高層建筑消防給水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉志恒

（中外建工程設(shè)計(jì)與顧問有限公司，北京 100050）

0 引言

隨著城市的發(fā)展，中心城區(qū)的建筑物十分密集，為提高土地的商業(yè)價(jià)值，建造了大量的高層建筑、超高層建筑，這些建筑物為人類的居住或者商業(yè)活動提供了空間，也是城市財(cái)富集聚的場所，對防火的要求非常高，否則極易造成經(jīng)濟(jì)損失[1]。另外，高層建筑不斷往垂直方向上發(fā)展，延緩了消防人員達(dá)到火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)的時(shí)間，增加救援滅火的難度和建筑物內(nèi)人員的逃生難度，因此容易造成人員傷亡。為了將火災(zāi)控制在發(fā)展初期，提供足夠的水源和滅火設(shè)備是有效的救援手段[2]。在高程建筑消防給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮用水的特殊性，充分滿足消防用水需求。

1 工程概況

北京市某商業(yè)安居小區(qū)高層建筑采用消火栓環(huán)狀管網(wǎng)，小區(qū)共由5 棟建筑物組成，編號分別為A1#~A5#，各層建筑物的結(jié)構(gòu)特征見表1。

表1 高層建筑各層結(jié)構(gòu)特征

小區(qū)共設(shè)置1 層地下室，設(shè)有地下泵房以供消防系統(tǒng)給水泵使用，地下室層高為4.20 m，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，上覆土層厚度為2.5 m。所有建筑的消防給水系統(tǒng)采用臨時(shí)高壓給水系統(tǒng)，地下室按中危險(xiǎn)II 級設(shè)置火災(zāi)危險(xiǎn)等級，建筑內(nèi)每個(gè)消防栓均設(shè)置消防按鈕，在使用時(shí)間扭開按鈕即可提供足夠的水源。另外，建筑物各層室內(nèi)均配備了閉式自動噴水滅火系統(tǒng)，以提供火災(zāi)發(fā)生早期的消防需求，設(shè)計(jì)噴水強(qiáng)度為6 L/（min·m-2），噴頭工作壓力為0.1 MPa。

2 高層建筑用水規(guī)律分析

對研究區(qū)某高層建筑的每日用水量進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測時(shí)間為2022 年8 月1 日—2022 年9 月14 日，共45 天。水量監(jiān)測采用的是基于傳播時(shí)差法的超聲波流量計(jì)，其流量計(jì)算原理如公式（1）所示[3-4]。

式中：V為水流量，m3；θ為超聲波與水流運(yùn)動方向的夾角，°；M為超聲波在水體內(nèi)部直線傳播的次數(shù)；D為水管的內(nèi)直徑，m；Tu為超聲波順?biāo)较虻膫鞑r(shí)間，s；Td為超聲波逆水方向的傳播時(shí)間，s。

高層建筑對接的市政給水管網(wǎng)水壓為0.2 MPa，監(jiān)測時(shí)段內(nèi)，高層建筑每日耗水量監(jiān)測結(jié)果見表2 和圖1。從圖1中可以看出，高層建筑在2022 年8 月10 日出現(xiàn)最大每日耗水量，達(dá)到215.46 m3，在2022 年9 月3 日出現(xiàn)最小每日耗水量，達(dá)到103.95 m3。

圖1 高層建筑每日耗水量監(jiān)測曲線

表2 高層建筑每日耗水量監(jiān)測結(jié)果

為了更加可靠地對高程建筑的消防給水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對最不利工況的每日用水量進(jìn)行分析，即對2022 年8月10 日（每日耗水量最大）的全天用水量進(jìn)行研究，結(jié)果如圖2 所示。從圖2 中可以看出，隨著時(shí)間的增加，高層建筑的每小時(shí)耗水量呈現(xiàn)不同程度的波動，并出現(xiàn)3 個(gè)波峰和3 個(gè)波谷，波峰出現(xiàn)的時(shí)間在早上8:00、下午14:00 和晚上18:00，小時(shí)耗水量分別為11.84m3、10.44m3和11.82m3。波谷出現(xiàn)的時(shí)間在凌晨2:00、上午10:00 和下午16:00，小時(shí)耗水量分別為2.15m3、7.77m3和6.98m3。

圖2 高層建筑每小時(shí)耗水量監(jiān)測曲線

3 高層建筑消防給排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了滿足不同樓層的用水壓力需求，按照建筑樓層高度進(jìn)行給水系統(tǒng)豎向分區(qū)，當(dāng)樓層小于3 層（低壓區(qū)）時(shí)按市政管網(wǎng)水壓直接供水，而3 層以上樓層（高壓區(qū)）則通過配備加壓設(shè)備的方式二次供水，以優(yōu)化消防給排水的供水方式[5-7]。對于配置水管中的水壓大于0.2 MPa 的用水器具來說，由于水壓力過大會造成水錘現(xiàn)象，同時(shí)在用水點(diǎn)開啟閥門時(shí)，水流在高水壓作用下流速過大，產(chǎn)生水化噴濺現(xiàn)象，不僅會損壞用水管道，而且會浪費(fèi)水資源，給使用者造成不便，因此可以采取降壓措施，以滿足器具的工作壓力要求。

