高層建筑消防給水系統設計分析

李星霖

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司廣西分院 廣西南寧 530000)

高層建筑的人員密集度較高、功能較為復雜，一旦發生火災，其危險性遠遠高于單層建筑和多層建筑，重大人員傷亡以及財產損失的風險明顯升高。因此，消防給水系統作為建筑中非常重要的滅火設施，應得到更多的重視和關注。在設計消防給水系統時需要保證符合國家的各項規定，滿足消防管理部門的相關規范以及標準等，從系統的實際應用出發，以安全為主要目標，保證技術的合理性，同時注意消防給水系統的經濟性，提升給水系統的綜合價值。可見，消防給水系統是高層建筑中不容忽視的工程，需要提高其設計的合理性與安全性。

1 高層建筑消防給水系統的主要特點

1.1 實際用水量大

高層建筑室內消防系統用水量與建筑性質、使用功能系統關系密切，建筑的高度不同，消防方面的用水量也會有所不同。對高層建筑建筑來說，消防用水量一般包括室內消火栓系統用水量、室外消火栓系統用水量、自動噴淋系統消防用水量、自動消防炮消防用水量等。例如室內消火栓給水系統，第一，對于高層住宅（建筑高度H>27）來說，建筑高度≤54 m，室內消火栓用水量一般為10 L/s；如果建筑高度>54 m，那么室內消火栓用水量為20 L/s。第二，對于醫院、商場等高層公共建筑（建筑高度H>24 m），當設計建筑為一類高層公共建筑時，建筑高度≤50 m時，室內消火栓用水量為30 L/s；建筑高度>50 m時，室內消火栓用水量為30 L/s；當設計建筑為二類高層公共建筑時（建筑高度24 m

1.2 消防給水超壓

消防給水壓力大是高層建筑消防工作中非常突出的一個特點，如果設計時出現失誤可能會引起超壓現象。由于高層建筑的樓層很高，滅火時的壓力穩定性可能會受到影響，尤其是在啟動消防水泵的瞬間和滅火的初期階段消防用水量較小，消防給水泵在小流量運行小，往往揚程大大高于設計揚程，以至于發生超壓的可能性更高。我國關于消防給水系統有明確要求，既需要使用的水泵滿足給水系統壓力以及流量的需求，又需要保證流量是光滑的曲線，不能出現拐點和駝峰，壓力在沒有流量狀態下不能超出設計的140%，并且最小為額定壓力的120%；同時，如果消防給水系統的工作壓力超出2.40 MPa，消火栓系統最不利消火栓靜壓大于1.0 MPa，自動噴淋滅火系統中的報警組工作壓力大于1.6 MPa 或者最不利噴頭工作壓力大于1.20 MPa 時，消防給水應采取分區供水的方式。因此，在進行高層建筑消防給水系統時，應通過精確的消防給水系統揚程計算，正確選擇消防給水泵；合理布置消防給水系統豎向分區，采取安全可靠的減壓措施，避免消防給水系統出現超壓現象。

2 高層建筑消防給水系統給水形式

2.1 加壓給水

由于市政水壓及水量無法滿足高層建筑消防給水系統滅火所需的消防給水水壓及流量要求，高層建筑消防給水系統需采用二次加壓供水，以滿足消防系統滅火需求。高層建筑消防加壓給水系統一般采用臨時高壓制消防給水系統，主要由消防水池、消防加壓給水泵、高位消防水箱、消防管網、滅火設施等組成。消防水池及消防加壓給水泵直接向室內消防給水系統加壓供水，一般設置高層建筑地下室內，消防水池直接由市政給水管網補水；高位消防水箱通常設置于屋面，高于最不利滅火設施，以保證消防系統啟動所需水壓及消防前期水量。當建筑內發生火災時，室內消火栓或噴頭開啟噴水，火災前期主要由高位消防水箱供水滅火，當消防水箱水位下降至設定啟動消防加壓給水泵水位或消防加壓水泵出水管壓力開關下降至設定值時，消防加壓給水泵啟動向室內消防給水系統加壓供水，保證室內消防滅火所需的水壓及水量，確保完成滅火任務。

