超高層建筑消防給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析

徐建平

深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司 廣東 深圳 518000

引言

隨著人口的不斷增加和城市化的快速發(fā)展，超高層建筑在現(xiàn)代城市中越來越常見。超高層建筑的高度和規(guī)模給消防安全帶來了巨大的挑戰(zhàn)，超高層消防立足于自救。為了確保人員的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全，超高層建筑的消防給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。超高層建筑消防給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮多種因素，如建筑結(jié)構(gòu)、消防水源、系統(tǒng)布置和管網(wǎng)設(shè)計(jì)等。合理的設(shè)計(jì)原則和要求能夠提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，有效應(yīng)對火災(zāi)等緊急情況。

1 超高層建筑消防給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

1.1 可靠性原則

系統(tǒng)應(yīng)具備高度可靠性，確保在火災(zāi)等緊急情況下能夠穩(wěn)定供水。應(yīng)采用“多重備用”、“冗余”、分段控制設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)的故障不會導(dǎo)致全面失效。首先，系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備和部件應(yīng)進(jìn)行多重備份，確保在一臺設(shè)備故障時(shí)能夠自動切換到備用設(shè)備（消防水泵、減壓閥組等）。例如：①消防給水泵配置設(shè)置備用水泵，減壓閥組設(shè)置備用閥組，當(dāng)出現(xiàn)故障或進(jìn)行檢修時(shí)，可以切換至備用水泵或備用減壓閥組，保證系統(tǒng)消防能力不至于癱瘓；②消防水池有效容積《根據(jù)消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》GB50974-2014 消防水池的總蓄水有效容積大于500m3時(shí)，宜設(shè)兩格能獨(dú)立使用的消防水池；當(dāng)大于1000m3時(shí)，應(yīng)設(shè)置能獨(dú)立使用的兩座消防水池，為保障系統(tǒng)供水水源的可靠及安全性，本論文建議不論消防水池容積是否超過500m3，超高層建筑的消防水池應(yīng)分格或分座設(shè)計(jì)。其次，還應(yīng)采用“冗余”設(shè)計(jì)，即在系統(tǒng)中增加冗余的設(shè)備或管路，以應(yīng)對設(shè)備故障或維護(hù)期間的供水需求。例如：①室內(nèi)消火栓系統(tǒng)管網(wǎng)應(yīng)布置成環(huán)狀，并宜采用豎向成環(huán)，噴淋系統(tǒng)報(bào)警閥組前噴淋管道應(yīng)成環(huán)狀布置；②向消防系統(tǒng)環(huán)狀給水管網(wǎng)供水的干管不應(yīng)少于兩條，當(dāng)其中一條發(fā)生故障時(shí)，其余輸水干管仍能滿足消防所需的設(shè)計(jì)流量；這一系列看似冗余的管網(wǎng)設(shè)計(jì)，實(shí)際均是為了提供消防供水系統(tǒng)的可靠性及安全性。最后，消防供水系統(tǒng)采用閥門將管道分成若干獨(dú)立段，每一獨(dú)立段室外消火栓數(shù)量不宜超過5個(gè)，室內(nèi)消火栓環(huán)狀管設(shè)置閥門控制，保證豎管正檢修時(shí)，關(guān)閉停用的消防豎管不超過1根，當(dāng)消防豎管數(shù)量較多超過4根時(shí)，在管道檢修時(shí)，應(yīng)關(guān)閉2根不相鄰的消防豎管。噴淋系統(tǒng)連接報(bào)警閥組進(jìn)出口控制閥，報(bào)警閥組之間每三個(gè)可設(shè)置一個(gè)控制閥，不至于主管檢修時(shí)，整個(gè)噴淋系統(tǒng)處于停用狀態(tài)[1]。

