超高層建筑消防給水系統(tǒng)的設計思路與要點分析

鄒寶珍

中國核電工程有限公司上海分公司 上海 200135

當今，建筑科學技術的發(fā)展水平越來越高。在經(jīng)濟社會發(fā)展過程中，土地資源逐漸形成稀缺形式的背景下，建筑業(yè)進入了一個嶄新的發(fā)展階段，即從一般的高層建筑過渡到超高層建筑，我們希望能夠最大限度地利用現(xiàn)有的土地和空間資源。然而，超高層建筑在設計期間，消防供水系統(tǒng)設計的實用性，施工階段的建設難度與使用階段的管理難度都可能成為巨大的難題[1]。我們有必要了解我國各種消防設備的供水特性，單一的加壓供水系統(tǒng)可能無法達到超高層建筑消防給水的標準要求。因此，在超高層建筑的消防給水設計階段，必須嚴格按照國家標準要求，靈活使用各消防聯(lián)合供水系統(tǒng)，確保消防加壓給水系統(tǒng)設計能夠滿足火災期間的滅火需求，最大限度的減少火災帶來的損失，一旦發(fā)生室內(nèi)嚴重火災，超高層民用建筑盡可能依靠室內(nèi)自動滅火系統(tǒng)及火災初期應急滅火設施完成應急滅火，保障災害用戶生命財產(chǎn)和人身安全。

1 超高層建筑消防給水國家標準要求設計參數(shù)

超高層建筑物一般指的是建筑物的層高超過一百米的建筑物。而現(xiàn)在建筑工程的安全消防工作措施根據(jù)《建筑設計防火規(guī)范》GB50016-2014(2018年版)(下列又稱'建規(guī)')的有關標準予以設計[2]。在“建規(guī)”5.1.1民用建筑的分類表中規(guī)定可見，建筑高度大于50m的公共建筑即視為一類高層民用建筑，'建規(guī)'第1.0.6條明文規(guī)定'建筑物層高超過二百五十米的建筑物,除應滿足本標準的條件外,尚應結合實際情況采用更為嚴密的安全防火保護措施,其安全防火工程設計應提請國家政府消防技術主管機構專項調(diào)查、專家論證'。是以，本文擬討論的100m~250m建筑可參照一類高層民用建筑相關設計要求進行消防給水系統(tǒng)設計。

根據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范》中規(guī)定，民用建筑在同一時間內(nèi)的火災起數(shù)應按1起確定，一起火災所需消防用水的設計流量應由建筑的室外消火栓系統(tǒng)，室內(nèi)消火栓系統(tǒng)，自動噴水滅火系統(tǒng)，固定消防炮系統(tǒng)等需要同時作用的各種水滅火系統(tǒng)的設計流量之和確定；兩座及以上建筑合用消防給水系統(tǒng)時，應按其中一座設計流量最大者確定。建筑高度為100m~150m超高層民用建筑建筑體積大于5萬m3的室外消防用水設計流量值為40L/s，室內(nèi)消火栓給水設計流量為40L/s，自動噴水滅火的火災危險等級為中危險級，最大凈空高度≤8m時，設計噴水強度8L/(min·m2)，作用面積160m2，高大空間場所當最大凈空高度在8至18m之間時，設計噴水強度范圍為12 L/(min·m2)~20 L/(min·m2);當凈空高度超過自動噴水滅火系統(tǒng)保護范圍時，一般采取消防炮滅火系統(tǒng)，本篇暫不做相關討論。

2 消防供水系統(tǒng)選擇

當建筑高度超過100m時，高樓層部位著火，消防人員到達起火點所需的時間較長，因此，在這一類的高層建筑中，靠消防車撲救火災困難極大，設計過程中，應充分考慮起火時的自救措施，而自救主要依賴于室內(nèi)的消防給水系統(tǒng)，因此消防給水系統(tǒng)“水”的穩(wěn)定性應該作為核心因素考慮。