2.2 區域集中給水

區域集中給水方式主要是指至少兩棟高層建筑使用一個泵房的消防系統。如果是單獨的高層建筑，消防給水系統中的高位水箱、消防泵等的不可缺少的組件，但是多棟高層建筑區域內，如果每棟建筑都設置消防水泵以及高位水箱，不僅會增加建筑工程投入的資金，還會增加物業管理工作。為了能夠解決這個問題，可以在高層建筑區域內集中設置消防給水系統。這是因為在同一個區域內火災同時發生在多棟高層中的可能性非常小，可以理解為在同一個時間內同一個區域發生一次火災，進而從設計的經濟性、合理性角度出發，從一個消防泵中引出滿足多棟高層建筑消防給水需要的多條出水管，與這個區域內多棟高層建筑的供水管連接起來，也就等同于每棟高層建筑都設計了消防水泵，只是供水距離不同，但是不會對消防供水功能產生影響[2]。區域集中給水系統的設計時，需要設計人員將其設計成管網形式，進而滿足多棟高層建筑的消防給水需求，保證消防供水的安全性與可靠性。

2.3 分區并聯給水

目前，我國消防給水系統規定：當消防給水系統的工作壓力超出2.40 MPa，消火栓系統最不利消火栓靜壓大于1.0 MPa，自動噴淋滅火系統中的報警組工作壓力大于1.6 MPa 或最不利噴頭工作壓力大于1.20 MPa時，消防給水系統應分區。

在高層建筑消防給水系統設計中，我們常常會遇到消防給水系統最不利消火栓或噴淋噴頭出現超壓現象，為了滿足高層建筑最高最不利滅火設施的最低水壓要求，在選擇消防加壓給水泵時，選擇揚程加大的消防加壓給水泵，則消防給水系統最大工作壓力較大，就會出現超壓現象。為了消防系統超壓問題，我們常常對高層建筑消防給水系統進行豎向分區，對于高層建筑（建筑高度≤100 m 建筑）通常采用并聯分區給水方式，這種分區方式通常將消防給水系統豎向分高、低兩個并聯供水區，分別從消防加壓給水泵出水管獨立接兩路消防供水主管至各自消防環管網，為了保證低區消防給水管網不出現超壓現象，則需獨立設置一組減壓閥組。消防給水應采取分區供水的方式并聯分區給水方式的消防加壓給水泵以集中的方式安裝在建筑物的地下室中，這樣能夠有效減少對地面空間的占用，盡量使各個區域內的設置都可以維持在相對獨立的狀態下運行，避免彼此之間的影響，這樣分區并聯給水系統的運行也更具穩定性，可靠性以及安全性都會相對較高。將設備集中安全起來，維修管理工作也會相對得到優化，減輕工作量的同時，管理工作的實施也會更加順利。但是，水泵為高區工作狀態時產生的壓力較大，需要投入的資金也會隨之升高。此外，如果要將減壓閥安裝在給水系統中，以此取代水箱的位置，這樣能夠減少給水系統占用的空間，也能夠避免二次污染以及噪聲影響。

2.4 不分區給水

當消防給水系統中的最不利消火栓靜壓應不大于1.0 MPa，自動噴淋滅火系統中的報警組工作壓力小于等于1.6 MPa 或者最不利噴頭工作壓力小于等于1.20 MPa時，消防給水系統可以不進行分區。但是，通常進行高層建筑消防給水系統設計時，為了滿足最高最不利滅火設施的最低出水壓力要求，在選擇消防加壓給水泵時，選擇揚程加大的消防加壓給水泵，不分區給水的消防給水系統底部的消防滅火設施在進行滅火時，出現超壓現象。目前規定：室內消火栓水壓不應大于0.50 MPa，當大于0.70 MPa 時,必須設置減壓措施。目前常用的消防給水系統的減壓措施主要有減壓孔板、減壓穩壓型消火栓、減壓閥等。

