某丙二類自動化高架倉庫的消防給水設計及思考

高 歌 （無錫市建筑設計研究院有限責任公司，江蘇 無錫 214045）

1 前言

根據GB50016-2014（2018版）第2.1.5條，高架倉庫是貨架高度大于7m且采用機械化操作或自動化控制的貨架倉庫。

全自動化控制的無人貨架倉庫內部采用單排、雙排和多排貨架存儲貨物。倉庫內的貨物全靠自動堆垛機和傳送帶進出庫，平時倉庫內無人，僅控制室有若干控制人員值班。

倉庫內貨架層數多，貨物數量大，單個貨架上的貨物布置緊密，貨架與貨架間的通道寬度小，僅能供堆垛機運動，而兩條通道之間的貨架則背靠背布置，只留管線布置空間，組成雙排或多排貨架形式。

由于其貨物數量多且布置緊密，當發生火災時，火焰極易沿垂直和水平方向快速蔓延，如不能及時制止火災蔓延，將會造成極其重大的財產損失。

筆者近日參與了一座丙二類紙質印刷品自動化高架倉庫（倉庫危險級II級）的設計，負責其中的水系統設計。在設計過程中，遇到了一些問題，也有一些心得和疑惑，希望能與同行交流。

2 項目概況

本項目是一座單層丙二類自動化高架倉庫，倉庫的火災危險等級為倉庫危險級II級。倉庫內平時無人，僅設一間控制室，有三名值班人員。

倉庫室內最大凈高為23.74 m，倉庫內設有雙排和多排貨架，采用鋼制貨架和木制托盤存儲紙質印刷品。貨架層數為10層，貨架每層間距為2.175m，貨架儲物的總高度為22.65 m。

貨架沿倉庫長邊平行，兩條雙排貨架靠倉庫兩側設置，一條多排貨架設于倉庫中間，三條貨架之間有兩條自動堆垛機通道。平面布局見圖1。

圖1 項目平面布局

3 貨架內消防通道和消火栓減壓問題

自動化高架庫房的室內消火栓設計一直是個難題。GB50974-2014第7.4.6條要求同一平面有兩支消火栓的充實水柱能夠同時到達任何部位。但貨架與貨架之間的通道僅供自動堆垛機工作使用，在其中設置消火栓和管道會妨礙堆垛機工作。很多高架倉庫為了節約空間，貨架和堆垛機通道往往緊密設置，連綿成片，貨架和通道的長度極長，本項目的貨架長度有66 m，貨架區內沒有空間可以設置消火栓。

3.1 貨架下方不應設消防通道

由于通道端頭的消火栓無法保護到通道中間的貨架，有一種做法是將貨架的最底層去掉一個貨位，以供消防隊員持消防水帶穿越，具體布置見圖2。

圖2 貨架內消防通道設置方式

高架庫房火災蔓延速度快，從初期火災到轟燃不超過5-7分鐘，而消防隊員到達火場并救援的時間通常都超過這個時間。如果在消防隊員到達前，自動滅火系統不能有效控制火勢，室內消火栓也將成為擺設。

高架庫房內通道狹窄，火災時煙氣彌漫，通道上又可能有火焰和雜物的干擾，身穿防火服的消防隊員要在極短的時間內找到消火栓和預留通道，這對于消防隊員是一個極大的挑戰。

能成為消防通道的首要條件是能有安全的防火分隔，在貨架底部預留空位形成的通道毫無疑問不能算作安全的消防通道，這種通道在火災時被著火崩塌的貨物堵塞的可能性很高。

本項目庫房貨架排數較少，僅需在最外側貨架底部預留通道。但某些庫房貨架排數很多，消防隊員往往需要連續穿越多個預留通道才能到達貨架區中間。在這過程中，如果消防隊員身后貨架崩塌，就會堵塞預留通道，導致消防隊員無法撤離，消防通道反而變成了死亡陷阱。

《石油化工自動化立體倉庫設計規范》（SH/T3186-2017）第 10.1.2 條規定：“庫房內部，庫房堆垛機運行端部墻體設置室內消火栓，消火栓間距不大于30 m，其他墻體僅在外墻的救援口旁設置室內消火栓。”