目前，室內(nèi)供水系統(tǒng)一般采取消防水池加給水加壓泵加壓供水的形式，消防水池儲存單次火災滅火所需的全部用水量，針對室內(nèi)消火栓系統(tǒng)，當系統(tǒng)工作壓力大于2.40MPa或消火栓栓口處靜壓大于100m時，室內(nèi)消火栓系統(tǒng)須采取分區(qū)供水的形式；而當自動水滅火系統(tǒng)報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時，自動水滅火系統(tǒng)須采取分區(qū)供水的形式。減壓分區(qū)主要分為減壓閥減壓分區(qū)、消防水泵轉(zhuǎn)輸水箱串聯(lián)分區(qū)供水，減壓水箱減壓分區(qū)供水等形式。減壓閥減壓分區(qū)優(yōu)點是不占用建筑的使用面積，但減壓閥后的供水分區(qū)壓力損耗較大；減壓水箱減壓分區(qū)供水須在每個分區(qū)設置減壓水箱，消防給水由高位消防水池供給，雖供水方式可靠，但所有消防用水都需要輸送至高位消防水池再向下層減壓供水，能源損耗大，占據(jù)建筑面積也較大[3]。

綜合上部所述，針對100~250m超過高層公共建筑消防給水系統(tǒng)設計，對于150m以下超高層建筑，選擇消防加壓水泵直供的方式，并使用減壓閥減壓分區(qū)；而對于150m~200m超高層建筑，則需要設置消防轉(zhuǎn)輸水箱，進行分區(qū)串聯(lián)供水。

3 消火栓系統(tǒng)

針對超高層的工程建筑物,如果消防給水系統(tǒng)壓力分區(qū)設計劃分不恰當,通常會導致消火栓的栓口動壓過大,室內(nèi)消火栓一般情況下配置均為直流水槍，這種直流水槍的反作用力如果超過200牛，在滅火時，會產(chǎn)生很強的反作用力，一名消防人員難以獨自操作其進行火災撲救[4]。同時，如果消防系統(tǒng)分區(qū)設計壓力過大,極易導致管路閥門或者管道破裂，所以，如果想要防止出現(xiàn)上文提及的狀況,就需要在設計初期進行好消防供水壓力確定，并做好消防給水系統(tǒng)的壓力分區(qū)設計，設計計算過程中，消火栓栓口動壓不應大于0.50MPa，當栓口動壓大于0.70MPa時，必須設計減壓裝置，一般設計選用加壓閥組分區(qū)供水及設置減壓穩(wěn)壓型消火栓等方式控制消火栓栓口壓力。

超高層建筑物中的消火栓,包括室內(nèi)外消火栓。為了使二者在火災事故中發(fā)揮作用,設計者有必要明確相關規(guī)范文件和消防要求,合理設置消火栓。其中,室外消火栓應沿超高層建筑均勻布設,并預留滅火作業(yè)場所開展作業(yè)。室外消火栓設計用水量按照超高層建筑的數(shù)量和容積合理計量 ,工程設計技術人員應當按照超高層建筑的數(shù)量和容積合理選用室內(nèi)外消火栓設計參數(shù)。超高層建筑的室內(nèi)外消防栓在工程設計過程中,應當嚴格地根據(jù)國加消防標準的要求加以設計與施工。

4 自動噴水滅火系統(tǒng)

