jí)，對(duì)設(shè)備安裝要求高，系統(tǒng)將長(zhǎng)期處于高壓狀態(tài)，一定程度上增大了安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，該項(xiàng)目不采用此方案。

2.2 方案二：重力式消防給水系統(tǒng)

該方案于超高層建筑的屋頂設(shè)置高位消防水池，水池的有效容積滿足項(xiàng)目火災(zāi)延續(xù)時(shí)間內(nèi)室內(nèi)消防用水的總用水量，除超高層建筑的最高消防分區(qū)(樓層標(biāo)高99.7m以上分區(qū))由設(shè)置于屋頂?shù)南浪眉訅汗┙o，其它消防分區(qū)通過(guò)高位消防水池或設(shè)置于避難層的減壓水箱重力作用直接對(duì)建筑物內(nèi)部的消防設(shè)施進(jìn)行供水?；馂?zāi)時(shí)，高位消防水池的消防補(bǔ)水由地下車庫(kù)消防轉(zhuǎn)輸水泵供給。

采用重力式消防給水系統(tǒng)時(shí)，除最高消防分區(qū)的其它消防分區(qū)能始終保持滿足水滅火設(shè)施需要的工作壓力和流量[2]，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，系統(tǒng)可迅速啟動(dòng)并投入滅火，可避免機(jī)械故障和火場(chǎng)供電中斷對(duì)消防供水系統(tǒng)的影響，且此系統(tǒng)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，對(duì)消防管網(wǎng)及閥門附件承壓能力要求不高。

考慮到項(xiàng)目建筑多達(dá)13棟，超高層建筑設(shè)置于總平面的端部，高位消防水池將負(fù)擔(dān)消防的建筑數(shù)量過(guò)多，供水較遠(yuǎn)，不夠合理安全。而且，作為整個(gè)項(xiàng)目的消防水源，此方案需要超高層辦公樓于前期全部完成施工，消防系統(tǒng)方可投入運(yùn)行，而該項(xiàng)目超高層建筑計(jì)劃于二期建設(shè)。因此，該項(xiàng)目不采用此方案。

2.3 方案三：串聯(lián)式消防給水系統(tǒng)

該方案通過(guò)在避難層設(shè)置轉(zhuǎn)輸水箱和消防泵供給超高層建筑樓層標(biāo)高99.7m以上分區(qū)的消防用水。此標(biāo)高以下部分的消防給水由設(shè)置于B2層的消防水池及消防泵房供給。消防泵房?jī)?nèi)設(shè)置消防轉(zhuǎn)輸水泵，火災(zāi)時(shí)，避難層消防轉(zhuǎn)輸水箱的消防補(bǔ)水由消防轉(zhuǎn)輸水泵供給。

采用串聯(lián)式消防給水系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)工作壓力較低，消防水泵功率較小，對(duì)系統(tǒng)管網(wǎng)及閥門附件承壓能力要求不高，整體消防給水系統(tǒng)可靠性強(qiáng)。同時(shí)，超高層辦公樓夜間人員較少，對(duì)環(huán)境噪音要求相對(duì)較低，為在避難層設(shè)置消防設(shè)備提供了條件。

從項(xiàng)目整體上考慮，地塊內(nèi)僅一棟超高層建筑，其它建筑的建筑標(biāo)高介于9.4m～99.95m之間。將超高層辦公樓99.7m以上單獨(dú)劃分為一個(gè)消防分區(qū)，有利于整個(gè)消防系統(tǒng)的控制及管理，更為合理可行。因此，該項(xiàng)目采用此方案。

3 消防給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)水量及消防水池

該工程消防設(shè)計(jì)水量按一類高層建筑計(jì)算，同一時(shí)間發(fā)生火災(zāi)次數(shù)為1，室內(nèi)外消火栓火災(zāi)延續(xù)時(shí)間為3h，自噴水滅火系統(tǒng)火災(zāi)延續(xù)時(shí)間為1h，柴油發(fā)電機(jī)房水噴霧滅火系統(tǒng)火災(zāi)延續(xù)時(shí)間為0.5h。消防設(shè)計(jì)水量如表1所示。

