某大科學(xué)設(shè)施實(shí)驗(yàn)中心給排水設(shè)計(jì)特點(diǎn)剖析

賀鳳云

（中國中元國際工程有限公司，北京100089）

1 引言

大科學(xué)設(shè)施項(xiàng)目具有前沿性及對新事物新規(guī)律變化不斷的探索性。在大科學(xué)設(shè)施實(shí)驗(yàn)中心的設(shè)計(jì)過程中，一是要了解科研性質(zhì)、試驗(yàn)需求及操作運(yùn)行狀況；二是要根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范，靈活應(yīng)用成熟的專業(yè)技術(shù)，必要的情況下還需對專業(yè)的常規(guī)做法進(jìn)行挖掘突破。

本文以某大型地震工程模擬研究設(shè)施實(shí)驗(yàn)中心為例，對給排水、消防設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行剖析。

2 工程概況

某大型地震工程模擬研究設(shè)施為國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之一，在其專業(yè)領(lǐng)域擁有目前世界最先進(jìn)的地震工程模擬研究振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置，通過開展系列試驗(yàn)研究，揭示復(fù)雜巖土介質(zhì)與水動(dòng)力環(huán)境中重大土木、水利和海洋工程地震破壞機(jī)理，提出安全控制措施，為防災(zāi)減災(zāi)和地震災(zāi)害綜合防范提供重要支撐。

建設(shè)內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)中心、仿真中心、室外工程。大型地震工程模擬研究設(shè)施外觀效果如圖1所示（項(xiàng)目位于天津）。

實(shí)驗(yàn)中心地上為單層廠房，地下3層，局部2層，貼建輔房2層。總建筑面積約為5.46×104m2，其中，地上建筑面積為2.86×104m2，地下建筑面積為2.60×104m2。主體建筑高度36.90m。鋼排架/鋼框架/鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。功能分區(qū)見圖2所示。

3 給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

水下振動(dòng)臺(tái)區(qū)域有1座造波、造流蓄水池，從地下3層至±0.00m平面，蓄水量容積約5×104m3。通過萬噸水量模擬“驚濤駭浪”沖（撞、拍）擊結(jié)構(gòu)模型，測得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，獲取科研成果。如此體量大的蓄水不僅起試驗(yàn)介質(zhì)的角色，還用于大型振動(dòng)臺(tái)工藝設(shè)備循環(huán)冷卻水，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)抗浮作用，所以，不論是為了節(jié)約用水，還是附屬的結(jié)構(gòu)抗浮功能需求，這池水都不可避免地儲(chǔ)存在地下水庫中重復(fù)利用。試驗(yàn)水池位于室內(nèi)，每次大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)后的工藝循環(huán)冷卻水，經(jīng)計(jì)算水溫最多提高1～2℃，再通過水下振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，水溫可保持常溫。水下振動(dòng)臺(tái)每年試驗(yàn)次數(shù)約10次，在試驗(yàn)過程中難免帶入浮沉雜質(zhì)、銹蝕、油污等，水體會(huì)被輕度污染。故此儲(chǔ)水需水質(zhì)凈化，以保證試驗(yàn)用水水質(zhì)。本工程擬采用砂濾+活性炭吸附+除油裝置工藝，設(shè)計(jì)能力200m3/h，水質(zhì)凈化周期暫定為15d。補(bǔ)水量暫按100m3/d考慮，水質(zhì)為自來水。

圖1 大型地震工程模擬研究設(shè)施外觀效果圖

圖2 實(shí)驗(yàn)中心功能分區(qū)示意圖

4 屋面雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)流態(tài)的確定

實(shí)驗(yàn)中心廠房采用輕型彩鋼板屋面，總匯水面積約為1.8×104m2，按照建筑屋面坡度方向，最大匯水面積單元約為5 000m2，根據(jù)GB 50015—2019《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，工業(yè)廠房大型屋面雨水排水系統(tǒng)宜按滿管壓力流設(shè)計(jì)，以減少雨水懸吊管及落水管的數(shù)量【1，2】。設(shè)備廠家從屋面整體安裝匹配及材質(zhì)規(guī)格，也極力推薦虹吸（滿管壓力流）雨水系統(tǒng)。但基于實(shí)驗(yàn)中心屋頂設(shè)有大型吊車（500t/60t、60t/20t、20t/5t），根據(jù)以往大型工業(yè)廠房運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，長時(shí)間運(yùn)行其震動(dòng)會(huì)將虹吸雨水系統(tǒng)的整體裝置破裂，漏水現(xiàn)象嚴(yán)重。同時(shí)，考慮到振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)震動(dòng)的不確定性，存在安全隱患，故本設(shè)計(jì)采用重力流雨水排水系統(tǒng)，落水管利用建筑外立面的裝飾柱包封。