1.2 適用性原則

系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)、用途和規(guī)模等因素進(jìn)行定制化，確保系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際需求。應(yīng)綜合考慮建筑的高度、樓層數(shù)量、人員密度和消防需求等因素，合理確定水源設(shè)備、水管布置和消防泵的配置。超高層建筑與普通建筑相比，其消防給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮更高的水壓要求和更大的供水量。根據(jù)建筑的高度和樓層數(shù)量，確定水源設(shè)備的類型和配置，選擇適當(dāng)?shù)乃煤拖老到y(tǒng)及系統(tǒng)分區(qū)，以確保系統(tǒng)能夠提供安全可靠的水壓和流量。根據(jù)建筑定性、高度、體量等，確定系統(tǒng)的供水能力、系統(tǒng)類型及分區(qū)和流量要求，合理設(shè)計(jì)消防水池、水箱、消防水泵和水管布置，確保系統(tǒng)能夠提供滿足消防供水壓力及流量的要求。不同類型的超高層建筑具有不同的消防需求。例如，辦公樓、商業(yè)綜合體和住宅樓的消防需求有所不同。根據(jù)建筑的用途和規(guī)模，確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括消防水池、水箱的容量、水泵的配置、消防系統(tǒng)分區(qū)形式和管道的布置。同時(shí)，還應(yīng)考慮到建筑未來可能的擴(kuò)建或改建需求，預(yù)留相應(yīng)的系統(tǒng)擴(kuò)展空間或提前預(yù)留未來擴(kuò)建或改建所需的用水量及設(shè)備。

1.3 可操作性原則

系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)簡化操作流程，提高操作人員的應(yīng)急反應(yīng)能力。應(yīng)采用清晰明確的標(biāo)識和指示，確保操作人員能夠快速準(zhǔn)確地使用系統(tǒng)，并進(jìn)行維護(hù)和檢修。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)采用清晰明確的標(biāo)識和指示，以指導(dǎo)操作人員正確使用系統(tǒng)。例如，在水泵、閥門、消防接口等關(guān)鍵設(shè)備上標(biāo)注清晰的功能說明和操作步驟，使操作人員能夠迅速理解和掌握操作方法。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡化操作流程，減少操作的復(fù)雜性和煩瑣性?？梢酝ㄟ^合理的設(shè)備布局和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將操作步驟簡化為少數(shù)幾個(gè)簡單明了的操作，以提高操作人員的工作效率和準(zhǔn)確性。此外，應(yīng)提供操作手冊或培訓(xùn)，向操作人員傳授正確的操作方法和應(yīng)急響應(yīng)策略。

2 系統(tǒng)組成和布置

超高層建筑消防給水系統(tǒng)由水源設(shè)備、消防泵房、高位消防水箱和消防供水管網(wǎng)等組成。合理的系統(tǒng)組成和布置是確保系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

2.1 水源設(shè)備

超高層建筑消防給水系統(tǒng)的消防水池、消防水箱是確保供水可靠性的關(guān)鍵。主要水源通常選擇可靠的市政供水系統(tǒng)，保證水質(zhì)和供水穩(wěn)定。此外，市政水源滿足兩路消防供水的流量計(jì)壓力時(shí)，室外消防供水采用市政給水直接供水的低壓消防給水系統(tǒng)。消防水泵房內(nèi)配置備用消防水泵，以保證在主泵故障或維護(hù)時(shí)，備用水泵能夠提供持續(xù)的供水能力。消防水池、消防水箱儲存規(guī)范要求的消防用水量，即消防水池有效儲水量應(yīng)滿足在火災(zāi)延續(xù)時(shí)間內(nèi)室內(nèi)及室外消防用水量的要求，室外采用市政壓力直接供水時(shí)，可僅儲存室內(nèi)消防所需的用水量。

2.2 消防泵房

消防泵房是超高層建筑消防給水系統(tǒng)的重要組成泵房，是整個(gè)消防系統(tǒng)的心臟。消防泵房內(nèi)含：消防水泵、泵房控制室，消防水泵是超高層建筑消防給水系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，負(fù)責(zé)提供消防系統(tǒng)的水壓和流量。泵房的主要通道寬度不應(yīng)小于1.2m，以便集中管理和維護(hù)，并應(yīng)采取防水淹的技術(shù)措施，如設(shè)置300高門檻、泵房內(nèi)排水溝、集水坑及污水提升設(shè)備等，消防泵房不應(yīng)設(shè)置在地下三層及以下的樓層。

