超高層建筑消防供液干管系統的應用與優化

朱偉峰

(上海市公安消防總隊，上海　200051)

0　引言

隨著社會生產力的迅猛發展和科學技術的日新月異，超高層建筑已成為一個國家、一個城市展示成就的重要標志。截至2017年10月我國已建成或封頂的超高層建筑(高度超過100 m)達3 262棟，涉及74個城市和地區；在建、預備和規劃的超高層建筑還有1 414棟，摩天潛力指數達14 980.07，是第二位阿聯酋的18.6倍。與此同時，超高層建筑防控火災的難度極大，是國內外消防部門一直竭力探究的疑難課題。如何在建筑固定消防設施失效的情況下，第一時間不間斷地組織向火場供給滅火劑，直接關系到滅火戰斗的成敗。受消防員體能、疏散樓梯形式數量、水帶連接固定等因素的影響[1]，利用消防水帶鋪設移動線路供給滅火劑難度極大，急需尋找一種新的供液途徑來解決。本文通過對超高層建筑現有消防給水系統火場應用難點問題的研究和對消防供液干管應用效能的分析，結合上海中心大廈壓縮空氣泡沫管道建設實例，提出消防供液干管系統的設計及優化方案，為超高層建筑消防供液干管設計與應用提供參考。

1　消防供液干管實戰需求分析

發生火災后，尤其是當建筑內現有的消防給水系統失效的情況下，消防部隊利用現有的供水管網向建筑內供液將十分困難，急需尋找一種新的供液途徑來解決現有消防給水系統在火場應用中遇到的難點問題。

1.1　完好率不高影響固定消防設施作用發揮

2014年公安部消防局的調查顯示，室內消火栓系統的完好率為73.5%，自動噴水滅火系統的完好率為63.7%，其他固定消防設施的完好率為61.2%[2]。新疆德匯國際廣場、沈陽商業城、北京央視新址在建文化中心、吉林銀都商廈火災均因內部消防設施不能啟用而造成嚴重的損失。建筑內部固定消防給水系統一旦發生故障，消防部隊無法利用其直接實施滅火救援；同時，在不能完全確定固定消防設施完整好用的情況下，放棄使用固定消防設施而只依靠移動消防裝備進行滅火救援已成為消防指戰員的思維定勢，“以固為主，固移結合”的高層建筑火災滅火救援原則勢必成為空談。

1.2　濕式管網系統不能同時兼容水和泡沫

在發生火災的樓層高度超出消防車水泵的供液高度范圍的情況下，消防部隊只能通過手抬泵串聯的形式向建筑內部補水，或采用壓縮空氣泡沫消防車向建筑內部供壓縮空氣泡沫滅火劑實施滅火作業。在壓縮空氣泡沫消防車大量配備部隊的情況下，火災時向超高層建筑內供壓縮空氣泡沫滅火劑滅火已成為優先選項。現有消防給水系統一般均采用濕式系統，由于泡沫和水不兼容，要想使用壓縮空氣泡沫滅火劑必須將管網內充滿的水提前放完，需要一定的時間，勢必影響滅火救援進程。

1.3　分區供水形式的存在將“固移結合”供液局限在一定范圍

超高層建筑消防給水系統無論采用消防泵并行或串聯、減壓水箱和減壓閥減壓中的哪種分區供水形式，消防給水豎管中均存在消防水泵、減壓水箱或減壓閥之類的永久障礙，利用其管網“固移結合”供液只能實現低區供液。調研發現供水分區中低區的分區樓層一般在20層左右，如上海中心大廈低區分區樓層為20層，會德豐國際廣場低區分區樓層為19層，環球金融中心低區分區樓層為30層，樓層高度均未超過150 m。目前消防車裝配的森田ME-5型兩級離心泵、森田ME-7A型兩級離心泵和大力KSP1000型一級離心泵的供液高度可以達200 m左右，裝配EM2000型兩級離心泵的消防車供液高度可以達300 m左右，壓縮空氣泡沫消防車供壓縮空氣泡沫高度也可達300 m[3]，先進裝備的性能由于分區供水形式的存在被大大削弱。

1.4　現有管網的供液流量不能滿足實戰需求

從消防泵的流量揚程特征曲線可知，消防車的供液流量和揚程成反比，揚程越高流量越小。管網中的減壓閥、減壓孔板以及消防水泵接合器閥組在一定程度上增加了供液阻力損失，進而使原本就不大的超高層供液流量變得更小。測試顯示，利用消防車通過水泵接合器向建筑消防給水系統補水的流量不超過2支水槍的額定流量。同時每組消防水泵接合器的數量一般不超過3個[4]的現實情況，使得超高層建筑火災時利用現有供水管網提供的火場用水遠不能滿足實戰需求。

