高層建筑消防給水系統(tǒng)的優(yōu)化研究

張海玲

(太原市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001)

建筑分類(lèi)是確定消防安全要求的基礎(chǔ)。伴隨經(jīng)濟(jì)的全球化發(fā)展，高層建筑如雨后春筍拔地而起，作為首選的消防給水系統(tǒng)也逐步被人們所重視。高層建筑指超過(guò)一定層數(shù)或高度的建筑，具有火情難發(fā)現(xiàn)、火災(zāi)蔓延快、人們疏散困難等特點(diǎn)，因此利用科學(xué)技術(shù)手段對(duì)其消防給水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，消除其存在的弊端，使高層建筑消防給水系統(tǒng)更可靠、更安全、更經(jīng)濟(jì)，給住戶(hù)的人身財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)更放心的保證，就顯得尤為必要。

1 高層建筑

高層建筑的起點(diǎn)高度或?qū)訑?shù)，各國(guó)規(guī)定不一。在中國(guó)，主要指住宅建筑高度大于27m和高度大于24m的非單層建筑。高層建筑可以帶來(lái)明顯的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，如使人口集中，能使大面積建筑的用地大幅度縮小，可以減少市政建設(shè)投資和縮短建筑工期等。高層民用建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)分為一、二類(lèi)及輕、中、嚴(yán)重三級(jí)。

2 高層建筑消防給水及自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)

2.1 高層建筑室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)

2.1.1 給水方式

消火栓給水系統(tǒng)給水方式主要受其制約因素限制，建筑高度是首要的。按建筑高度分不分區(qū)和分區(qū)給水方式消防給水系統(tǒng)。其中，分區(qū)給水方式較為常見(jiàn)，尤其高層建筑消防給水系統(tǒng)應(yīng)分區(qū)供水。一般情況下，在系統(tǒng)工作壓力大于2.40MPa、出水壓力大于0.5MPa時(shí)、消火栓栓口處?kù)o壓大于1.0MPa等時(shí)，消防給水系統(tǒng)應(yīng)分區(qū)供水，且消火栓處應(yīng)設(shè)減壓裝置，具體可采用消防水泵并行或串聯(lián)、減壓水箱和減壓閥減壓形式。減壓水箱分區(qū)供水時(shí)水箱的有效容積不小于18m，且宜分為兩格，并滿(mǎn)足消防給水系統(tǒng)所需消防用水量的要求；減壓閥減壓分區(qū)供水時(shí)每一分區(qū)應(yīng)設(shè)不少于兩組減壓閥，且為了強(qiáng)化防止管道、閥門(mén)、管件等薄弱部位出現(xiàn)問(wèn)題，每組減壓閥組宜設(shè)置備用減壓閥（見(jiàn)圖1）。

圖1 消防給水系統(tǒng)組成

2.1.2 給水設(shè)備

高層建筑消火栓給水與自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)均需設(shè)置消防水泵，其型式選擇與可靠性、消防供水設(shè)計(jì)流量和總壓力有關(guān)系。同時(shí)，為了能保證在必要時(shí)有足夠的消防滅火能力，在高度<54m的住宅、室外消防給水設(shè)計(jì)流量≤25L/s建筑等情形下，必須配工作性能與工作泵一樣的備用泵。消防泵可以以串聯(lián)和并聯(lián)的形式，消防水泵的吸水可以自灌式吸水、非自灌式吸水。一組消防水泵吸水管≥2條，吸水管通常是明桿閘閥蝶閥，管徑大于DN300，其穿過(guò)消防水池時(shí)其接觸面必須有柔性材料支撐。一組消防水泵與給水環(huán)狀管網(wǎng)相連的輸水干管必須多于兩條，消防水泵手動(dòng)啟停和自動(dòng)啟動(dòng)相聯(lián)合。消防供水管道應(yīng)布置成環(huán)狀或支狀，消防給水管道的設(shè)計(jì)流速小于2.5m/s。室內(nèi)消火栓豎管檢修不能同時(shí)關(guān)閉2根及以上。高層建筑必須要設(shè)置水泵接合器，水泵接合器設(shè)計(jì)流量在10L/s和15L/s之間（見(jiàn)圖2）。

