某超高層辦公樓消防給水系統選型及設計分析

陳方圻

(福建省環境保護設計院有限公司 福建福州 350012)

0 引言

隨著國民經濟及建筑行業的快速發展，超高層建筑(一般指建筑高度>100m建筑)越來越多出現在城市建設中。超高層建筑體量大、容積率高、功能復雜、人員密集、可燃物多，著火時火勢蔓延速度快，疏散組織困難，容易造成重大火災事故。

發生火災時，由于超高層建筑的高度往往超過城市消防車等消防設施滅火供水高度，消防救災更傾向于依托建筑內部消防系統進行“自救”。因此，超高層建筑消防系統的設計應結合相關法律法規、標準規范以及工程特點等方面，經技、術經濟比較后確定，以確保系統安全可靠、經濟適用。

本文以南昌市某超高層辦公樓的消防給水方案為例，介紹該項目內超高層辦公建筑消防給水系統的方案選型和系統設計。

1 工程概況

該項目位于江西省南昌市紅谷一路以西，紅谷二路以東，項目地塊由2層地下車庫(負二層標高-8.9m)、1棟39層超高層辦公樓(建筑高度162.7m，其中十一層、二十層、三十層為避難層)、1棟高層辦公樓、5棟高層住宅(高層辦公、住宅建筑高度介于78.0m～99.95m)、4棟多層住宅，以及沿街商業、農貿市場、配套設施等組成。項目總建筑面積17.7萬m2,建成后由同一物業進行管理。項目自紅谷一路、紅谷二路分別引入一根DN250市政給水管網，市政供水壓力為0.28MPa。

2 消防給水方案選型分析

該項目的市政給水引入條件滿足室外消防用水要求，因此室外消防用水由市政管網直接供給。下文主要對超高層辦公樓的室內消火栓給水系統展開討論。

《消防給水及消火栓系統技術規范》[1](GB 50974-2014)(下文簡稱《消水規》)第6.2.1條規定，下列情形的消防給水系統應進行分區給水：①系統工作壓力大于2.4MPa；②消火栓栓口處靜壓大于1.0MPa;③自動水滅火系統報警閥處的工作壓力大于1.6MPa或噴頭處的工作壓力大于1.2MPa。

該項目超高層建筑高度達162.7m，因此應對消防給水進行分區。結合業內常見超高層建筑消防給水分區方式，擬從以下3種備選方案中選擇：并聯式消防給水系統、重力式消防給水系統、串聯式消防給水系統。

2.1 方案一：并聯式消防給水系統

該方案對項目各豎向分區分別設置獨立消防水泵向消防管網供水，或項目僅設置一套消防加壓泵，各分區消防給水經減壓閥減壓供水。

采用并聯式消防給水系統時，各分區消防供水相互獨立，消防水泵集中布置于B2層消防泵房內，節省占地面積，管理維護方便。此方案不需要在避難層內設置消防水泵及轉輸水箱等設施，可擴大設備層的有效使用面積，避免了水泵等機械噪音。

超高層辦公樓屋頂停機坪消火栓出水口標高為163.1m，經計算消防給水設計壓力約為2.29MPa。結合《消水規》中第5.1.6條的規定：消防水泵零流量時的壓力不應大于設計工作壓力的140%，且宜大于設計工作壓力的120%。此方案選用的消防水泵零流量壓力將大于2.4MPa，不滿足規范要求。此外，并聯式消防給水系統隨著分區消防水泵揚程的增大，勢必提高消防供水管網及閥門附件的承壓等級，對設備安裝要求高，系統將長期處于高壓狀態，一定程度上增大了安全風險。因此，該項目不采用此方案。

2.2 方案二：重力式消防給水系統

該方案于超高層建筑的屋頂設置高位消防水池，水池的有效容積滿足項目火災延續時間內室內消防用水的總用水量，除超高層建筑的最高消防分區(樓層標高99.7m以上分區)由設置于屋頂的消防水泵加壓供給，其它消防分區通過高位消防水池或設置于避難層的減壓水箱重力作用直接對建筑物內部的消防設施進行供水。火災時，高位消防水池的消防補水由地下車庫消防轉輸水泵供給。