自動噴水滅火系統(tǒng)是當今世界上公認的最為有效的自動滅火設施之一，是應用最廣泛，用量最大的自動滅火系統(tǒng)，國內(nèi)外的應用實踐也證明，自動噴水滅火系統(tǒng)安全可靠、經(jīng)濟實用、滅火成功率高。自動噴水滅火系統(tǒng)由報警閥組，灑水噴頭，水流報警裝置及末端試水裝置組成，布置灑水噴頭是應注意灑水噴頭須均勻分布，不應受建筑物或管道等障礙物阻擋，導致影響滅火效果。報警閥組應盡量設置于安全且便于操作的場所，設計中常將報警閥組設置于消防水泵房內(nèi)，或單獨設置報警閥間。每個報警閥控制的噴頭數(shù)量不大于800個，供水范圍的高程差不應大于50m[5]。在超高層建筑中，噴頭設置保護范圍的有效性極為重要，規(guī)范規(guī)定，除不宜用水撲救的場所外，均須設置噴頭保護，在超高層公共建筑中，常見的高壓配電間，IT機房，變電所等不采用自動噴水滅火系統(tǒng)，但仍須考慮設計氣體滅火系統(tǒng)。在布置噴頭時，設計尤其要注意的是自動扶梯的底部，樓梯間前室，衛(wèi)生間清潔間等部位，此類部位在設計過程中極易被忽略，均需按要求設置噴頭。在設置噴頭保護時，每個防火分區(qū)及每個樓層均應設置水流指示器及信號閥，水流指示器處即視作每個防火分區(qū)或樓層的配水管道入口，配水管入口壓力應控制在0.4MPa以下，故須設置減壓閥組或減壓孔板來均衡配水管入口的壓力。每個報警閥組的最不利點處均應設置末端試水裝置，其他防火分區(qū)及樓層設置直徑25mm的末端試水閥門，末端試水裝置由試水閥、壓力表以及試水接頭組成，末端試水裝置的出水應采取孔口出流的方式排入排水管道，排水立管伸出建筑屋面進行伸頂通氣。超高層建筑的噴淋末端試水承接管排水壓力大，設計中須考慮使用耐壓性高的靜音管材及管件。

5 消防水泵接合器

建筑消防水泵接合器是建筑室外消防給水系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于連接消防車，向室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)，自動噴水滅火系統(tǒng)等設施供水。設置消防水泵接合器后，再消防員滅火時能更加有效的利用建筑內(nèi)的消防滅火設施，大大的節(jié)省消防員需要進行登高作業(yè)以及鋪設水帶等滅火設施的時間。消防水泵接合器應設置在室外便于消防車使用和接近的地點，且應分散布置，距室外消火栓或消防水池的距離約15m至40m范圍內(nèi)。當室內(nèi)消火栓系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)等的水泵接合器集中設置在同一區(qū)域時，應有明顯的標志進行區(qū)分。

水泵接合器的設置方式可選用以下兩種：低區(qū)水泵接合器和高區(qū)水泵接合器，這類設置方式一般在高度200m左右,豎向分區(qū)不大于4個，消防水泵“一泵到頂”建筑中多見，低區(qū)和中區(qū)系統(tǒng)按串聯(lián)方式設1套水泵接合器,超過100m的”高區(qū)系統(tǒng)由消防車通過高區(qū)消防水泵接合器將市政水升壓進入預設的接力系統(tǒng)，再由電力或柴油接力泵(設在地下消防泵房內(nèi))直接串聯(lián)加壓進入高區(qū)管網(wǎng)；低區(qū)水泵接合器和高區(qū)水泵接合器(中間消防水箱轉(zhuǎn)輸)這類設置方式在建筑高度200m左右，豎向分區(qū)不大于4個，在避難層/設備層設置中間消防水泵房的公共建筑多見，在此類系統(tǒng)中消防車通過水泵接合器進入接力水箱或高位重力消防水箱間接供水。

6 消防水池及高位消防水箱

在室內(nèi)消防系統(tǒng)設計中，消防水池及高位消防水箱的設計占據(jù)重要地位。消防水池用于儲存室內(nèi)消防用水的全部用水量，一般設置于建筑的一層或地下層。消防水池與消防水泵房聯(lián)合設計，消防水泵由消防水池吸水加壓后供給至各消防用水點[6]。設計中，消防水池的最低有效水位須能保證消防水泵的自灌式吸水，即消防水池的最低有效水位須不低于立式多級消防泵的出水管中心線，不低于臥式消防泵的水泵放氣孔；消防水池須設有溢流水位，高報警水位，高（常）水位，低報警水位，最低有效水位。水位信號須就地顯示并傳送至消控中心。消防水池應在給水管附近設置檢修人孔，便于管線及閥門等相關附件的檢修。