圖2 消防水泵接合器設(shè)置

消防水箱供應(yīng)不了系統(tǒng)最不利點(diǎn)所需水壓時(shí)，應(yīng)增設(shè)增/穩(wěn)壓設(shè)備。穩(wěn)壓泵的設(shè)計(jì)流量不小于系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟流量，能提供系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)。系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置采用雙向供水的消防水池，火災(zāi)時(shí)消防水池能夠連續(xù)補(bǔ)水，補(bǔ)水時(shí)間通常小于48h。消防水池不能共用出水管，為了保證在必要時(shí)的消防能力，兩座水池連接管應(yīng)在有效最低水位之下。此外，使用臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)時(shí)，高層建筑應(yīng)有高位消防水箱。

2.2 高層建筑自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)分為閉式和開(kāi)式，前者又分為濕式、干式及預(yù)作用系統(tǒng)，后者又分為雨淋系統(tǒng)和水幕系統(tǒng)。其中，濕式系統(tǒng)是最常用的，其準(zhǔn)工作狀態(tài)時(shí)配水管充滿(mǎn)有壓水，噴頭第一時(shí)間能滅火，適宜環(huán)境溫度在4～70℃之間，因?yàn)闇囟忍突蛘咛叩乃赡苡绊憼顟B(tài)，無(wú)法滿(mǎn)足滅火要求。干式系統(tǒng)適宜環(huán)境溫度﹤4℃或﹥70℃的地方，準(zhǔn)工作狀態(tài)時(shí)配水管道是有壓氣體，系統(tǒng)無(wú)污染。預(yù)作用自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)準(zhǔn)工作狀態(tài)時(shí)配水管道內(nèi)沒(méi)有水，該系統(tǒng)主要體現(xiàn)的是預(yù)作用，主要在有寒冷冰凍氣候、高溫環(huán)境和平常不能有水漬等場(chǎng)所，火災(zāi)時(shí)由火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟雨淋報(bào)警閥轉(zhuǎn)換為濕式，從而快速完成對(duì)火災(zāi)的撲滅。

灑水噴頭可以按結(jié)構(gòu)、安裝方式、熱敏元件分，噴頭分布在梁或其它障礙物的下方，與頂板的間距﹤300mm。根據(jù)閉式自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)分類(lèi)，報(bào)警閥組分為濕式、干式和預(yù)作用報(bào)警閥組。報(bào)警閥組設(shè)置高度宜為1.2m，濕式系統(tǒng)、預(yù)作用系統(tǒng)少于800只，干式系統(tǒng)少于500只。安裝報(bào)警閥的地方不能有積水。

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的豎向分區(qū)應(yīng)該與消火栓系統(tǒng)基本符合。配水管道的工作壓力應(yīng)小于1.20MPa。每個(gè)樓層、每片防火分區(qū)均有水流指示器。管網(wǎng)的末端和每層的最不利點(diǎn)處均應(yīng)設(shè)置末端試水裝置。

3 高層建筑消防給水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 高層建筑給水消防設(shè)計(jì)特點(diǎn)

高層建筑尤其高層民用建筑住戶(hù)較多，人口集中，內(nèi)部多個(gè)系統(tǒng)高消耗、高頻率狀態(tài)下使用，火情隱患頗多。同時(shí)，高層建筑建筑層數(shù)較高，需要較大的消防給水壓力，消防難度高，合理地進(jìn)行管道布置、準(zhǔn)確計(jì)算供水量、管道承壓十分重要。可以說(shuō)，高層建筑火情隱患頗多，具有一定的復(fù)雜性，給水消防設(shè)計(jì)必須科學(xué)設(shè)計(jì)，且安全系數(shù)要求大，安全性要必須匹配。

3.2 高層建筑消火栓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.1 消防水池設(shè)計(jì)

首先，消防用水池和生活用水池需合建分建。消防用水量很大，且消防用水需要保證水質(zhì)，合建式儲(chǔ)水池容量要求必然大，水質(zhì)容易變壞，并且工作人員需要區(qū)分水源，進(jìn)行消防檢測(cè)十分不便。消防用水池和生活用水池合建分建，可以用園林綠化保潔等用水來(lái)補(bǔ)充，既保證消防水源，同時(shí)通過(guò)設(shè)置導(dǎo)流墻、進(jìn)出水管對(duì)置，還可以保證水質(zhì)。此外，高層建筑群之間共用消防水池，可以保證水源，節(jié)約投資（見(jiàn)圖3）。