2.3 高位消防水箱

高位消防水箱是超高層建筑消防給水系統(tǒng)中的重要組成部分。水箱的容積和數(shù)量應(yīng)根據(jù)建筑的高度和類型來確定。水箱通常位于建筑的最高處或避難層，以利用高處水壓和重力供水。水箱的容量應(yīng)滿足初期火災(zāi)消防用水量的要求，并維持系統(tǒng)準(zhǔn)工作狀態(tài)時(shí)管網(wǎng)壓力。水箱應(yīng)配備液位控制裝置，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和調(diào)節(jié)水位，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定供水。高位水箱的設(shè)計(jì)和布置，設(shè)置高度應(yīng)高出其服務(wù)的水滅火設(shè)施，最低有效水位也應(yīng)保證滅火設(shè)施靜水壓力不小于0.07mpa的要求。

2.4 消防供水管網(wǎng)

2.4.1 管道布置。在超高層建筑消防給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，合理的管道布置是確保系統(tǒng)供水能力和效果的重要因素。根據(jù)建筑的布局和消防需求，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：首先，消防供水管網(wǎng)的路徑應(yīng)盡可能短、直，以減少壓力損失和水流阻力，并節(jié)約成本。采用直線段和最短路徑的布置方式能夠提高供水效率，并減少水泵的能耗。其次，管道布置應(yīng)避免與其他建筑設(shè)施和設(shè)備沖突。在設(shè)計(jì)過程中，需要考慮與電力線路、通風(fēng)管道、電梯井等設(shè)施的交叉和干擾，確保消防水管的通暢和安全[2]。

2.4.2 管道管徑選擇。消防給水管的管徑應(yīng)能夠滿足消防系統(tǒng)所需水壓和流量要求，保證供水能力。較大的管徑能夠降低水流速度和壓力損失，提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，但又不能盲目放大，給管道安裝帶來不便并造成不必要的資源浪費(fèi)。此外，不同材質(zhì)的管道具有不同的阻力系數(shù)，需要綜合考慮管道的材質(zhì)選擇和管徑確定，以獲得最佳的供水效果。

2.4.3 系統(tǒng)分區(qū)。在超高層建筑消防給水系統(tǒng)的管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，合理劃分消防給水分區(qū)是確保消防供水安全的重要措施，避免系統(tǒng)壓力不足、超壓、流量不足等問題。消防系統(tǒng)分區(qū)原則：消火栓系統(tǒng)工作壓力大于2.40MPa，或者消火栓栓口靜壓超過1.0MPa應(yīng)進(jìn)行分區(qū)供水，自動噴水系統(tǒng)報(bào)警閥處工作壓力超過1.60MPa，或噴淋位置工作壓力超過1.20MPa，應(yīng)對噴淋系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，可采取減壓閥組進(jìn)行分區(qū)。但當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選取的消防水泵揚(yáng)程超過2.0MPa時(shí)，可采取串聯(lián)接力的分區(qū)供水形式，并宜采用在避難層設(shè)置消防轉(zhuǎn)輸水箱串聯(lián)供水形式，超過地下室消防泵揚(yáng)程供水分區(qū)范圍的樓層，可通過低位消防轉(zhuǎn)輸水泵+避難層轉(zhuǎn)輸水箱+避難層消防泵聯(lián)合供水的形式進(jìn)行消防供水。分區(qū)范圍內(nèi)用水壓力較高的樓層，可采用減壓閥組進(jìn)行減壓供水，消火栓系統(tǒng)也可采用設(shè)置減壓穩(wěn)壓型消火栓。隨著人們對超高層建筑消防問題越來越重視，近年來，超高層建筑采取低位轉(zhuǎn)輸水泵+屋頂高位消防水池的常高壓消防供水系統(tǒng)越來越普遍，大大提高超高層建筑消防自救能力，通過轉(zhuǎn)輸水泵把消防供水提升至屋頂高位消防水池，消防水池內(nèi)儲存一次消防所需的消防用水量?；馂?zāi)時(shí)，頂部消防分區(qū)通過高位消防水池+消防泵臨時(shí)高壓供水，其余樓層通過高位消防水池重力供水或重力減壓供水，高位消防水池同時(shí)作為高位消防水箱，常高壓重力供水形式，火災(zāi)時(shí)無須啟動消防水泵即可滿足消防供水水壓及流量要求，大大提高超高層建筑火災(zāi)撲救能力及自救能力。