5 消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 工藝方案的演變及火災(zāi)危險(xiǎn)類別的定性

前期方案階段，工藝儲(chǔ)油罐位于地下建筑內(nèi)，液壓油閃點(diǎn)不低于200℃，屬于丙B類液體。大型振動(dòng)臺(tái)地下2層工藝設(shè)備區(qū)主要包括50m3儲(chǔ)油罐4座，油泵房、油管、蓄能器等設(shè)備；水下振動(dòng)臺(tái)地下3層工藝設(shè)備區(qū)主要包括50m3儲(chǔ)油罐1座，油泵房、油管、蓄能器等設(shè)備。消防方案擬采用水噴霧+防護(hù)冷卻自動(dòng)滅火系統(tǒng)。甲方率隊(duì)去成都、上海、重慶、北京等相關(guān)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)研究所調(diào)研，有的實(shí)驗(yàn)室除了滅火器，沒有其他消防設(shè)施；有的設(shè)置了室內(nèi)消火栓；有的設(shè)置了室內(nèi)消火栓及自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)。

又經(jīng)過幾輪專家會(huì)評審，均認(rèn)為地下工程儲(chǔ)油量較大，發(fā)生火災(zāi)易引起爆炸，風(fēng)險(xiǎn)太大，建議儲(chǔ)油罐移出建筑物直埋室外地下，并與建筑物間距滿足防火規(guī)范要求。由于試驗(yàn)裝置的特殊要求，建筑防火分區(qū)、疏散距離、安全出口均突破規(guī)范，實(shí)驗(yàn)中心屬于民建還是廠房？其火災(zāi)危險(xiǎn)類別認(rèn)定的合理性、安全性、經(jīng)濟(jì)性沒有法規(guī)支持，消防方案的確定舉步艱難。最終召開建設(shè)工程消防設(shè)計(jì)咨詢（論證）會(huì)，形成建設(shè)工程消防設(shè)計(jì)咨詢（論證）會(huì)紀(jì)要（以下簡稱“紀(jì)要”）。

根據(jù)《科研建筑設(shè)計(jì)規(guī)范（征求意見稿）》條文說明第5.2.10條，科研建筑雖不同于一般工業(yè)廠房，但在材料與構(gòu)造的耐火性能以及火災(zāi)的火勢形成、發(fā)展與擴(kuò)散等基本特性方面，兩者都基本一致。故“紀(jì)要”將實(shí)驗(yàn)中心歸類為工業(yè)廠房。振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)坑區(qū)域與地上有結(jié)構(gòu)連通，振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)坑區(qū)域試驗(yàn)過程中有含油裝置，生產(chǎn)的火災(zāi)危險(xiǎn)類別按丙類考慮，故此實(shí)驗(yàn)中心定性為丙類廠房。

5.2 水消防方案的確定

大型振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)廠房跟水下振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)廠房連通，建筑高度36.90m，建筑定性為單層丙類廠房；貼建輔房為地上2層，為民用建筑。

地下工程的工藝設(shè)備區(qū)（油壓系統(tǒng)區(qū)域）采用閃點(diǎn)不低于200℃液壓油，實(shí)驗(yàn)次數(shù)每年約10次。工藝設(shè)備區(qū)試驗(yàn)時(shí)充油，平時(shí)無油（液壓油儲(chǔ)存在室外直埋油罐）。管路及油箱配置壓力報(bào)警裝置，保證油壓穩(wěn)定，油滲漏、溢出引起壓力值波動(dòng)便會(huì)報(bào)警，緊急停機(jī)停止試驗(yàn)。管路及油箱配置油溫保護(hù)裝置，液壓油在工作溫度下不分解，最高溫度不超過63℃，溫度值異常停機(jī)停止試驗(yàn)。工藝設(shè)備自身采取智慧消防措施，并與消防控制中心聯(lián)動(dòng)。大型振動(dòng)臺(tái)基坑為密閉免維護(hù)工藝設(shè)備區(qū)，不在本設(shè)計(jì)范圍。

