嚴寒地區地鐵車輛段物資總庫水消防系統設計研究

任志群

摘 要：物資總庫承擔著地鐵車輛各類物資設備的存儲和發放等功能。由于物資總庫空間跨度大，并具有燃燒強度大、蔓延速度快的火災特點，因此消防設計難點多，尤其是對于高寒地區，部分設計問題甚至超出了現行規范的設計標準和要求。文章以東北地區（嚴寒地區）某地鐵車輛段物資總庫水消防系統設計為例，針對不同的功能區提出系統化的水消防設計方案，重點對消防系統方案中的立體庫消火栓布置、噴頭選擇及消防管道布置等問題進行分析，并提出相應建議，以期為其他同類項目提供參考。

關鍵詞：地鐵;車輛段;物資總庫;水消防系統;自動噴水滅火系統;設計

中圖分類號：TU921

地鐵車輛段一般承擔著車輛停放、日常保養、車輛檢修、列車救援、設備維護、材料供應及日常培訓等眾多功能，是地鐵工程中不可或缺的重要部分，通常包括運用組合庫、檢修組合庫、物資總庫、綜合樓等單體。其中，物資總庫負責本線的車輛配件、五金、機電、雜品及勞保用品等物資、設備的存放和發放等，具有功能分區結構復雜、存儲可燃物多、內部通道狹窄、火勢蔓延迅速、火焰立體化、撲救難度大、火災損失嚴重等特點，尤其是我國的高寒地區，冬季寒冷漫長，防火設計上存在諸多不便。針對以上問題，本文以東北地區某地鐵車輛段物資總庫水消防系統設計為例，結合氣候因素、建筑布局方案及火災特點，提出系統化的消防設計解決方案。同時，針對室內、外消火栓系統和自動噴水滅火系統的設置等設計重難點及存在問題進行分析，并提出合理化意見與建議。

1 工程概況

本文研究的物資總庫位于嚴寒地區城市哈爾濱市，最冷月平均氣溫為-19.6℃，總建筑面積為3087m2，設置大件存放區（重型材料庫）、立體倉庫、小件存放區（輕型材料庫）及邊跨附屬用房等功能分區，其中除邊跨附屬用房為局部2層外，其余均為單層建筑，如圖 1 所示。大件存放區內一般存放體積較大的電纜線盤、車輛配件等物資;立體倉庫內一般存放勞保用品及雜品等;小件存放區內一般存放有色金屬、焊接材料等五金件及機電備品備件等;邊跨附屬用房一般有辦公房間、衛生間、盥洗室、報警閥室、電纜引入室等。

2 物資總庫火災特點

（1）建筑燃燒強度大。建筑內堆放的物品種類多，且堆放密集，內部空間火災荷載大，因此極易擴散形成立體火災，火災延續時間較長。

（2）火災蔓延速度快。倉庫內易燃、可燃物品一旦發生燃燒，由于空氣不流通，容易發生陰燃或不完全燃燒，因此會在燃燒區域周邊形成瞬間高壓，迫使熱流在物品之間迅速傳遞，從而導致火勢迅速蔓延。

（3）燃燒產生的煙霧濃。倉庫內堆放的物品，如內部發生火災，在封閉條件下極易燃燒不充分，則會產生大量黑煙，使得倉庫內可見度極差。

（4）現場極具危險性。由于倉庫內物品燃燒不充分，極易產生一氧化碳，加上其他物品燃燒可能產生揮發性有機污染物和有毒物質，對消防救援人員會產生一定的危害。

可見，車輛段物資總庫具有周轉快、存量多、體積大、火災蔓延快、排煙困難、結構易坍塌、滅火難度大等特點，根據GB 50084-2017《自動噴水滅火系統設計規范》（以下簡稱《噴規》）的規定，確定本建筑單體為丙二類倉庫，建筑耐火等級為二級。

3 消火栓系統設計

針對物資總庫火災的特點，根據GB 50016-2014（2018版）《建筑設計防火規范》（以下簡稱《建規》），物資總庫設置的水消防系統應包括室內、外消火栓系統，以及自動噴水滅火系統。