此條規范明確了在堆垛機通道中可以不設消火栓，在條文解釋中亦說明了原因：“即使能將部分貨架內的下部布置消火栓，也因整個貨架沒有耐火保護，加上火災時煙霧、照明都不利于滅火人員使用，消防隊員也不能深入倉庫內部用消火栓滅火。”

考慮到預留通道的危險性，以及效果未經實踐檢驗，本項目最終沒有在貨架下預留通道。

3.2 消火栓栓口壓力應按0.7MPa控制

根據GB50974-2014第7.4.12.1條，栓口動壓不應超過50m，超過70m時應減壓。

本項目室內最大凈高達23.74m，本單體底層消火栓栓口動壓約為68m，據此計算，當著火點位于23.74m時，在栓口動壓為68m的情況下，水槍傾角需要達到 63.6°，栓口流量 9.9L/s，充實水柱25.4m。此時，一支消火栓槍需要兩名消防隊員才能抱持。而如果將本項目的栓口壓力減至50m以下，消火栓就無法撲救高處火災。

這種丙類自動化高架庫房中的可燃物密集，通道狹窄，消防隊員進入后的危險性遠遠超過普通民用建筑和丙類廠房，而且庫房內并無有爆炸危險的物品，作為自動化的庫房亦無人員需要拯救。

當消防隊員到達時，如果火災沒有被噴淋系統撲滅，已發生轟燃，消防隊員再進入火場滅火已無必要；

如果火災沒有控制住，但還沒發生轟燃，消防隊員貿然進入也是一件非常危險的事情，筆者認為火災未得到控制時，消防隊員不應該貿然進入此類高危險性庫房；

如果火災已被噴淋系統撲滅，僅余零星余火。此時消防隊員可以從容尋找消火栓撲滅余火。消火栓栓口保留較高水壓，以用來撲滅高處余火是有必要的。

因此本項目最終未對室內消火栓減壓。

市場上目前有一種消火栓名叫多功能消防水槍，根據產品介紹，此消防水槍能夠削減部分后坐力，在水壓較高時，仍能供單人使用。但此產品并未在規范和圖集中出現，內部結構和削減后坐力的原理不明。因此本項目僅要求在消火栓箱處額外配置備用。

3.3 高架庫房不應設置消防水炮

SH/T3186-2017第10.1.5條：“在庫房堆垛機運行終端，正對貨架通道位置宜設置智能消防水炮系統。”筆者猜測條文目的是利用智能消防水炮代替室內消火栓保護通道位置。

但貨架通道長度動輒60m以上，水炮的射程并不能覆蓋。即使通道兩頭均設置，通道內一處也只有一支水柱能保護到。由于水柱不能拐彎，智能水炮也不能保護到火災危險性最大的貨架。

如果將滅火效果不如噴淋的水炮設于屋頂，又與屋頂噴淋屬于重復設置。

而水炮設于屋頂時，其保護范圍中也存在大量死角，如果要消除死角，就需要將水炮布置到貨架下層。但在通道內布置水炮會影響自動堆垛機運行，并不能為業主和高架庫設備廠家接受。

水炮布置到貨架下層時，需考慮水炮后坐力對貨架的影響，要增加抵抗后坐力的設計，會增加較多成本。

同時，本項目貨架內貨物的重量不大，智能水炮的水柱近距離沖擊力大，在滅火時，有可能將著火的貨物沖擊至其他尚未燃燒的貨架，引燃其他貨物。

因此筆者認為智能消防水炮并不適合在自動化高架庫房內使用。

4 自動噴水滅火系統的水量計算

本項目的火災危險等級為倉庫危險級II級，倉庫內采用鋼制貨架和木制托盤存儲紙質印刷品。貨架層數為10層，貨架每層間距為2.175m。最大儲物高度為21.6m。

倉庫內的最大凈空高度和最大儲物高度均超過了GB50084-2017第5.0.5條的規定。查閱噴規第5.0.8條的條文解釋：“規范不推薦采用頂板下布置ESFR噴頭+貨架內置噴頭的布置方式。當最大凈空高度或最大儲物高度超過表5.0.5 的規定時，應按照本規范第 5.0.4條和本條的規定布置。”