2　超高層建筑消防供液干管系統的組成與優化

2.1　供液干管系統基本組成與工程應用

超高層建筑消防供液干管系統由輸液管道、自動排氣閥、電動閥、排水閥、安全閥、集水坑、樓層消火栓、消防車供水接口和手抬泵加壓接口組成，如圖1所示。火災發生時，火災報警探測器探測到火災信號并傳輸至聯動控制中心，由聯動控制系統控制相應區域的電動閥自動關閉，排氣閥自動打開，消防車通過供水接口向系統供液，待消防水(泡沫)槍出液后關閉排氣閥。當需要使用手抬泵串聯供液時，在聯動控制系統自動控制的基礎上，根據消防車泵的供液高度，手動關閉相應區域的電動閥，將手抬泵進、出水口分別與電動閥前后的樓層消火栓和手抬泵加壓接口相連，打開截止閥實施供液。火災撲滅后，消防車泵停水，同時打開系統與消防水箱連接的旁通管道上的閥門放水沖洗管道內的泡沫液，排水閥打開泄壓排水，系統恢復原位。

1.排水閥；2.安全閥；3.消防車供水接口；4.自動排氣閥；5.電動閥；6.單向閥；7.樓層消火栓；8.手抬泵加壓接口；9.樓層消火栓；10.集水坑；11.消防水箱

供液干管系統的工程應用目前僅上海中心大廈有應用實例。上海中心大廈的消防給水系統除設置自動噴水滅火系統和室內消火栓給水系統外，還增設了2路壓縮空氣泡沫空管系統，用于消防部隊現場救援時輸送滅火劑至各樓層撲救火災。上海中心大廈地上128層、地下5層，自地下5層至127層設置有2根豎向立管，每根豎管的管徑按室內消火栓給水系統消防豎管的最小管徑要求100 mm確定；主干管選用不銹鋼管材，300 m以下管道耐壓不應小于2.5 MPa，管壁厚度不應小于2 mm；300 m以上管道耐壓不應小于1.6 MPa，管壁厚度不應小于1.5 mm；主干管采用焊接方式連接，為便于管道維修更換，管道穿越樓板處設置有套管。支管選用內外熱鍍鋅鋼管，其與主干管采用配密封圈的法蘭連接，與消火栓采用絲扣連接。樓層消火栓設于疏散樓梯前室或電梯前室，選用標準的1.6 MPa耐壓雙閥雙栓室內消火栓；消火栓固定接口采用DN65的快式接口，并設蓋保護，不設消火栓箱和消防水帶。分別在20層、50層、83層避難層設置有自動排氣閥和電動閥，頂樓128層也設有自動排氣閥。消防車在地面通過消防水泵接合器(接口采用DN90的快式接口)給消防干管供液，地下5層設有集水坑和排水閥。

2.2　輸液管道

《消防給水及消火栓系統技術規范》(GB 50974—2014)規定[4]：管道的直徑應根據流量、流速和壓力要求經計算確定，但不應小于DN100，而《建筑設計防火規范》[5]條文說明中建議干管的管徑采用DN80。在對相同條件下DN65、DN80、DN90水帶輸送壓縮空氣泡沫析液時間的測試中發現，利用DN90水帶輸送壓縮空氣泡沫同等距離時測得的析液時間最長，即泡沫中的含水量最少，輸送過程中析出的水分最多。上海中心大廈壓縮空氣泡沫管道系統在150 m高度測試時，未能取得測試數據，一定程度上與其管徑過大，泡沫液中的水分過早析出沉積在豎管下部導致泡沫破壞有關。因此建議超高層建筑中消防供液干管的管徑按《建筑設計防火規范》采用DN80，設置數量不少于2條。

豎管的耐壓應和消防車泵的最高供液壓力、建筑的高度相匹配。目前消防車供壓縮空氣泡沫的供液壓力最大為1.5 MPa，供水的最大壓力為40 MPa[1]。另外據高樓迷網統計，國內建成或封頂的超高層建筑83.4%高度在200 m以下，13.7%建筑高度在200～300 m之間，兩者占超高層建筑的97.1%。因此，建議高度在200 m以下的豎管耐壓按2.5 MPa設計，管壁厚度不應小于2 mm；高度在200 m以上的豎管耐壓按1.6 MPa，管壁厚度不應小于1.5 mm設計。考慮到主干管同時可用于輸送水和泡沫滅火劑，其管材應選用耐腐蝕的不銹鋼管材，并采用焊接方式連接；支管可選用內外熱鍍鋅鋼管，用絲扣連接。