物資總庫屬于車輛段內獨立設置的一座建筑單體，由于其與其他功能單體如運用組合庫、綜合樓等為統一產權單位管理，且位于同一個場區內，為實現最大化、合理化的資源利用率，以降低消防工程成本，因此設計時考慮在車輛段內各單體共用水消防系統，即場區內室內、外消火栓系統共用消防泵，消防水泵的流量由場區內消防用水量最大的單體確定。

3.1 用水量計算

物資總庫為丙類倉庫，根據GB 50974-2014《消防給水及消火栓系統技術規范》（以下簡稱《消水規》）的規定，丙類倉庫的火災延續時間為3h;當建筑體積為20000m3

3.2 室內、外消火栓系統設計

3.2.1 室外消火栓系統設計

由于市政管道所提供的水壓不能夠滿足本工程室內、外所需消防用水壓力，因此考慮獨立設置消防泵房及消防水池。消防泵房及消防水池位于場區最高建筑綜合樓地下一層，消防水池儲水容積須大于消火栓系統一次火災所需消防用水量648 m3的要求，故取700 m3。室外消火栓系統采用臨時高壓給水系統，管網內平時充水，平時運行壓力不小于0.14 MPa。根據本工程所在地的氣候特點，室外消火栓則采用雙層保溫井蓋地下式消火栓，保溫層厚度不小于600 mm，并在保溫井筒側壁噴涂不低于30 mm的聚氨酯保溫層。根據《消水規》規定，室內、外合用的消火栓干管在場區內沿道路呈環狀布置，從干管接出的室外消火栓沿建筑物均勻布置，并滿足消防撲救面一側的數量不少于2個，且其距離水泵接合器的位置為15～40 m。

根據《消水規》規定，室外消火栓布置的間距一般不大于120 m，保護半徑為150 m。室外消防用水流量為35 L/s，由于所選擇的保溫型消火栓單個出水流量不足15 L/s，因此物資總庫需設置3個保溫型室外消火栓，在物資總庫周圍沿道路盡量均勻布置。

3.2.2 室內消火栓系統設計

根據《建規》規定，面積大于300 m2的倉庫需設置室內消火栓系統。本物資總庫位于嚴寒地區，根據工藝要求倉庫內已設置了采暖系統，因此本建筑內消火栓系統推薦采用濕式系統。經試驗及相關計算，在外門封閉情況下，倉庫內環境的設計溫度能夠保證室內消防管道不結冰。考慮到冬季庫門長時間開啟裝卸貨物，可能引起庫內溫度驟降至冰點以下，根據運營經驗建議在靠近庫門至少30 m范圍內的消防管道上加設電伴熱保溫措施。

本工程室內消火栓系統采用臨時高壓給水系統，共設置18個室內消火栓，與室外消防系統一并由消防水池及加壓泵組聯合供水。室內消防管網同樣設計為環狀布置，平時由屋頂水箱間內設置的穩壓泵組維持管網壓力，火災初期則由設置在同場區內最高建筑（綜合樓）的高位消防水箱供水，水箱儲水容積根據《消水規》的要求按18 m?設計。根據《消水規》的要求，消防水泵設置泵房就地手動控制、消防控制室遠程控制方式，并具備高位水箱出水管流量開關和消防出水干管上設置的低壓壓力開關自動啟泵功能，特殊情況下具備機械應急啟泵條件。消火栓按鈕的動作信號作為報警信號和聯動觸發信號，由消防聯動控制器邏輯判斷后啟泵。

綜上所述，物資總庫消火栓系統如圖2所示。

立體庫中由于貨物堆放密集，且貨架與貨架間通道寬度僅可供堆垛機單向行進工作，沒有有效空間可用于設置消火栓箱;但由于該功能區內貨架長度方向超過60m，僅在兩側庫門附近設置消火栓無法滿足《建規》中對消火栓的設置要求，為此，考慮到自動化倉庫的通道長且無人值守的特殊性，庫門附近的消火栓布置在2 個貨架之間通道對應的位置，同時在消火栓箱內設置2盤可以互相連接的25 m長水龍帶，用以滿足同一起火點處需有2股水柱保護的消防要求。在設計聯絡階段，建議設計人員積極與貨架廠家溝通配合，研究在有條件的中部隔墻處增設消火栓的可能性。