因此，采用貨架方式儲物的倉庫危險I至III級高大凈空倉庫，在最大凈空高度或最大儲物高度超過表5.0.5規定時，應在頂部和貨架內均采用標準覆蓋面積灑水噴頭。

4.1 屋頂的水量計算

根據規范，本項目屋頂噴淋系統的噴水強度為20L/min·m，作用面積為200m。

某些類似項目在設計時，屋頂的噴淋系統設計流量是如此計算的：Q=1.3×20×200÷60=87 L/s，系統采用 K=115標準覆蓋面積噴頭，最不利點工作壓力定為0.10 MPa。

筆者認為這個計算結果僅是理論數據，而實際的噴淋系統設計流量與最不利點工作壓力和灑水噴頭布置間距息息相關，設計時還應根據實際的噴淋布置復核。

當噴頭流量系數為115，且最不利點工作壓力為0.10MPa時，為了滿足最不利點的噴水強度不小于20L/min·m，根據GB50084-2017第7.1.2條的條文解釋中提供的計算方式，末端四個噴頭以正方形布置時，四噴頭圍合面積不能大于 5.75m2，正方形邊長不能大于 2.4 m，但實際布置時很難以保證以2.4m間距來布置噴頭。

此類倉庫的屋頂通常為鋼結構坡屋頂，其中屋脊處應設置一排噴頭。屋頂鋼梁高度較高，參照GB50084-2017第7.2.1條可知，作為障礙物的鋼梁同樣會影響噴頭布置。這種情況下，很難保證噴頭間距控制在2.4m以內。當噴頭間距大于 2.4m 時，0.10MPa 的工作壓力是不能夠保證噴水強度的。

從成本角度考慮，噴頭布置間距越小，使用的噴頭和管道就越多，系統造價就越高。而通過提高最不利點工作壓力來滿足噴水強度的話，則可以加大噴頭間距，降低噴頭管道用量。此時水泵設計揚程提高不多，對系統造價的影響也比較小。因此提高最不利點工作壓力，加大噴頭布置間距是比較經濟的。

本項目的屋頂噴頭采用K=115噴頭，布置見圖3。在這樣的布置方式下，計算出的噴淋系統設計流量為91 L/s，大于上述理論計算值。

圖3 屋面灑水噴頭最不利區域的布置

在圖3中，值得注意的一點是：最不利點工作壓力為0.1MPa時，雖然按最不利處四噴頭圍合面積計算出的噴水強度是大于20L/min·m的，但此時作用面積內上游虛線方形框內，圍合面積較大的四個噴頭的噴水強度卻小于20L/min·m。

為保證本項目每一處的噴水強度都滿足規范要求，經計算，將最不利點處的最小工作壓力定為0.16 MPa。

4.2 貨架內水量計算

貨架內噴淋計算較為簡單，根據規范，按最高兩層各開放7個噴頭計算。規范給了K=80，P=0.2 MPa和K=115，P=0.1 MPa兩種參數選擇。本項目由于屋頂最不利噴頭處壓力為0.16 MPa，屋頂噴頭與最高層貨架內噴頭高差大于4 m，加上業主有節約成本的需求，因此采用了 K=80，P=0.2 MPa 的參數。貨架內噴淋設計水量乘以1.3系數，最后計算結果為35 L/s。

根據貨架設備廠商提供的資料，每層貨架并無實心隔板，只有三根平行方鋼架，方鋼架上是木制通透托盤，托盤上才是貨物。自動堆垛機存取貨物時，貨物連同其下的木制托盤一起被放入或取走。

據高架庫設備廠家介紹，目前的自動化庫房內的貨架大部分都是這種結構。貨架中并不存在密閉貨板，而當貨物與托盤被取走時，貨架內噴頭上方更是毫無遮蓋，不能滿足規范要求。

因此筆者與廠家協商，在貨架噴頭上方的方鋼架下邊緣增加一塊薄鋼板，鋼板厚度參照擋水板厚度定為1mm，見圖4。此薄鋼板并無承重作用，僅作為貨架實心層板，阻擋上方水流對下方噴頭的影響，防止下方火焰快速上竄至上層貨架，同時起到積聚煙氣，促使噴頭動作的作用。