基于工藝設(shè)備區(qū)的設(shè)備運(yùn)行、檢測、監(jiān)測、控制、日常維護(hù)等狀況，認(rèn)為地下工程可燃物雖然為丙B類液壓油，但均在高壓設(shè)備及壓力管道內(nèi)，高壓設(shè)備及壓力管道不得滲漏，否則試驗(yàn)不能進(jìn)行，因此可燃物與空氣難以相互接觸。液壓油工作溫度不高于63℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液壓油的燃點(diǎn)。所以，設(shè)備、管路內(nèi)的液壓油不具備燃燒條件，發(fā)生燃燒概率非常低。地下實(shí)驗(yàn)室除了工藝設(shè)備及管路內(nèi)的液壓油外，沒有其他可燃物。電氣專業(yè)采用感煙、感溫火災(zāi)探測器、線性光束感煙探測器等火災(zāi)報(bào)警裝置。除檢修人員能進(jìn)入地下實(shí)驗(yàn)室外，其他人員一律嚴(yán)禁入內(nèi)。故此地下實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)危險(xiǎn)性跟剛開始接觸項(xiàng)目時(shí)的認(rèn)識(shí)相差甚遠(yuǎn)，再結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的調(diào)研情況，認(rèn)為本設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)中心使用功能出發(fā)，既要為建筑物提供最合理的防火保護(hù)，又可以最大限度地降低建筑成本。從概率風(fēng)險(xiǎn)分析法看，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)為各種火災(zāi)發(fā)生的概率Pi與其火災(zāi)所造成的危害數(shù)值Ci的乘積，即火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)=∑PiCi，Pi值非常低，則地下室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性很低。故此確定以下水消防方案【3～5】。

1）地上實(shí)驗(yàn)廠房，建筑定性為單層丙類廠房，設(shè)置室內(nèi)消火栓系統(tǒng)。

2）地下工程，建筑定性為丙類廠房，設(shè)置室內(nèi)消火栓系統(tǒng)、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)按中危險(xiǎn)級Ⅱ級考慮。

3）貼建輔房，建筑定性為民建，設(shè)置室內(nèi)消火栓系統(tǒng)。2層有送回風(fēng)道（管）集中空調(diào)系統(tǒng)，在2層設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，按中危險(xiǎn)級Ⅰ級考慮。

4）因水下振動(dòng)臺(tái)中間實(shí)驗(yàn)水池跨度大（約75m），室內(nèi)消火栓又僅能設(shè)置在水池兩邊，消火栓布置間距不能滿足規(guī)范要求。考慮到實(shí)際運(yùn)行過程中，實(shí)驗(yàn)水池試驗(yàn)時(shí)充滿了水，沒有試驗(yàn)時(shí)會(huì)被放空，池內(nèi)無可燃物，不具備燃燒條件，故此消火栓設(shè)置間距按實(shí)際狀況布置。

5）大型振動(dòng)臺(tái)基坑為密閉免維護(hù)工藝設(shè)備區(qū)，自帶智慧消防措施，不在本設(shè)計(jì)范圍。

上述水消防方案，建設(shè)工程消防設(shè)計(jì)咨詢（論證）會(huì)原則同意。

5.3 消防水量的確定

本工程建筑功能復(fù)雜，根據(jù)火災(zāi)危險(xiǎn)等級、建筑規(guī)模，以及“紀(jì)要”、GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（2018年版）（以下簡稱“建規(guī)”）、GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱“水消規(guī)”）、GB 50084—2017《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱“噴規(guī)”），主要建筑消防用水量如表1所示。本工程最不利消防對象是地下建筑，一次消防用水量為972m3。市政給水可為本工程提供2路進(jìn)水，管徑、壓力均可提供室外消火栓消防系統(tǒng)的水量及水壓，所以，本工程室外消火栓消防系統(tǒng)利用市政給水壓力，采用低壓消防。室內(nèi)消防為臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)。

表1 消防用水量

6 設(shè)計(jì)中遇到的問題與建議

6.1 專業(yè)間的配合需加強(qiáng)

1）在消防論證中，給排水專業(yè)提供的方案，地上實(shí)驗(yàn)廠房及貼建輔房1層不需設(shè)自動(dòng)滅火系統(tǒng)，2層因有送回風(fēng)道（管）的集中空調(diào)系統(tǒng)，設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)。消防評審專家也認(rèn)可，認(rèn)為地上實(shí)驗(yàn)廠房本身是丁、戊類機(jī)加工廠房，因跟地下工程設(shè)備基坑連通，才提高了生產(chǎn)火災(zāi)危險(xiǎn)性級別，定為丙類廠房，根據(jù)“建規(guī)”，單層丙類廠房不需設(shè)自動(dòng)滅火系統(tǒng)。貼建輔房1層不采暖，幾乎被變配電所等電氣用房占用，不宜用水滅火。不設(shè)自動(dòng)滅火系統(tǒng)，建筑防火分區(qū)面積亦滿足“建規(guī)”要求。但建筑專業(yè)遞交的消防論證文件中，陳述貼建輔房設(shè)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)比較籠統(tǒng)，故此，施工圖設(shè)計(jì)審查中要求按照建筑專業(yè)的條文執(zhí)行，為此，水消防設(shè)計(jì)在位于1層輔房的零零散散工具間、衛(wèi)生間、走道補(bǔ)充預(yù)作用自動(dòng)噴水系統(tǒng)。