上述設計方案獲得了業主單位和地方消防部門的積極肯定，并已通過消防部門的設計審查。

4 自動噴水滅火系統設計

由于物資總庫按無人操作的自動化立體倉庫設計，正常狀態時存儲庫區禁止人員進出，僅有出入庫區內設置少量分揀人員，因此火災初期不易被及時發現，采用自動滅火系統是較為直接有效的保護措施;且本工程總建筑面積超過了3000 m2，根據《建規》規定，結合各功能分區的特點，自動噴水滅火系統采用可靠性高的濕式系統，避免因管道充水或電氣裝置故障引起火災延誤，并根據儲物形式選擇不同類型的噴頭及管道布置方式。在靠近常開庫門附近的噴淋管道，采取與消火栓系統相同的電伴熱保溫措施，保證噴頭、管道內的消防用水不結冰。

4.1 儲物方式

對于倉庫建筑，其儲物方式包括堆垛、托盤和貨架3種。本建筑內各功能區的基本參數如表2所示。

4.2 噴頭選型及用水量的確定

根據各功能分區的具體情況，結合《噴規》的要求，用于本建筑內頂板布置的噴頭主要有標準覆蓋面積灑水噴頭、早期抑制快速響應噴頭（ESFR）和特殊應用型噴頭3種。

4.2.1 重型材料庫

（1）采用標準覆蓋面積灑水噴頭。該噴頭的防火目標為控制火災至適度范圍，但不能抑制或減小火災。重型材料庫為雙排貨架，最大凈空高度為10.3 m，根據《噴規》規定，分別在頂板和貨架內設置噴頭。貨架內的噴頭設置高度為3.0 m，距離貨物頂部的高度為 2.5m，噴頭上方的層板應為實層板。本工程中噴頭流量系數選擇K115型，工作壓力不小于0.1 MPa;貨架內設有8個開放灑水噴頭，其流量約為 15.4L/s;頂板設置的噴頭流量約為112L/s（流量強度為24L/（min · m2），作用面積為280 m2）。綜上所述，重型材料庫消防系統設計采用該類型噴頭時，噴淋合計流量約為127.4L/s，持續噴水時間為2h，一次火災噴淋所需的水量約為918m3。該噴頭的優點為噴頭布置靈活，適用范圍較廣;缺點為需在貨架內額外設置噴頭，噴頭濺水盤與上層層板間距及噴頭與下方儲物頂面高度均有固定距離要求，這將影響貨架的布置方式及功能使用，如圖3所示。況且，該噴頭組成的系統用水量較同條件下其他噴頭形式大，因此所需的消防水池容積也較大，工程造價較高。

（2）采用早期抑制快速響應（ESFR）噴頭。此噴頭具有“快響應+高沖量+大水滴”的性能，以壓制火災為設計目標，主要用于抑制或撲滅倉庫火災。應用ESFR噴頭，要求貨架均為通透性層板，不得有實層隔板。根據《噴規》規定，重型材料庫的最大凈空高度為10.5m，最大儲物高度不超過9.0m時，噴頭流量系數應選擇K363，最低工作壓力為0.2MPa，作用面積內同時開放噴頭數不低于12個。經計算，噴淋系統設計的流量約為102.7L/s，按持續噴水時間1h計，則一次火災噴淋所需水量約為370m3。此噴頭的優點是由于不設貨架內噴頭，且消防水池儲水容積較標準覆蓋面積噴頭小，因此費用較為節省;同時，ESFR噴頭具有水滴大和沖量高的特點，可穿透貨架間的通透層板，滅火效率高。其缺點是對于儲物類型、貨架層板的通透性都有嚴格的限制要求。

