建筑消防給排水設計的常見問題思考

苑紹鵬

(北京北控京奧建設有限公司,北京 102100)

建筑消防給排水設計作為建筑安全的主要影響因素,需要根據(jù)建筑消防需求不斷改進,從而為人們的人身安全和財產(chǎn)安全提供保障[1]。由于建筑結構日漸復雜,使用的材料日漸豐富,加大了建筑消防給排水設計難度。在科學技術迅速發(fā)展的時代背景下,我國開發(fā)了自動噴水滅火系統(tǒng),作為建筑消防給排水的核心結構[2]。該系統(tǒng)雖然引入了自動化控制技術,但是在流量、噴水壓力、儲水、水泵型號選取等多個方面的設計仍然存在問題,當前對于這些問題的研究不夠深入,缺少針對性策略的提出[3]。本文通過整理大量文獻資料,結合建筑消防設計實踐工作經(jīng)驗,嘗試更為深入的探究。

1 建筑消防給排水設計的常見問題

1.1 自動噴水滅火系統(tǒng)流量設計不合理

目前,大部分建筑消防給排水自動噴水滅火系統(tǒng)設計中,對流量問題考慮比較少,采用區(qū)間設定方法,根據(jù)模擬火災消防相關數(shù)據(jù),設計系統(tǒng)噴水最大流量和最小流量[4]。當火勢達到一定程度時,將系統(tǒng)噴水流量提升至最大,計算滅火所需時間,此部分時間的計算結果顯示,可以為現(xiàn)場人員爭取更多逃生的機會,同時對人身安全給予了一定保障。然而此部分模擬分析,忽略了系統(tǒng)噴水壓力、噴水強度等參數(shù)[5]。實際作業(yè)中,系統(tǒng)噴水流量與理論分析數(shù)值相差較大,當噴水量達到最大點時,未能達到預算的噴水覆蓋面積,導致系統(tǒng)功能沒有得到充分發(fā)揮,不利于現(xiàn)場消防指揮工作的開展[6]。當前關于系統(tǒng)噴水流量最大點的計算研究不夠深入,缺少對建筑所有噴頭的流量需求進行分析,導致流量最大點計算錯誤。

1.2 自動噴水滅火系統(tǒng)噴水壓力設計不合理

大量研究資料表明,為了加快建筑滅火工作的開展,很多給排水設計方案中將系統(tǒng)噴水壓力數(shù)值設置過大,希望能夠在短時間內噴射出更多水資源[7]。然而這種想法的設計,沒有考慮水壓過大對管道的影響,從當前系統(tǒng)作業(yè)情況來看,由于水壓設置過大,導致部分管道出現(xiàn)了滲水、破裂情況,不利于消防工作的開展。

另外,系統(tǒng)噴水壓力與系統(tǒng)噴水揚程密切相關。如果噴水壓力設置不合理,則很難達到預期的噴水距離。而噴水揚程決定了系統(tǒng)噴水覆蓋面積,對噴頭設置合理性也會造成較大影響。在有限的建筑空間內,只有準確計算噴水壓力與揚程之間的關系,采取合理調節(jié)方法,才可以保證兩個參數(shù)數(shù)值變化不會發(fā)生矛盾,使其達到理想消防效果。然而,從當前的系統(tǒng)設計方案來看,很少將揚程列入分析列表中,所以制定的滅火噴水方案不合理。實踐應用中也驗證了方案的不合理之處。

1.3 消防水池儲水量與用水量不符

消防水池作為建筑消防給排水設計的一部分,在很大程度上決定了消防給水需求能否得以滿足。由于火勢不同,對消防給排水的需求存在一定差異,所以消防用水量不是固定的,需要根據(jù)建筑當前的火勢情況確定[8]。那么在現(xiàn)有的空間中,如何設置消防水池的儲水量參數(shù)成為了設計難點。目前,大部分設計方案中沒有具體提及消防水池儲水量的設定,而是直接給出的設計方案,此部分數(shù)據(jù)設置不夠嚴謹。通過收集大量建筑消防給排水工作開展信息發(fā)現(xiàn),建筑內部設計的消防水池尺寸不一,儲水量相差較大,并且存在建筑空間較小而消防水池占據(jù)空間較大、建筑空間較大而消防水池占據(jù)空間較小的情況,如此大的反差,造成了空間資源的嚴重浪費和消防給水不足問題,埋下了安全隱患[9]。設計中,應該根據(jù)建筑所需的用水量來設計消防水池規(guī)格,使其儲水量與用水量相符。

1.4 消防水泵選型不合理

消防水量給排水主要受消防泵影響,如果消防泵型號選取不合理,那么勢必對消防系統(tǒng)噴水效果造成一定影響,包括系統(tǒng)使用壽命縮短、水資源噴射持續(xù)時間減短、增加栓口操作難度等問題[10]。為了提高水資源利用率,盡可能的發(fā)揮消防系統(tǒng)作用,大部分設計根據(jù)建筑結構部署情況,設計了不同的噴頭部署方案和壓力控制方案。這些方案的實現(xiàn),需要與之匹配的消防水泵搭配使用。然而,大部分設計方案未考慮此部分因素,而是采用統(tǒng)一規(guī)格配備消防水泵,導致實際作業(yè)效果與預期不符。

