淺談高層建筑給排水中的消防設計

◎ 杭州恒元建筑設計院有限公司 魏 群

杭州天元建筑設計研究院有限公司 陳 華

自動噴水滅火系統是賓館、高級住宅、車站候車室、圖書館等人群密度較大場所中常用的消防給水系統。隨著社會主義現代化事業和經濟的發展，旅游事業的興起，體現城市時代特征的高層民用建筑和多層工業建筑亦進入繁榮發展階段，越來越多的多功能建筑屹立于現代化都市之中。火災事故與重特大火災越來越多，火災損失也越來越大。建筑消防的形勢越來越嚴峻，為了提高消防系統的可靠性，建筑消防系統逐漸由高效率、高自動化設計為基準，文章通過自噴滅火系統加以闡釋高層建筑給排水消防設計理念。

1 自動噴水滅火系統的概述

自動噴水系統一般是由供水設施、管道、水流報警裝置、報警閥組、灑水噴頭，火災探測器等幾部分組成。這些部件的作用就是在發生火情時，及時吸收火場中的熱量，盡快打開噴頭，把水均勻的噴灑在可燃物的表面和周圍，最終達到滅火目的。對于自動噴水滅火系統，其設計的基本要求是：系統具有可靠的火災自動報警系統，且噴頭能在盡可能短的時間內撲滅保護區的火災。而自噴系統管網的管道內徑和粗糙度、噴嘴的孔徑、管道的安裝等都會影響系統的設計后果。

自動噴水滅火系統的噴頭類型，可以根據噴頭的流量系數熱敏指數RTI和布水曲線等指標分類。通常在建筑設計中根據火災危險性、保護空間的建筑構造、自動噴水滅火系統本身的特點來選擇適合該建筑的噴頭。最常見的是一種閉式噴頭，噴頭平時被熱敏元件堵住，遇到火災使噴頭環境溫度上升，超過了原定的極限溫度，熱敏元件就爆破，噴頭被打開噴水出來滅火。閉式噴頭里面的紅色表示，在室溫達到68℃時就爆開噴水。如果是橙色，就表示到57℃時噴水。噴頭均勻分布，使火災發生時，建筑內處處都有噴水噴頭的保護。

2 自動噴水滅火系統的水力計算方法

在自動噴水滅火系統設計中，力求遵循系統基本原理和技術特點，使系統充分發揮自動撲救初期火災的作用。水力計算將決定系統投入滅火的水量及對滅火水量的分配，是關系到系統可靠性、合理性和經濟性的一項重要設計內容。

2.1 我國現行的水力計算方法

1）面積節點法

面積節點法，首先選定最不利作用面積在管網中的位置，此作用面積的形狀宜采用正方形或長方形，當采用長方形布置時，其長邊應平行于配水支管，邊長宜為作用面積平方根的1.2倍(即1.2扛)，僅在作用面積內的噴頭才計算其噴水量，且每個噴頭的噴水量至少等于規定的噴水強度，作用面積后的管段流量不再增加，僅計算管道的水頭損失。對輕、中危險等級建筑物的計算時可假定作用面積內每只噴頭的噴水量相等；對嚴重危險級，按噴頭處的實際水壓計算噴水量。

2）逐點法

逐點法計算，從系統最不利點噴頭開始，沿程計算各噴頭的水壓力、流量和管段的累計流量、水頭損失，直到管段累計流量達到設計流量為止；在此后的管段中流量不再增加，僅計算沿程和局部水頭損失。在上述計算中，每個噴頭流量按特性系數法計算，其流量隨噴頭處壓力變化而變化。此計算特點是在系統中除最不利點噴頭以外的任一噴頭的噴水量或任意4個噴頭的平均噴水量均超過GB50084-2001《自噴滅火系統設計規范》(以下簡稱《噴規》)第4.1.1條規定，系統計算偏于安全。

3）“矩形面積一逐點法”計算方法

(l)矩形面積的確定

確定最不利作用面積在管網中位置(必要時可由水力計算確定)，作用面積的形狀為矩形，其長邊平行于配水支管，其長度不小于作用面積平方根的1.2倍，噴頭數若有小數就進位成整數。當配水直管的實際長度小于邊長的計算值時，作用面積要擴展到該配水管鄰近支管上的噴頭。