（3）采用倉庫特殊應用型噴頭。此噴頭為《噴規》中新增的一種噴頭類型，廣義上屬于標準響應噴頭范疇，該類噴頭同樣適用于控制火災蔓延，但在抑制或撲滅火災方面不如ESFR噴頭。根據《噴規》規定，重型材料庫的最大凈空高度為12.0m，最大儲物高度為10.5m時，噴頭流量系數選用K363，下垂型噴頭，最低工作壓力為0.2MPa，同時開放噴頭數不低于12個，噴水時間按1h計。經計算，該方案設計流量與采用ESFR噴頭方案設計流量一致。

綜上所述，對于重型材料庫，最大凈空高度為8～10.5 m，最大儲物高度為5～7 m時，不建議選擇用水量大、需設置貨架內噴頭的標準覆蓋面積灑水噴頭，可根據實際情況選擇ESFR噴頭或倉庫特殊應用型噴頭。在相同條件下，鑒于ESFR噴頭的大水滴和高沖量特點，建議優先考慮。

4.2.2 輕型材料庫

如前所述，輕型材料庫內設閣樓式貨架，貨架單層高度為2～2.5m，閣樓層板為不通透的封閉實板，閣樓層板上下2層分別設置輕型貨架，貨架層板通透率不低于50%，因此頂板和閣樓層板下均需布置噴頭。

根據《噴規》要求，不推薦采用頂板下布置ESFR噴頭+貨架內置噴頭的布置方式;同時，如貨架內設置封閉實板，貨架內噴頭設置應參考無遮擋的倉庫（危險 Ⅱ級）噴頭布置要求進行頂板噴頭布置，參考有遮擋的倉庫噴頭布置原則進行貨架內噴頭布置。因此，本工程中輕型材料庫的自動滅火系統設計采用標準覆蓋面積灑水噴頭，當雙排貨架中最大凈空高度不超過9.0m，最大儲物高度在3.5～6.0 m時，噴頭設計按噴水強度為24 L/（min · m2）、作用面積為280m2、持續噴水時間為2h計，根據計算結果確定頂板下布置的噴頭流量系數選擇K161，同時開放噴頭數約為40個。貨架內閣樓層板下方選擇流量系數為K115的標準覆蓋面積噴頭，工作壓力不小于0.1 MPa，同時開放噴頭數不低于8個。經計算，輕型材料庫的自動滅火系統噴頭設計流量約為 127.4 L/s，一次火災所需的消防用水量約為920 m3。

4.2.3 立體庫

本工程中立體庫和重型材料庫的最大凈空高度和最大儲物高度相似，因此噴頭選擇方案一致。

4.2.4 邊跨附屬用房

參考《噴規》附錄A，邊跨附屬用房火災危險等級為中危險I級，噴頭設計按噴水強度為6 L/（min · m2）、作用面積為160 m2、火災延續時間為1 h計，故選用噴頭流量系數為K80的標準覆蓋面積噴頭。經計算，附屬辦公用房噴淋設計流量約為20 L/s，一次火災所需的用水量為72 m3。

4.3 噴頭及管道布置

4.3.1 重型材料庫及立體庫

該區域選用流量系數為K363 的ESFR噴頭，采用下垂型設置方式，最低工作壓力為0.2 MPa。噴頭的最大間距為3.0m，最小間距為2.4m，且無貨架內噴頭。根據《噴規》規定， ESFR噴頭濺水盤至頂板的距離為150～360 mm，噴頭與保護貨物的最小垂直距離均大于0.9m。考慮火災條件下噴頭噴水時，高處貨物對著火點處的遮擋影響，在布置噴頭時有意避開了貨架的正上方，優先選擇布置在背靠背的兩排貨架中間。