采用重力式消防給水系統時，除最高消防分區的其它消防分區能始終保持滿足水滅火設施需要的工作壓力和流量[2]，發生火災時，系統可迅速啟動并投入滅火，可避免機械故障和火場供電中斷對消防供水系統的影響，且此系統簡單穩定，對消防管網及閥門附件承壓能力要求不高。

考慮到項目建筑多達13棟，超高層建筑設置于總平面的端部，高位消防水池將負擔消防的建筑數量過多，供水較遠，不夠合理安全。而且，作為整個項目的消防水源，此方案需要超高層辦公樓于前期全部完成施工，消防系統方可投入運行，而該項目超高層建筑計劃于二期建設。因此，該項目不采用此方案。

2.3 方案三：串聯式消防給水系統

該方案通過在避難層設置轉輸水箱和消防泵供給超高層建筑樓層標高99.7m以上分區的消防用水。此標高以下部分的消防給水由設置于B2層的消防水池及消防泵房供給。消防泵房內設置消防轉輸水泵，火災時，避難層消防轉輸水箱的消防補水由消防轉輸水泵供給。

采用串聯式消防給水系統時，系統工作壓力較低，消防水泵功率較小，對系統管網及閥門附件承壓能力要求不高，整體消防給水系統可靠性強。同時，超高層辦公樓夜間人員較少，對環境噪音要求相對較低，為在避難層設置消防設備提供了條件。

從項目整體上考慮，地塊內僅一棟超高層建筑，其它建筑的建筑標高介于9.4m～99.95m之間。將超高層辦公樓99.7m以上單獨劃分為一個消防分區，有利于整個消防系統的控制及管理，更為合理可行。因此，該項目采用此方案。

3 消防給水系統設計

3.1 設計水量及消防水池

該工程消防設計水量按一類高層建筑計算，同一時間發生火災次數為1，室內外消火栓火災延續時間為3h，自噴水滅火系統火災延續時間為1h，柴油發電機房水噴霧滅火系統火災延續時間為0.5h。消防設計水量如表1所示。

表1 消防水量計算表

于B2層設置有效水量為576m3的消防水池，消防水池分設兩格，設置連通管。消防水池設置溢流和排水設施，間接排水。消防泵房、消防控制中心內設置顯示消防水池水位的裝置，設置最高和最低報警水位。

3.2 系統豎向分區

將超高層辦公樓的消火栓給水系統分為3個區：B2-11F為低I區；12F-24F為低II區；25F-39F為高區。低I區和低II區統稱為低區，由設置在B2層的消防水泵提供火災時所需用水，其中低I區消火栓用水由減壓閥減壓后供水；高區系統由設置于30F的消防水泵提供火災時的用水量。具體分區情況如表2所示。

表2 消火栓系統豎向分區表 m

注：①超高層屋頂設置了消火栓保護機房及直升機停機坪；

②消防水泵供水高度指消防水池(水箱)最低液面至最不利消火栓栓口的幾何高差。

分別于總平面適當位置設置7處(每處2組)低I區水泵接合器、6處低II區水泵接合器。水泵接合器設置位置便于消防車使用，距室外消火栓的距離為15m～40m。

超高層辦公樓消火栓系統簡圖如圖1所示。

圖1 超高層辦公樓消火栓系統簡圖

3.3 消防轉輸系統

該工程于B2層消防泵房內設置3臺消防轉輸水泵，2用1備，轉輸水泵流量均為40L/s。水泵出水管于泵房內形成DN200的環狀管網，由環狀管網上引出2路DN200消防轉輸用管，供給30F消防轉輸水箱。于總圖適當位置分別設置3組消火栓系統轉輸泵水泵接合器；在轉輸泵房內設置2組高區室內消火栓水泵接合器，轉輸干管上預留2處手抬泵接口，火災時通過接力泵實現接力給水。