2.5 減壓給水方式

減壓閥給水方式是一組屋頂水箱供給多個分區消防用水，利用減壓閥并聯的方式供水給不同的分區，減壓閥是其中非常關鍵的設備，在消防給水系統中已經有相當長的應用時間，且隨著技術的發展，減壓閥設備的性能也在不斷優化。為了保證消防泵能夠正常運行，相關文件中明確規定消防泵需要使用柴油發動機或者柴油泵兩種形式的電動泵；為了保證消防水源的可靠性，對容積超過500 m3的消防水池需要劃分為2個；如果高層小區內使用集中形式的給水系統具有消防和生活兩個方面的作用，并且水泵日常出水時的壓力低于0.45 MPa的不超過12層的高層住宅建筑，在設計時可以去掉高位的消防水箱。這種消防和生活共同使用的給水系統可以采取變頻調速的方式供水，在生活供水方面需要滿足用戶對數量的需求，也需要達到一定的水壓要求；消防用水時需要生活以及消防兩個方面對水壓以及水量的要求；對于電源方面的需求，可以自備柴油發電機或者使用不低于二級負荷的供電要求。因此，取消消防高位水箱的設備不會對滅火活動產生嚴重的不良影響[3]。

3 高層建筑消防給水系統設計

因為高層建筑的高度超出消防車滅火的有效高度，依靠消防車無法有效地對室內火災進行滅火，在滅火時主要依靠室內消防給水系統。建筑消防給水所能夠達到的高度和實現的功能主要受到建筑高度的影響，采取的防火促使較為特殊，并且需要將相關的資料提交給國家的相關部門進行核查、驗證，且以室內自救為主；同時，在滅火時以水主要滅火劑，其他類型的滅火劑作為輔助；此外，消防給水系統的設計需要符合國家以及當地的消防規定。具體可進行如下設計。

3.1 合理設計消防水池容積

在高層建筑消防給水系統中，消防水池是一個非常重要的組成部分，容積的大小直接關系著儲水量，進而影響滅火效率和效果，對消防系統運行的安全性以及經濟性都會產生影響。對于消防水池容積的計算，主要按照以下規定實施。第一，如果市政給水管網能夠滿足建筑室外消防用水需求時，水池的容積需要考慮在火災延續時間內建筑物室內消防對水的需求量，以便保證室內消防活動的正常運行。第二，如果市政管網供水效果無法滿足室外消防用水需求，那么消防水池的容積不僅需要滿足室內消防對水的需求，還需要考慮室外消防實際用水的所缺少部分的需求。水池使用的進水管應該結合補水時間以及容積進行計算，并且其他與消防聯合使用的水池，需要保證消防用水部分不會用在其他方面，以此保證消防用水時不會出現缺失。因此，消防給水系統的設計需要保證水池容積的合理性，才能滿足高層建筑的消防用水需求。

3.2 合理設計自動滅火系統

自動噴淋系統整體操作比較簡單、經濟價值較高、滅火迅速且后期的維護工作方便，在消防工作中受到的關注度越來越高。在設計自動噴淋滅火系統時，噴淋系統可以直接利用消防泵，不需要進行單獨設計，既可以減少投入的資金，又可以減少泵房占用的建筑空間。一旦在樓層內發生火災，噴頭會直接爆破噴水，從而達到滅火的效果，報警閥在水的影響下會觸發水力警鈴，進而發出信號，同時每個樓層的感煙探測器也會隨之發出警報，指示發生火災的地點。如果噴頭發生誤爆現象，水力警鈴也會隨之發生相應的報警動作，指示工作人員到誘發誤爆情況的地點檢查[4]。同時，在設計給水系統時，還需要考慮噴淋系統與消火栓之間的作用存在差異性，可以將泵后的管道實施分開設置，這樣當火災時間超過1 h 之后可以直接切斷噴淋系統的供水。對于高層建筑而言，為了能夠最大限度地減少火災造成的損失，縮小火災范圍，可以在入戶門以及廚房等位置設計建議的噴淋系統，便于第一時間控制火災。可見，高層建筑消防給水系統設計時合理設計自動滅火系統具有重要意義。