由于物資倉庫火災危險性較高，倉庫內的噴淋管道呈環狀布置或格柵狀布置，其中水平管道采取不小于2‰ 的坡度，在坡向低點設置泄水閥;在系統最不利點附近設置末端試水裝置，其余各區設置試水閥。試水閥出水流量系數與同防火分區或同樓層內噴頭流量系數相同。噴頭及管道布置時在頂板處加設電動排煙窗。重型材料庫及立體庫噴淋系統平面布置如圖4所示。

4.3.2 輕型材料庫

本區域內的噴頭布置在頂板和貨架內。

（1）頂板處的噴頭。此噴頭選用流量系數為K161的下垂型標準覆蓋面積灑水噴頭，噴頭濺水盤距離頂板100mm。噴頭呈矩形布置，長邊間距為3.6m，短邊間距為2.3m，單個噴頭的最大保護面積不超過8.3m2。噴頭與端墻的最大距離為1.5m，最小距離為0.1m。噴頭布置仍需考慮頂部開口范圍，如電動排煙窗等。管道布置與立體庫相同，采用環狀布置形式。

（2）貨架內的噴頭。貨架層板下方貨架內設置的噴頭，與頂板上的噴頭交錯布置，噴頭濺水盤與層板間距為75 ～150mm。噴頭采用流量系數為K115的標準覆蓋面積灑水噴頭，噴頭也呈矩形布置，長邊間距為3m，短邊間距為2.85m。閣樓下層同時開放的噴頭數為8 個。在保證覆蓋面積的同時，貨架內噴頭均布置在貨架的側邊，避免侵占貨物的存放空間，以防貨物出入庫操作造成噴頭機械損壞。需注意的是，因工藝所限，個別噴頭配水管需直接固定在貨架上;為此，設計方案中采取主管道在結構墻體固定，噴淋配水管及配水支管利用貨架立柱固定的方式，以避免火災情況下管道充水瞬間產生的軸向沖擊力對貨架穩定性造成的影響。

輕型材料庫噴淋系統平面布置如圖5所示。

4.3.3 邊跨附屬用房

本區域內噴頭的流量系數選用K80，噴頭呈矩形布置，噴頭間距為1.8～4.0m，單只噴頭保護面積控制在10m2以內，不超過規范的上限12.5m2。噴頭與墻的最大距離為1.5m，最小距離為0.1m，均未超過規范上限的要求。噴淋系統保護范圍主要為走廊及辦公房間，而衛生間、盥洗室、報警閥室、電纜引入室等房間按《噴規》無須設置噴頭。

5 結論與建議

結合東北地區嚴寒的氣候特點及物資總庫各功能分區儲存物品的復雜性，本文通過對典型車輛段物資總庫消火栓系統和自動噴水滅火系統設計的方案比選分析，提出了在嚴寒氣候條件下，物資總庫水消防系統的優化設計方案。主要建議如下。

（1）在設有采暖系統的車輛段物資總庫內，優先考慮采用濕式系統作為消火栓系統和自動噴水滅火系統;在冬季有敞開需求的庫門附近須增設電伴熱保溫設施。

（2）室內消火栓系統優先考慮設置單口單閥消火栓;對于條件受限無法符合現行設計標準規范的自動化立體庫內，可將消火栓設置于貨架兩端，并適當增加消防水帶的長度，滿足貨架中部2股水柱的保護要求，并就設計方案與消防部門充分溝通。

（3）室外消火栓系統設置的閥門及室外消火栓均采用地下式，管道覆土需保證在冰凍線以下300mm;井筒采用保溫井筒，并加設雙層保溫井蓋。

（4）與工藝專業提前配合，優先選擇層板通透率不低于50%的貨架，并預留噴淋頭安裝位置。在最大凈空高度不超過13.5m的前提下，優先選擇滅火效率高、投資費用低的“快響應+高沖量+大水滴”早期抑制快速響應系統，如條件所限，貨架內需設置封閉實板，則可考慮采取流量系數大于K80的標準覆蓋面積灑水噴頭，同時增設貨架內噴頭。

（5）噴淋配水管及配水支管與貨架立柱進行固定，如必須固定，將主管道固定在結構墻體內。

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收稿日期 2020-05-28

責任編輯 黨選麗