表1 消防水量計(jì)算表

于B2層設(shè)置有效水量為576m3的消防水池，消防水池分設(shè)兩格，設(shè)置連通管。消防水池設(shè)置溢流和排水設(shè)施，間接排水。消防泵房、消防控制中心內(nèi)設(shè)置顯示消防水池水位的裝置，設(shè)置最高和最低報(bào)警水位。

3.2 系統(tǒng)豎向分區(qū)

將超高層辦公樓的消火栓給水系統(tǒng)分為3個(gè)區(qū)：B2-11F為低I區(qū)；12F-24F為低II區(qū)；25F-39F為高區(qū)。低I區(qū)和低II區(qū)統(tǒng)稱為低區(qū)，由設(shè)置在B2層的消防水泵提供火災(zāi)時(shí)所需用水，其中低I區(qū)消火栓用水由減壓閥減壓后供水；高區(qū)系統(tǒng)由設(shè)置于30F的消防水泵提供火災(zāi)時(shí)的用水量。具體分區(qū)情況如表2所示。

表2 消火栓系統(tǒng)豎向分區(qū)表 m

注：①超高層屋頂設(shè)置了消火栓保護(hù)機(jī)房及直升機(jī)停機(jī)坪；

②消防水泵供水高度指消防水池(水箱)最低液面至最不利消火栓栓口的幾何高差。

分別于總平面適當(dāng)位置設(shè)置7處(每處2組)低I區(qū)水泵接合器、6處低II區(qū)水泵接合器。水泵接合器設(shè)置位置便于消防車使用，距室外消火栓的距離為15m～40m。

超高層辦公樓消火栓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 超高層辦公樓消火栓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3.3 消防轉(zhuǎn)輸系統(tǒng)

該工程于B2層消防泵房?jī)?nèi)設(shè)置3臺(tái)消防轉(zhuǎn)輸水泵，2用1備，轉(zhuǎn)輸水泵流量均為40L/s。水泵出水管于泵房?jī)?nèi)形成DN200的環(huán)狀管網(wǎng)，由環(huán)狀管網(wǎng)上引出2路DN200消防轉(zhuǎn)輸用管，供給30F消防轉(zhuǎn)輸水箱。于總圖適當(dāng)位置分別設(shè)置3組消火栓系統(tǒng)轉(zhuǎn)輸泵水泵接合器；在轉(zhuǎn)輸泵房?jī)?nèi)設(shè)置2組高區(qū)室內(nèi)消火栓水泵接合器，轉(zhuǎn)輸干管上預(yù)留2處手抬泵接口，火災(zāi)時(shí)通過(guò)接力泵實(shí)現(xiàn)接力給水。

轉(zhuǎn)輸水箱有效容積為60m3，轉(zhuǎn)輸水泵僅在初次注水或發(fā)生火災(zāi)時(shí)啟用，平時(shí)由于系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)施、部件的滲漏及蒸發(fā)等引起的水位降低由生活給水管補(bǔ)給。

考慮到火災(zāi)初期轉(zhuǎn)輸水量一般大于輸出量，可能造成消防水量溢流損失，甚至影響到整個(gè)消防系統(tǒng)的正常運(yùn)行[3〗；而最大口徑的普通地漏排水能力一般，難以解決此問(wèn)題。因此，從系統(tǒng)安全角度出發(fā)，在消防水箱間內(nèi)設(shè)置一尺寸3m×1m×1m(長(zhǎng)×寬×高)的不銹鋼溢流水箱，承接轉(zhuǎn)輸水箱的溢流排水，并在水箱底部設(shè)置3個(gè)虹吸雨水斗，達(dá)到快速排除全部事故溢流水量的目的。溢流排水管道接至B2層消防水池，虹吸雨水立管在進(jìn)入消防水池前采取消能措施。

3.4 消防高位水箱

該工程低區(qū)消防系統(tǒng)、高區(qū)消防系統(tǒng)的高位消防水箱合并設(shè)置于超高層辦公樓屋頂，消防水箱有效容積為100m3，最低有效水位標(biāo)高163.5m。