2.4.4 消防管材及配件。消防給水管應(yīng)能夠滿足消防系統(tǒng)所需的水壓和流量要求，在管道的材質(zhì)選擇上，應(yīng)考慮其抗腐蝕性能和耐壓能力。常用的消防水管包括內(nèi)外壁熱浸鍍鋅鋼管（系統(tǒng)工作壓力PN≤1.20MPa）、加厚內(nèi)外壁熱浸鍍鋅（系統(tǒng)工作壓力1.20MPa＜PN≤1.60MPa）、內(nèi)外壁熱浸鍍鋅無縫鋼管（系統(tǒng)工作壓力PN＞1.60MPa），室外埋地敷設(shè)時(shí)還可選用球墨鑄鐵管、鋼絲網(wǎng)骨架復(fù)核管等。根據(jù)系統(tǒng)工作壓力，選擇與系統(tǒng)工作壓力相匹配的消防管材，以確保管道的耐久性和可靠性。此外，消防水管的閥門閥件和消防接口等配件，以便于系統(tǒng)的控制、檢修和使用。閥門的設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)對不同區(qū)域、不同立管或分區(qū)的供水控制，而消防接口可以方便消防人員連接消防設(shè)備進(jìn)行滅火作業(yè)。

3 水泵選擇

3.1 水泵選擇

在超高層建筑消防給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇水泵時(shí)，應(yīng)根據(jù)建筑的高度和消防系統(tǒng)的要求，選擇的消防水泵的性能應(yīng)能滿足系統(tǒng)所需的水壓和流量要求，所配驅(qū)動器功率應(yīng)能滿足所選水泵流量揚(yáng)程性能曲線上任何一點(diǎn)運(yùn)行所需功率的要求，流量揚(yáng)程性能曲線應(yīng)為無駝峰、無拐點(diǎn)的光滑曲；離心泵是一種常用的消防水泵，具有高效、可靠的特點(diǎn)。

3.2 水泵配置

同一泵組的消防水泵型號宜相同，工作泵不宜超過3臺，并配置備用泵，以確保系統(tǒng)的可靠性，水泵應(yīng)配置在水泵房內(nèi)。一組消防水泵，吸水管不應(yīng)少于兩條，當(dāng)其中一條損壞或檢修時(shí)，其余吸水管應(yīng)仍能通過全部消防給水設(shè)計(jì)流量，消防水泵應(yīng)采取自灌式吸水。

3.3 自動控制

超高層建筑消防給水系統(tǒng)的水泵應(yīng)具備自動啟動（不應(yīng)設(shè)置自動停泵的控制功能）、手動啟停和監(jiān)控功能，能夠快速響應(yīng)火災(zāi)報(bào)警信號，并進(jìn)行自動控制。水泵的自動啟動功能可通過出水干管上壓力開關(guān)、消防水箱出水管流量開關(guān)或報(bào)警閥壓力開關(guān)等信號直接自動啟動，自動啟動系統(tǒng)將激活水泵，確保消防系統(tǒng)能夠立即供水。監(jiān)控功能可以通過傳感器和監(jiān)測裝置實(shí)現(xiàn)。水泵應(yīng)配備壓力傳感器、溫度傳感器和液位監(jiān)測裝置等，以監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和水源情況，并及時(shí)傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)。為了確保水泵能夠快速響應(yīng)和運(yùn)行，應(yīng)采用可靠的自動控制系統(tǒng)。這包括可編程控制器（PLC）、自動控制面板和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等[3]。

4 結(jié)束語

總之，超高層建筑消防給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜而重要的任務(wù)。本論文的研究內(nèi)容提供了有關(guān)設(shè)計(jì)原則、系統(tǒng)組成和布置、水泵選擇、管網(wǎng)設(shè)計(jì)等方面的深入分析和建議。通過合理的設(shè)計(jì)和實(shí)施，超高層建筑的消防給水系統(tǒng)能夠有效應(yīng)對火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，保障人員的生命安全和建筑的安全穩(wěn)定運(yùn)行。