2 建筑消防給排水設計問題解決策略

2.1 自動噴水滅火系統(tǒng)流量設計新思考與優(yōu)化

《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》中9.1.3 條規(guī)定:系統(tǒng)中流量的設計,必須以最不利點作用面積內噴頭同時作業(yè)噴水消耗的總流量來確定標準數(shù)值。然而,實際作業(yè)中最大流量區(qū)域并不是噴頭作業(yè)最不利點處作用面積。因此,當前大部分的流量設計存在問題,導致火災現(xiàn)場噴水作業(yè)未能達到預期滅火效果?？紤]到滅火系統(tǒng)作業(yè)期間,壓力的平方數(shù)值與噴水量之間存在正比關系,噴頭同時作業(yè)產(chǎn)生的流量是系統(tǒng)作業(yè)所需最小流量,而最大流量需要根據(jù)壓力參數(shù)數(shù)值進行確定。一般情況下,系統(tǒng)作業(yè)流量最小點與壓力最不利點之間存在較強的關聯(lián)關系,并且流量最大點與壓力最大點之間也存在較強的關聯(lián)關系。所以,為了滿足消防給排水需求,保證存水量能夠達到噴水持續(xù)時間標準,同時保證噴水強度滿足作業(yè)要求,應該按照流量最大處作用面積內噴頭同時作業(yè)產(chǎn)生的噴水總流量展開設計。如圖1 所示為最不利點處作用面積。

圖1 最不利點處作用面積

按照“噴規(guī)”9.1.2 條中提出了如何劃分壓力最不利點的作用面積,根據(jù)此部分內容的理解,整理出流量最大點作用面積的劃分方案:以矩形作為此部分面積劃分區(qū)域,即流量最大點,要求配水管與矩形的長邊保持平行,作用面積與矩形長度的關系為1.2 倍作用面積平方根小于矩形長邊長度。假設噴頭全部開啟消耗水資源產(chǎn)生的流量數(shù)值為Qb,選取消防專用變流恒壓水泵為例,計算流量參數(shù)數(shù)值。其中,位于水泵出水口位置的噴水壓力保持不變,記為Hp,流量最大區(qū)域為B,當該區(qū)域與系統(tǒng)噴水作用面積相等時,存在以下關系:

以上參數(shù)中TB可以用來描述噴水系統(tǒng)的輸水能力,關于此參數(shù)的計算,可以根據(jù)水壓力數(shù)值和位置N 處產(chǎn)生的流量求取,計算公式如下:

公式(2)中Q'N代表區(qū)域B 處的流量；H'N代表區(qū)域B 處的壓力。引入管道特性系數(shù)的求解方法,用來計算參數(shù)Q'N和參數(shù)H'N,對公式(1)進行變換,可以確定系統(tǒng)流量。計算公式如下:

利用公式(3),計算系統(tǒng)作業(yè)所需最大流量數(shù)值。其中,參數(shù)QN和參數(shù)Hp直接影響到水泵的選型。

2.2 自動噴水滅火系統(tǒng)噴水壓力優(yōu)化設計

系統(tǒng)噴水壓力的設計,應該按照系統(tǒng)作業(yè)壓力最不利點展開設計。按照“噴規(guī)”9.1.2 條規(guī)定:關于水力的計算,應該選擇矩形區(qū)域作為最不利點處面積,要求配水支管與矩形的長邊保持平行,并且長度與作用面積的關系應該是大約等于1.2 倍作用面積平方根。所以,作業(yè)壓力最不利點面積的選取合理,能夠達到火災噴水作業(yè)要求。如圖2 所示為系統(tǒng)管網(wǎng)示意圖。

圖2 系統(tǒng)管網(wǎng)示意圖

以系統(tǒng)作業(yè)壓力最不利點作為設計突破口,通過分析此處噴頭作業(yè)的噴水壓力,是此部分設計的關鍵。其中,涉及到的參數(shù)有兩個,其中一個參數(shù)為噴頭滅火保護面積As(按照單個計算),另外一個參數(shù)為噴水強度D。參數(shù)As數(shù)值的大小主要取決于噴頭位置的布設,而參數(shù)D 數(shù)值的大小主要取決于建筑危險等級。假設系統(tǒng)作業(yè)壓力最不利點的噴頭壓力值為Ps,該參數(shù)的數(shù)值可以通過噴頭處流量推導獲取,即利用以下公式計算求取:

滅火系統(tǒng)噴水壓力與揚程密切相關,為了滿足系統(tǒng)作業(yè)噴水壓力需求,必須合理設置揚程。以壓力最不利點作為問題分析區(qū)域,計算噴頭均切換到開啟作業(yè)狀態(tài)下的系統(tǒng)作業(yè)壓力。選定出水口壓力后,根據(jù)出口壓力特性,推導噴水總作用面積的流量和壓力值,最終確定系統(tǒng)噴水壓力數(shù)值。