轉輸水箱有效容積為60m3，轉輸水泵僅在初次注水或發生火災時啟用，平時由于系統內各設施、部件的滲漏及蒸發等引起的水位降低由生活給水管補給。

考慮到火災初期轉輸水量一般大于輸出量，可能造成消防水量溢流損失，甚至影響到整個消防系統的正常運行[3〗；而最大口徑的普通地漏排水能力一般，難以解決此問題。因此，從系統安全角度出發，在消防水箱間內設置一尺寸3m×1m×1m(長×寬×高)的不銹鋼溢流水箱，承接轉輸水箱的溢流排水，并在水箱底部設置3個虹吸雨水斗，達到快速排除全部事故溢流水量的目的。溢流排水管道接至B2層消防水池，虹吸雨水立管在進入消防水池前采取消能措施。

3.4 消防高位水箱

該工程低區消防系統、高區消防系統的高位消防水箱合并設置于超高層辦公樓屋頂，消防水箱有效容積為100m3，最低有效水位標高163.5m。

高位消防水箱最低有效水位與高區消火栓系統最不利點處靜水壓力小于0.15MPa，因此在設備平臺上設置1套室內消火栓增壓穩壓設備，以滿足最不利點處靜水壓力的要求。穩壓泵設計流量取1L/s，并保持消防系統最不利點處滅火設施在準工作狀態時的靜水壓力大于0.15MPa。

對于低區消火栓系統，自高位消防水箱內引出DN100管道，接至24F頂部消火栓系統干管。引入管在接入干管前設置可調式減壓閥組，閥后靜壓保持低區消防系統最不利點處靜水壓力滿足規范的要求。

3.5 水泵選型及系統工作壓力校核

《消水規》中規定，消防水泵揚程計算公式如下：

P=k2(ΣPf+ΣPp)+0.01H+P0

其中：P——消防水泵或消防給水系統所需要的設計揚程或設計壓力(MPa)；

ΣPf+ΣPp——沿程水頭損失與局部水頭損失之和；

k2——安全系數，該項目取1.3；

P0——最不利點水滅火設施所需的設計壓力(MPa)，取0.35MPa；

經計算，該工程消火栓系統參數如表3所示。

表3 消火栓系統水泵參數表

注：消防轉輸泵包含消火栓系統、自動噴水滅火系統用泵。

消火栓水泵滿足《消水規》對水泵零流量時壓力為設計壓力1.2～1.4倍的要求。同時，《消水規》規定：當水泵出流量為設計壓力150%時，其出口壓力不應低于設計工作壓力的65%。綜合以上，項目在比選市面上不同類型消防水泵樣本的性能曲線后，最終選用離心泵作為項目消防用泵。

該項目室內消火栓系統為采用高位消防水箱穩壓的臨時高壓消防給水系統，系統的工作壓力為消防水泵零流量時的壓力與水泵吸水口最大靜水壓力之和。消火栓系統工作壓力的計算如表4所示。

表4 消火栓系統工作壓力計算表

注：①高區消火栓系統消防水泵不在系統最低位置；

②△H取轉輸水箱溢流水位至高區最底層消火栓栓口的幾何高差。

消火栓系統工作壓力滿足規范要求。

4 結論

(1)超高層消防系統的豎向分區，應結合工程具體情況，從項目整體出發，綜合考慮項目內各樓棟情況，從技術安全可靠性以及經濟合理性等方面綜合比選。

(2)為提高轉輸系統的安全穩定性，對于轉輸水箱的溢流排水，建議采用設置集水槽或集水坑形式排放，并將排水引至車庫消防水池，引入水池前設置消能措施。

(3)消防水泵零流量壓力值對整個系統的工作壓力影響大，項目應綜合比對，選擇合適零流量壓力比值，以滿足規范要求。