圖4 貨架內噴淋布置剖面圖

4.3 鋼平臺下水量計算

如圖1所示，倉庫右側有一鋼平臺，鋼平臺標高為4.70m，平臺下為自動化設備和貨物傳送帶，并非儲物區，自動化設備和貨物總高度為3.15m。鋼平臺下與貨架區之間并無分隔墻，與倉庫為同一空間。

考慮到這是倉庫建筑，而傳送帶與其上貨物類似于堆垛，筆者將其定為堆垛性質的倉庫危險級II級。經查噴規表5.0.4-2 可知，其噴水強度為 8L/min.m，作用面積160m2。

由于鋼平臺下總面積只有90m2，因此作用面積最終確定為90m2。筆者認為鋼平臺下噴淋的持續噴水時間應與屋頂噴淋和貨架內噴淋保持一致，也定為2小時，最不利點處最小工作壓力0.05 MPa，噴頭流量系數K=80。經理論計算和實際布置后的復核計算，最終鋼平臺下噴淋設計流量為22 L/s。

此處設計遇到的難題是鋼平臺下噴淋設計流量是否需要與屋頂噴淋和貨架內噴淋設計流量疊加。

根據 GB50974-2014 第 3.6.1 條：“一起火災滅火用水量應按需要同時作用的室內外消防給水用水量之和計算。”也就是說，是否需要疊加，應考慮鋼平臺下噴淋與其他部位噴淋是否會同時作用。

常規設計中，某些障礙物下增設的噴頭的用水量并不會與頂板下噴淋用水量疊加，比如寬度大于1.2m的風管下增設的噴頭。

但筆者經思考后最終決定疊加水量，理由是鋼平臺下區域寬度大，面積又只有規范要求的作用面積的56%。同時此區域與貨架緊鄰，無防火分隔，此區域一旦發生火災，很容易蔓延至貨架區。此區域和屋頂的噴淋用水量同時發生的可能并不低。

最終本項目噴淋系統總用水量為91+35+22=148 L/s。

5 項目設計中的疑問和思考

本項目的消火栓布置和鋼平臺下的噴淋布置的規范依據均不充分。

高架倉庫的消火栓布置一直是個難題，在貨架底層去掉一個貨位形成消防通道是否可行尚未可知。而如果不設這個通道，那消火栓布置必然無法滿足規范。這個兩難情況一直困擾著設計人員。

由于自動化高架庫房內平時無人，自動堆垛機通道內只有設備檢修時才可能有人。筆者認為，這種自動化庫房應該削弱室內消火栓的作用，貨架區內部應該允許室內消火栓保護空白的存在，同時加強噴淋設計要求，以自動滅火設施為主。

自動高架庫房內自動傳送帶和設備較多，有的庫房為了充分利用空間，會將設備區分為上下兩層，下層同樣需設噴淋保護。但設備區的火災危險性應如何定性，如何確定設計參數，水量是否應該與屋頂噴淋疊加，在規范上找不到明確依據。

出于運營成本的考慮，部分建設方比較傾向于建設此類高架庫房。但此類倉庫貨架密布，巷道間距較小，整個防火分區中可燃物品的密度極高，火災時，火焰的水平和豎直蔓延速度都很快。

由于缺少自動化高架庫房的規范，建筑專業設計此類庫房時，參照的都是建筑設計防火規范，因此此類庫房凈高和規模都很大。

對于此類火災危險性遠大于普通倉庫的高架庫房，相關的土建和機電的消防要求是否應比普通倉庫更嚴格？

我國目前關于高架庫房的全尺寸火災試驗數據較少，現有的消防能力相對于此種規模的高架庫房來說也偏弱。

雖然SH/T3186-2017可作為參考，但畢竟不是通用規范，因此希望能有通用的自動化高架庫房規范。筆者也建議在相關規范中對此類高架倉庫的凈高和規模做出限制，避免此類倉庫建筑的凈高和規模過大。