2.3 消防用水量的確定及消防水池儲水量的設置

為了滿足消防給排水需求,消防用水量的計算應該以最大流量作為參數(shù),開啟所有水泵共同作業(yè)下消耗水量就是最終的消防用水量,而消防水池儲水量需要與其保持一致,才能夠保證給排水作業(yè)實際情況達到預期效果。

按照“導則”5.4 和“導則”5.5 規(guī)定,分析建筑室內與室外消防所需用水量。一般情況下,室內消防所需用水量在20L/s左右,室外消防用水量更多一些,約為25L/s。確定消防用水量時,需要綜合分析系統(tǒng)噴水壓力、噴水持續(xù)時間、噴水流量等參數(shù),最終確定用水量。根據(jù)噴水流量確定每秒用水量后,計算所有噴頭全部開啟條件下的用水量,與持續(xù)噴水時間最大值相乘,計算結果就是消防用水量。在滿足用水量的前提下,根據(jù)建筑空間結構,合理布設消防水池,要求此部分水量不低于消防用水量。

2.4 消防水泵型的合理選取方案

考慮建筑內部結構中,每一個區(qū)域對于消防用水量的需求存在一定差異,需要根據(jù)噴水壓力、噴水用量、噴頭布設角度等,分析消防水泵為建筑消防提供的噴水作用力需求,以分析結果中最大需求為標準,為各個區(qū)域分配不同的消防泵。例如,某建筑空間結構較為復雜,將噴淋設備不均勻的分配在不同區(qū)域,劃分為區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3、區(qū)域4、區(qū)域5,這5 個不同區(qū)域因噴淋設備部署情況不同,水用量存在差異,需要為其配備性能不同的水泵。在滿足作業(yè)需求的情況下,選擇價格比較低的設備作為消防系統(tǒng)部署材料,能夠起到成本控制作用,優(yōu)化設計方案。

3 案例分析

3.1 工程概況

本工程為某公園瞭望塔項目,建筑占地面積為6850m2,規(guī)劃用地面積80235m2,位于市區(qū)東北部。該建筑主要由3部分構成,分別是塔冠、塔身和塔座。由于該建筑結構較為復雜,對消防給排水系統(tǒng)設計提出了較高要求。

3.2 建筑消防給排水設計

根據(jù)建筑結構特點,設計綜合消防系統(tǒng),系統(tǒng)給排水結構部署如圖3 所示。

圖3 建筑消防給排水設計

該系統(tǒng)中,分為室外滅火系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)、室內消防系統(tǒng)、固定式消防炮系統(tǒng)。本次研究以自動噴水滅火系統(tǒng)作為重點分析對象,設置用水量108/m3,持續(xù)噴水1h。根據(jù)用水需求,1 號塔身21m 層位置部署高位水箱,儲水量為18m3；塔座-10m 層位置部署消防儲水池,儲水量為578m3；1號塔冠232m 層位置部署高位水箱,儲水量為18m3。

關于消防泵的配置,選擇一級和二級消火栓加壓泵、一級和二級自動噴水加壓泵、增壓穩(wěn)壓設備作為系統(tǒng)消防泵,根據(jù)參數(shù)QN和參數(shù)HP計算結果合理部署。例如,1 號塔身102m 層,QN為40L/s,HP為150m,此處部署二級消火栓加壓泵。

3.3 應用效果模擬分析

本研究采用模擬分析的方式,檢驗工程建筑給排水設計方案可靠性,對水流量、水壓力、噴射作用范圍、消防用水量的供給合理性進行模擬測試。本次測試要求噴水持續(xù)2h,各個區(qū)域噴頭作業(yè)范圍能夠達到覆蓋標準,并且噴水流量可以達到設定值標準,從而為滅火給排水系統(tǒng)的正常作業(yè)給予保障。

模擬測試結果表明,本系統(tǒng)設計方案能夠滿足建筑滅火系統(tǒng)作業(yè)需求,當前噴水覆蓋面積超出標準范圍的0.2 倍左右,消防泵型號選取較為合理,能夠保證各個區(qū)域噴頭流量達到標準值。因此,該設計方案可以作為建筑消防給排水設計方案改進參考依據(jù)。

結束語

本文圍繞建筑消防給排水設計的常見問題展開探究,通過整理大量文獻資料可知,當前設計方案在自動噴水滅火系統(tǒng)流量設計、噴水壓力設計、消防水池儲水量與用水量設計、消防水泵選型設計方面存在較為顯著的問題。受這些問題影響,系統(tǒng)給排水實踐應用未能達到預期的滅火效果。針對這些問題,本文按照系統(tǒng)設計規(guī)范和導則,提出了各項參數(shù)計算方法,確定了系統(tǒng)流量、噴水壓力、消防水池儲水量與用水量數(shù)值,優(yōu)化了防水泵選型方案。工程模擬分析結果表明,本文提出的給排水設計方案可行。