在消防系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，火災(zāi)延續(xù)時(shí)間3h，當(dāng)用水量標(biāo)準(zhǔn)為20L/s 時(shí)，室外消防栓給水系統(tǒng)一次消防用水量為216m3，火災(zāi)延續(xù)時(shí)間3h，當(dāng)用水量標(biāo)準(zhǔn)為40L/s 時(shí)，室外消防栓給水系統(tǒng)一次消防用水量為432m3，火災(zāi)延續(xù)時(shí)間1h，當(dāng)用水量標(biāo)準(zhǔn)為35L/s 時(shí)，自動噴水滅火系統(tǒng)一次消防用水量為126m3，因此，高層建筑總的消防用水量為774m3，可以得到室內(nèi)總消防水池儲水量和自動噴水系統(tǒng)儲水量，如公式（2）、公式（3）所示[6]。

按照進(jìn)水流速1 m/s 計(jì)算，得到3h 內(nèi)消防水池的補(bǔ)水量，如公式（4）所示[7]。

由此得到消防水池的有效容積，如公式（7）所示[8]。

在消防系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)中，第19 層的消防栓為最不利消防栓，需要采用增壓穩(wěn)壓設(shè)備，該研究采用ZWL-I-XZ-10立式增壓穩(wěn)壓設(shè)備，質(zhì)量為2312 kg，穩(wěn)壓水容積為86 L，立式隔膜氣壓罐規(guī)格為SQL1000×0.6，壓力比為0.65，消防儲水容積為450 L，配用水泵信號為25LGW3-10×4。

為了比較高層建筑消防給水系統(tǒng)增設(shè)增加穩(wěn)壓的優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，對各個(gè)樓層的增壓穩(wěn)壓前后各樓層的水流量進(jìn)行監(jiān)測分析，結(jié)果見表3 和圖3。從圖3 可以看出，當(dāng)未增加增壓穩(wěn)壓設(shè)備時(shí)，各樓棟的水流量在樓層豎向方向上呈現(xiàn)明顯的分區(qū)現(xiàn)象，當(dāng)樓層小于6 層時(shí)，其水流量變化范圍在40 L/s~60 L/s，隨著樓層的增高，水流量均呈現(xiàn)顯著的近線性降低，在8 層以上已不滿足火災(zāi)延續(xù)時(shí)間1h，用水量標(biāo)準(zhǔn)為35 L/s 的用水需求，而在24 層以上已不滿足火災(zāi)延續(xù)時(shí)間3 h，用水量標(biāo)準(zhǔn)為20 L/s 的用水需求。在采用增壓穩(wěn)壓設(shè)備后，各個(gè)樓層的水流量曲線呈現(xiàn)不同程度地波動，但是這種波動變化趨勢表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性，即隨著樓高度的增加，水流量的波動范圍也保持在40 L/s~60 L/s，由此說明，采用增壓穩(wěn)壓設(shè)備可以很好地控制高層建筑消防給排水系統(tǒng)的水流量。

圖3 高層建筑增壓穩(wěn)壓優(yōu)化前后各樓層水流量曲線

表3 高層建筑增壓穩(wěn)壓優(yōu)化前后各樓層水流量分布

4 結(jié)論

該文以北京市某商業(yè)安居小區(qū)高層建筑為研究對象，分析高層建筑每日用水量和每小時(shí)用水量的用水規(guī)律，按照建筑樓層高度進(jìn)行給水系統(tǒng)豎向分區(qū)，采用增壓穩(wěn)壓設(shè)備優(yōu)化供水方式，研究增壓穩(wěn)壓設(shè)備優(yōu)化前后各樓層的用水量變化關(guān)系，得到以下2 個(gè)結(jié)論：1）在監(jiān)測各高層建筑每日用水量時(shí)間段內(nèi)，每日用水量表現(xiàn)出不同程度的波動性，對最不利每日用水量工況分析表明，隨著時(shí)間的增加，高層建筑的每小時(shí)耗水量呈現(xiàn)不同程度的波動，并出現(xiàn)3 個(gè)波峰和3 個(gè)波谷。2）當(dāng)未增加增壓穩(wěn)壓設(shè)備時(shí)，各樓棟的水流量在樓層豎向方向上呈現(xiàn)出明顯的分區(qū)現(xiàn)象，當(dāng)樓層小于6 層時(shí)，其水流量變化范圍在40 L/s~60 L/s，而隨著樓層的增高，水流量均呈現(xiàn)顯著的近線性降低。在采用增壓穩(wěn)壓設(shè)備后，各個(gè)樓層的水流量曲線呈現(xiàn)出不同程度的波動，隨著樓層的增加，水流量的波動范圍也保持在40 L/s~60 L/s，由此表明，采用增壓穩(wěn)壓設(shè)備對高層建筑消防給排水系統(tǒng)的水流量起到良好的控制作用。