設置臨時高壓消防系統(tǒng)的建筑應設置高位消防水箱，消防給水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范中規(guī)定，一類高層公共建筑，高位消防水箱有效容積不應小于36m3，當建筑高度大于100m時，高位消防水箱有效容積不應小于50m3，當建筑高度大于150m時，高位消防水箱有效容積不應小于100m3。高位水箱的設置位置應高于其所服務的水滅火設施，一般情況我們將高位消防水箱設置于建筑群中最高一座建筑的屋頂。

7 消防供水系統(tǒng)中的其他問題

7.1 管道井

超高層建筑設計中，建筑往往具有使用功能多樣性，空間布置復雜交錯等特點，加之避難層以及建筑防火疏散要求，各專業(yè)的管井等多有無法上下貫通，需要錯位設置的情況。因此在消防給水主立管設計時，需要充分考慮管道在平面布置上的合理性，避免主干管經(jīng)過管線密集空間狹窄的通道等位置，從而影響建筑凈高要求，必要時，須連同建筑、電氣、暖通等各專業(yè)協(xié)同設計，以確保管線設置不影響建筑使用功能。

7.2 隔震降噪

超高層建筑避難層常設置設備機房，引起噪聲與振動問題。尤其當避難層的上下樓層為酒店客房、高檔辦公等有較高安靜要求的使用功能時，水泵等機械設備、管路水流等的噪聲與振動對工程品質(zhì)影響極大。除按要求采取減震隔聲措施外，適當以減壓閥替代串聯(lián)水泵進行分區(qū)、設置減壓孔板等，均可在保障系統(tǒng)壓力安全的同時，有效控制噪聲影響。

7.3 避難層

根據(jù)建筑內(nèi)部具體的劃分標準,在耐火級別、安全性疏散、防火安全距離、滅火設備、消防分區(qū)等幾個方面,建筑面臨著必然的差異,這就必須針對這種差異提供不同的建筑設計條件。這么做的優(yōu)點是既可以讓超高層建筑的消防安全大大地提高,又同時減少了投入的資金。按照建筑物的使用特性、失火的風險、避難時間和防火的難度來加以分類的話,超高層建筑物應當歸于第一類高層建筑,地下室的防火級別與建筑物的主體部分同為第一類,而裙房的防火級別則不得少于二類。針對一些超高層的公共建筑來說,例如酒店、辦公室或是綜合樓,避難樓層的建筑設計也是必要的。這些避難樓層的設計剛好可以用作消防供水轉(zhuǎn)輸水箱的設計位置，這樣既不影響建筑功能，又能夠保證消防供水的穩(wěn)定性。

7.4 滅火救援

目前世界最高的消防云梯最大有效高度已達一百零一米,不過這還遠遠沒有趕上超高層建筑物發(fā)展的高度,加之臺風的影響,使得高空作業(yè)者具有相當?shù)娘L險。當超高層建筑物達到了消防云梯的極限高度時,高噴車和長射程的移動水炮車等都很難從室外垂直打到高一百多米以上的起火部位。因此，滅火救援不能只依賴于專業(yè)消防救援人員趕到現(xiàn)場之后再實施救助，設計之初就應立足于自救，依靠自動滅火系統(tǒng)以及滅火器、消火栓箱內(nèi)及分散設置的輕便消防水龍等撲滅初期起火點。

8 小結

綜上所述，在我國新經(jīng)濟時期城市經(jīng)濟發(fā)展的背景下，超高層建筑已發(fā)展成為現(xiàn)代工程建設領域的標桿類項目。但是超高層建筑消防救援難度大，人員疏散困難，發(fā)生火災后將造成嚴重的生命財產(chǎn)損失，因此，超高層建筑的消防設計尤為重要，而在超高層建筑的消防設計當中，消防給水系統(tǒng)設計占據(jù)著重要的地位。本文從超高層建筑消防給水國家標準要求設計參數(shù)、消防供水系統(tǒng)選擇、消火栓系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)、消防水泵接合器、消防水池及高位消防水箱以及設計要點及難點分析這幾方面進行分析，找到超高層建筑的消防設計思路，希望能為相關企業(yè)提供更多的有效信息。