2）本工程由于設(shè)備荷載很大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，邊設(shè)計(jì)、邊研討、邊論證。在各專業(yè)協(xié)調(diào)中，結(jié)構(gòu)專業(yè)提供±0.00m樓板為無梁樓板，厚度至少1m。根據(jù)天津地區(qū)最大凍土深度（0.69m），地下1層位于±0.00m樓板下的給水管道應(yīng)不會(huì)被凍裂，不需考慮防凍保溫設(shè)施。但在施工圖設(shè)計(jì)交圖會(huì)審時(shí)發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)形式發(fā)生變化，采用井字梁，梁高0.81～1.0m，板厚0.5m。梁板結(jié)構(gòu)形式變化影響自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的噴頭布置，如圖3所示，根據(jù)“噴規(guī)”，噴頭距樓板底間距在75～150mm，井字梁結(jié)構(gòu)形式會(huì)造成噴頭支管凍裂的可能。故此，地下1層自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)將原有濕式系統(tǒng)改為預(yù)作用系統(tǒng)，消防控制方式隨之改變。

圖3 不同厚度樓板噴頭布置示意圖

6.2 需結(jié)合工程特點(diǎn)將設(shè)計(jì)精細(xì)化

1）本工程非常規(guī)，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度對管道系統(tǒng)等配套設(shè)施是否有影響？影響多大？沒有經(jīng)驗(yàn)可鑒。經(jīng)與結(jié)構(gòu)專業(yè)溝通，其也一直在研究探索。筆者考慮到振動(dòng)強(qiáng)度的不可預(yù)見性，以及結(jié)構(gòu)樓板的厚度比較大，要求當(dāng)管道穿池壁、墻體、樓板時(shí)均需在主體結(jié)構(gòu)施工中預(yù)埋柔性防水套管，明設(shè)管道采用彈性支吊架，以預(yù)防不可預(yù)見的振動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移或沉降。

2）基于地上廠房振動(dòng)臺(tái)與地下工程連通區(qū)域，地下有火情時(shí)有竄出火的可能，故此在連通區(qū)域加密消火栓布置間距。

6.3 消防水泵房設(shè)置位置的利與弊

消防水泵房位于水下振動(dòng)臺(tái)北側(cè)，利用水庫作為消防蓄水池，常規(guī)認(rèn)為節(jié)省空間。但在與甲方聯(lián)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)該方案有利有弊，節(jié)水節(jié)約空間是有利的一個(gè)方面。但本工程有2棟建筑，其中仿真中心建筑體量小，方案成熟，建設(shè)速度快，按照施工周期，2a內(nèi)就要竣工使用。但實(shí)驗(yàn)中心地下工程非常復(fù)雜，施工周期比仿真中心要長很多，地下水庫、消防水泵房的建設(shè)、安裝、充水能否趕上仿真中心竣工、消防驗(yàn)收存在很多不確定性。另外，在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中心結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝要求高，消防配套設(shè)施應(yīng)盡可能減少跟工藝要求高的主體結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)帶來的震動(dòng)對消防水泵房影響也不好判斷，故此在施工圖階段建議甲方將消防水池及水泵房移出實(shí)驗(yàn)中心，另行建設(shè)或置于仿真中心，但幾經(jīng)溝通未果。這或許成為本設(shè)計(jì)遺留下來待檢驗(yàn)的課題。

7 結(jié)語

大科學(xué)設(shè)施項(xiàng)目在使用功能上具有許多不確定性及前瞻性，專業(yè)設(shè)計(jì)師需要時(shí)刻跟進(jìn)項(xiàng)目，領(lǐng)悟科學(xué)家們的想法及對土建、機(jī)電設(shè)計(jì)的要求，由于建設(shè)成本的控制，在設(shè)計(jì)上能否實(shí)現(xiàn)要給予專業(yè)判斷及反饋。很多大科學(xué)設(shè)施項(xiàng)目具有唯一性，需把握其特色，用心、耐心做專項(xiàng)設(shè)計(jì)，以保障大科學(xué)設(shè)施項(xiàng)目順利展開。