3.3 合理設計自動水炮系統

高層建筑消防給水系統的設計中，其中的難點在于大體量的中庭空間防火設計，為了在保證建筑功能的同時也保證消防安全，很多的高層建筑使用了自動水炮系統。該系統主要利用紅外技術、圖像技術等方式實施監控中庭空間等較大的空間，便于及時發現火災或者潛在的火災隱患，并且能夠對火災發生地點進行精準定位，便于發生火災后盡快控制其擴散范圍，從而在早期時滅火。水炮的數量和同時滅火的數量需要結合被保護區域的大小和高度來確定，且根據以上條件確定滅火時的水流量。此外，還需要考慮火災的持續時間，合理設計自動水炮系統，保證發揮該系統的作用。

3.4 合理設計室內的消火栓

高層建筑給水系統中室內消火栓系統中主要包括消火栓箱、消火栓管網、消防水池、水泵接合器、增壓設備以及消防水箱等，是一種具有固定性特點的滅火系統。結合我國目前使用比較廣泛的建筑消防車等器材的供水能力來看，對于高層以及地層建筑的室內消防給水系統所提出的要求也會不同，對于高層建筑的高度已經超出室外消防車滅火工作中的有效高度，難以在消防車的輔助下直接撲救上部火災，因此一旦高層建筑發生火災，就需要重視“自救”，并且盡量提高“自救”的合理性與有效性。目前，常見的幾種室內消火栓存在形式有：僅設置水箱、設置水泵以及水箱、設置消防水箱和水泵、分區給水、區域集中以及臨時高壓等幾種形式的室內消火栓[5]。

室內消火栓的設置需要參考相關的文件規定，其中靜壓與消火栓的質量關系密切。我國室內消火栓的試驗壓力遠高于靜壓分區值，對此可以適當提高分區值。我國有很多建筑的高度在60～70 m 之間，達到這種高度的建筑加上屋頂水箱和地下室兩個位置的高度，總共度一般超過80 m，此時就需要對消火栓進行分區處理，這樣就需要增加給水系統的設備以及相應的管道設備，那么投入的資金也就需要相應增加，此時如果能夠提高分區值，能夠有效節約資金，并且簡化消火栓系統。

在設計消火栓時，設計人員需要以預防為主，并采取防消結合的方式作為主要設計原則，考慮高層建筑火災發生時的特點，以自防自救作為基礎，利用可靠、安全的防火措施，保障消火栓設計的安全性、經濟性、技術先進性以及適用性等，提升消火栓設計效果[6]。

3.5 合理設計消防補水系統

高層建筑在設計消防給水系統時需要重視消防補水的設計，具體可以采取底層消防水池與中間水箱接力的形式進行補水設計。按照這樣的思路，可以在地下選擇合適的位置設計消防水池，水池的大小根據給水形式、樓層高度以及消防用水需求等方式確定；與此同時，根據樓層的高度選擇合適的水箱接力位置，安裝大小合適的水箱，以便在消防工作中實施接力給水，保證消防安全性。與接力水箱配合使用的是接力補水泵，滿足補水需求。消防補水系統發揮作用的主要流程為：市政給水管網的自來水、地下消防水池、補水泵、啟動供水管網、中間補水箱進入運行狀態等。補水系統在高層建筑消防給水系統設計中有著很重要的作用，且樓層越高，補水系統發揮的作用越大，因此在設計工作中要保證補水系統設計的合理性，以便發揮其應有的價值。

4 結語

高層建筑消防給水系統設計是建筑物中非常重要的構成部分，無論是建筑本身還是消防系統而言，都有著非常重要的價值。高層建筑的用戶密集度高，潛在的消防隱患高于單層、多層等普通建筑，且建筑的功能復雜多樣，對于消防給水系統的設計要求更高，因此需要設計人員在工作中以人為本，嚴格執行相關的標準和規定，認真工作，才能在保證消防安全效果的同時保證高層建筑的經濟效益。在設計消防給水系統時，需要詳細了解其不同的給水形式，而后合理設計消防水池容積、自動滅火系統、自動水炮系統等，以便滿足高層建筑的消防需求，提高消防安全性，提升建筑價值。