高位消防水箱最低有效水位與高區(qū)消火栓系統(tǒng)最不利點(diǎn)處?kù)o水壓力小于0.15MPa，因此在設(shè)備平臺(tái)上設(shè)置1套室內(nèi)消火栓增壓穩(wěn)壓設(shè)備，以滿足最不利點(diǎn)處?kù)o水壓力的要求。穩(wěn)壓泵設(shè)計(jì)流量取1L/s，并保持消防系統(tǒng)最不利點(diǎn)處滅火設(shè)施在準(zhǔn)工作狀態(tài)時(shí)的靜水壓力大于0.15MPa。

對(duì)于低區(qū)消火栓系統(tǒng)，自高位消防水箱內(nèi)引出DN100管道，接至24F頂部消火栓系統(tǒng)干管。引入管在接入干管前設(shè)置可調(diào)式減壓閥組，閥后靜壓保持低區(qū)消防系統(tǒng)最不利點(diǎn)處?kù)o水壓力滿足規(guī)范的要求。

3.5 水泵選型及系統(tǒng)工作壓力校核

《消水規(guī)》中規(guī)定，消防水泵揚(yáng)程計(jì)算公式如下：

P=k2(ΣPf+ΣPp)+0.01H+P0

其中：P——消防水泵或消防給水系統(tǒng)所需要的設(shè)計(jì)揚(yáng)程或設(shè)計(jì)壓力(MPa)；

ΣPf+ΣPp——沿程水頭損失與局部水頭損失之和；

k2——安全系數(shù)，該項(xiàng)目取1.3；

P0——最不利點(diǎn)水滅火設(shè)施所需的設(shè)計(jì)壓力(MPa)，取0.35MPa；

經(jīng)計(jì)算，該工程消火栓系統(tǒng)參數(shù)如表3所示。

表3 消火栓系統(tǒng)水泵參數(shù)表

注：消防轉(zhuǎn)輸泵包含消火栓系統(tǒng)、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)用泵。

消火栓水泵滿足《消水規(guī)》對(duì)水泵零流量時(shí)壓力為設(shè)計(jì)壓力1.2～1.4倍的要求。同時(shí)，《消水規(guī)》規(guī)定：當(dāng)水泵出流量為設(shè)計(jì)壓力150%時(shí)，其出口壓力不應(yīng)低于設(shè)計(jì)工作壓力的65%。綜合以上，項(xiàng)目在比選市面上不同類型消防水泵樣本的性能曲線后，最終選用離心泵作為項(xiàng)目消防用泵。

該項(xiàng)目室內(nèi)消火栓系統(tǒng)為采用高位消防水箱穩(wěn)壓的臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)，系統(tǒng)的工作壓力為消防水泵零流量時(shí)的壓力與水泵吸水口最大靜水壓力之和。消火栓系統(tǒng)工作壓力的計(jì)算如表4所示。

表4 消火栓系統(tǒng)工作壓力計(jì)算表

注：①高區(qū)消火栓系統(tǒng)消防水泵不在系統(tǒng)最低位置；

②△H取轉(zhuǎn)輸水箱溢流水位至高區(qū)最底層消火栓栓口的幾何高差。

消火栓系統(tǒng)工作壓力滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

(1)超高層消防系統(tǒng)的豎向分區(qū)，應(yīng)結(jié)合工程具體情況，從項(xiàng)目整體出發(fā)，綜合考慮項(xiàng)目?jī)?nèi)各樓棟情況，從技術(shù)安全可靠性以及經(jīng)濟(jì)合理性等方面綜合比選。

(2)為提高轉(zhuǎn)輸系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，對(duì)于轉(zhuǎn)輸水箱的溢流排水，建議采用設(shè)置集水槽或集水坑形式排放，并將排水引至車庫(kù)消防水池，引入水池前設(shè)置消能措施。

(3)消防水泵零流量壓力值對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作壓力影響大，項(xiàng)目應(yīng)綜合比對(duì)，選擇合適零流量壓力比值，以滿足規(guī)范要求。