對于在走道內設置單排噴頭的閉式系統，其作用面積應按最大疏散距離所對應的作用面積確定。系統設計流量按系統的有關規定計算。干式系統的作用面積應按《噴規》表5.0.1規定值的1.30倍確定。雨淋系統中每個雨淋閥控制的噴水面積不宜大于《噴規》表5.0.1中的作用面積。

(2)系統設計流量計算

系統的設計流量，應按最不利點處作用面積為噴頭同時噴水的總流量確定：

式中：Qs——系統設計流量(L/S)；

qi——最不利點處作用面積內各噴頭節點的流量(L/min)；

n——最不利點處作用面積內的噴頭數；

pi——矩形面積內噴頭處水壓(MPa)；

K——噴頭的流量系數。

4）逐點法水力計算

輕、中、嚴重、及倉庫危險等級均按逐點法進行水力計算，即矩形面積每個噴頭噴水量按該噴頭處的水壓計算確定，具體方法如下：

(1)首先假定最不利點處水壓，求該噴頭的出水量，以此流量求噴頭之間管段的水頭損失；最不利點水壓一般為0.IMPa，最小不應小于0.05MPa。

(2)以第一噴頭處所假定的水壓加噴頭①一②之間管段的水頭損失，作為第二噴頭處的壓力，以求的第二噴頭的流量。此兩個噴頭流量之和作為②一③噴頭之間管段的流量，以求該管段中的水頭損失。以后依次類推。計算至作用面積內的所有噴頭和管道的流量和壓力。

(3)兩管段交點處的計算水壓不同時，應按式(3)對交匯點處低水壓一側的管段流量進行修正。

式中：q1——低水壓側管段的修正流量(L/s)；

q2——高水壓側管段的計算流量(L/s)；

hl——低水壓側管段的水壓(KPa)；

h2——高水壓側管段的水壓(KPa)。

由水力學原理可知，式(3)僅在配水支管組成完全相同的條件下成立，所以特性系數法只適用于如圖1所示的“規則布置”情況。然而，在實際工程中，由于被保護范圍并非規則的矩形，或為滿足噴頭與障礙物最小凈距的要求而調整個別噴頭的位置，管路及噴頭在大多數情況下呈“不規則布置”(見圖2)，導致特性系數法的應用存在困難。為滿足工程設計的實際需求，有必要尋求更為完善的水力計算方法。

2.2 管道和報警閥的布置

在保證消防安全的前提下，即在保證滿足設計流量的前提下，如何確定一個比較合理的流速，達到合理選用管徑的目的，以做到安全可靠和經濟合理的統一。1）配水管道的工作壓力不應大于1.20MPa，2）系統中直徑等于或大于100mm 的管道，應分段采用法蘭或溝槽式連接件(卡箍)連接。水平管道上法蘭間的管道長度不宜大于20m；立管上法蘭間的距離，不應跨越3個及以上樓層。凈空高度大于8m 的場所內，立管上應有法蘭。3）配水管道的布置，應使配水管入口的壓力均衡。輕危險級、中危險級場所中各配水管入口的壓力均不宜大于0.40MPa。4）配水管兩側每根配水支管控制的標準噴頭數，輕危險級、中危險級場所不應超過8 只，同時在吊頂上下安裝噴頭的配水支管，上下側均不應超過8 只。嚴重危險級及倉庫危險級場所均不應超過6只。5）短立管及末端試水裝置的連接管，其管徑不應小于25mm。6）干式系統的配水管道充水時間，不宜大于1min；預作用系統與雨淋系統的配水管道充水時間，不宜大于2min。報警閥的數量應根據以下兩個原則來確定：一是《噴規》6.2.3 條要求，一個報警閥組控制的噴頭數應符合濕式系統、預作用系統不宜超過800 只，干式系統不宜超過500只。《噴規》6.2.4條要求，“每個報警閥組供水的最高與最低位置噴頭，其高程差不宜大于50 m。”關于報警閥的設置，有集中布置和分散布置兩種形式。但這兩種布置形式各有利弊，應該根據工程的實際情況，在滿足有關規范要求的前提下合理進行選擇。

圖1 適用于特性系數法的系統布置

圖2 不適用于特性系數法的系統布置