2.3　分段控制

為使消防車泵的供水能力在一定范圍內得到有效發揮，豎管應在豎向進行分區，分區主要通過在干管上設置電動閥實現。據2010年上海總隊消防車泵統計數據分析，75.88%的消防車泵滿足15 L·s-1流量時的工作壓力為1.1～1.6 MPa，13.2%的消防車泵滿足15 L·s-1流量時的工作壓力可以達到1.9 MPa。因此，建議當建筑高度超過100 m時，豎管應進行分區；建筑高度在300 m以下時，應每隔100 m進行分區；當建筑高度超過300 m時，考慮到手抬泵的串聯供水，200 m以上部分應每隔50 m進行分區，并在電動閥上端設置一個DN80/90的快式接口用于手抬泵的串聯供水使用。電動閥和自動排氣閥應接入樓宇消防聯動控制系統，以實現自動控制。

2.4　水泵接合器與樓層消火栓

消防供液干管系統中的消防水泵接合器與消防給水系統中的水泵接合器不同，其不需要考慮減壓、回流等問題，建議采用閥門加DN80/90接口組成的方式與豎管直接相連，取消水泵接合器的其他組件。樓層消火栓僅供消防員到場后使用，無需設消火栓箱和消防水帶，接口采用DN65/80/90快式接口并設蓋保護即可。

3　消防供液干管應用效能分析

消防供液干管的建設為超高層建筑滅火救援提供了新的供液途徑，有效解決了實戰中出現的諸多困難。

3.1　減少阻力損失，供液高度更高

由于受超高層建筑結構和避難層設置要求的影響，大部分樓梯都不能從地面直通頂層，要么分區設置，要么在避難層錯位。樓梯錯位使得沿樓梯鋪設供液線路時產生了額外的阻力損失，直接影響到供液高度。以環球金融中心為例，A、B樓梯直通89層但不能垂直鋪設供液線路，C樓梯可以垂直鋪設供液線路，但在78層避難層出現錯位。環球金融中心在建時沿電梯井垂直鋪設供液線路，實現了供壓縮空氣泡沫至370 m的供液高度，建成后沿C樓梯垂直鋪設供液線路供壓縮空氣泡沫僅供至300 m。消防供液干管既不像水帶線路有眾多的連接點，也不像消火栓供水系統那樣有減壓分隔設施，供液線路阻力損失更小，供液高度更高。

3.2　減少鋪設環節，作戰效率更高

現有的研究結果顯示，當建筑高度超過100 m后，沿外墻鋪設供液線路無論是線路鋪設還是線路固定都將十分困難，線路鋪設時間遠遠超過1 h[3]。消防員徒手攀登160 m高度的超高層建筑一般須耗時約8～9 min，而按滅火要求著實裝攜重物時則需延長近1倍，在實際滅火戰斗中身著全套戰斗服，背負水帶水槍等裝備時，體力透支的速度增快，其實際運動能力將明顯降低，會較早出現生理極限喪失行動能力。消防供液干管的設置減少了鋪設供液線路的環節，有效解決了鋪設水帶線路的時間、爆破更換維護問題，而且解決了因鋪設供液線路而產生的額外負重體能消耗，使消防員在超高層建筑滅火救援中第一時間接近火場、第一時間展開內攻成為可能。同時，消防供液干管的設置釋放了因鋪設水帶而占用的疏散樓梯空間，使消防員進攻通道和人員疏散通道得以分離，火場行動更加有序。

3.3　實現一管多用，戰術選擇更多

消防供液干管不僅可以用來輸送水滅火劑，也可以用來輸送壓縮空氣泡沫滅火劑。火場上，指揮員可以根據火災發生樓層和消防車配備情況靈活地選擇戰術戰法，可以最大限度地發揮先進裝備的作戰效能。

4　結束語

超高層建筑火災處置尤其是火場供水組織是國內外消防部門的疑難課題，在建筑固定消防設施完好率不能保證的情況下，現有的消防給水系統管網在超高層建筑火災救援處置中存在不能供壓縮空氣泡沫滅火、“固移結合”供液局限在供水分區低區、供液流量不能滿足實戰需求等難點問題，在實戰中需要加以解決。在超高層建筑中設置消防供液干管，不僅有效解決了現有消防給水系統在滅火救援中的應用難題，同時也解決了超高層建筑火災救援處置中因消防員體能消耗過大、水帶線路鋪設時間過長、供水組織占用進攻疏散通道、水帶線路需要人員巡查維護等影響救援效能的實戰問題，是對現有消防給水系統的有益補充，是解決超高層建筑火災處置供水難題的有效途徑，值得在超高層建筑中推廣應用。