圖3 某高層建筑消防水池

其次，消防儲(chǔ)水池應(yīng)科學(xué)設(shè)計(jì)。不同的建筑結(jié)構(gòu)、不同的需求等都是影響容積的因素，高層建筑建筑內(nèi)所有滅火系統(tǒng)全部動(dòng)作的概率幾乎不可能的，應(yīng)結(jié)合概率進(jìn)行科學(xué)的測(cè)算評(píng)估消防用水量。總需水量要依據(jù)滅火時(shí)間、消防水泵的規(guī)模等計(jì)算。按照有關(guān)規(guī)定，在室外給水管網(wǎng)能充分供給室外消防用水量下，除了需要滿(mǎn)足滅火要求，還要盡可能的降低成本，火災(zāi)延續(xù)時(shí)間內(nèi)室內(nèi)消防總用水量要小于消防水池的有效容積；反之，要大于室內(nèi)消防用水量和室外消防用水量不足部分之和。

第三，火災(zāi)延續(xù)時(shí)間與消防補(bǔ)水量應(yīng)合理估算。火災(zāi)延續(xù)時(shí)間是火災(zāi)發(fā)生耗時(shí)的基礎(chǔ)上假定的一個(gè)時(shí)間，影響的因素有火災(zāi)荷載、建筑物裝修材料燃燒等級(jí)等。補(bǔ)水量依據(jù)市政供水管路情況結(jié)合火災(zāi)延續(xù)時(shí)間進(jìn)行確定。為減小消防水池的容積，也可加粗引入管。

3.2.2 消火栓布置

消火栓布置合理與否直接影響火災(zāi)的控制及撲救。根據(jù)《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016—2014），消火栓應(yīng)設(shè)在走廊與樓梯等易于取用的明顯地點(diǎn)，并應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算消火栓參數(shù)，設(shè)置減壓穩(wěn)壓裝置，防止超壓。同時(shí)，消火栓的間距需保證兩個(gè)水槍充實(shí)水柱覆蓋同層任何部位，并適當(dāng)把平面功能布局及隔斷功能的因素歸納其中。

3.2.3 高位消防水箱儲(chǔ)水量的設(shè)計(jì)

根據(jù)《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016—2014），一類(lèi)公共建筑高位消防水箱的消防儲(chǔ)水量大于18m。并且，如果初起火災(zāi)發(fā)生充分燃燒后，穩(wěn)壓泵控制水量不能滿(mǎn)足當(dāng)前滅火要求，會(huì)直接啟動(dòng)消防泵，甚至啟動(dòng)生活泵并連續(xù)補(bǔ)水。

3.2.4 消防水泵設(shè)計(jì)

首先，需優(yōu)化水泵房設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。高層建筑消防給水設(shè)系統(tǒng)中，水泵房用水量需要準(zhǔn)確，同時(shí)結(jié)合用水量的需求對(duì)水泵房面積的合理處理。對(duì)于其他設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)而言，主要包括把導(dǎo)流墻裝配在消防水池里，用循環(huán)水泵提供消防水池里的循環(huán)動(dòng)力，盡量選取較大功率的水泵，給予水泵房適當(dāng)?shù)呐浼取?/p>

其次，需要選擇合適的消防水泵。為保證在發(fā)生緊急情況的時(shí)候能夠有充裕的消防用水，應(yīng)設(shè)置一個(gè)揚(yáng)程不應(yīng)過(guò)大的消防增壓泵，可以利用提前設(shè)計(jì)規(guī)劃水箱高度去穩(wěn)定水壓，最終到達(dá)最高層消火栓或噴頭的靜壓力值。

第三，采用變頻調(diào)速水泵供水方式。考慮到電能耗損及過(guò)多的設(shè)備投資維護(hù)費(fèi)用，高層建筑一般采用水箱水泵聯(lián)合消防供水方式，并設(shè)置減壓裝置，同時(shí)用變頻調(diào)速水泵直接供水，避免電機(jī)開(kāi)啟次數(shù)多，降低電能耗損。

此外，還需要科學(xué)設(shè)置室外、室內(nèi)消火栓水泵及自動(dòng)噴淋水泵等；以“變量不變壓”為基本條件，根據(jù)工程實(shí)際情況，通過(guò)選擇使用多臺(tái)水泵分層控制、安全閥泄壓、采用變量恒壓泵、利用特性曲線選擇水泵等措施，防止消防水泵超壓，造成管道接頭、閥門(mén)、消火栓等薄弱環(huán)節(jié)損壞程度加速等問(wèn)題。

3.2.5 高層建筑消給水方式選取

對(duì)于并聯(lián)分區(qū)、減壓閥減壓分區(qū)、串聯(lián)分區(qū)給水系統(tǒng)而言，其有各自的特點(diǎn)。具體的，并聯(lián)分區(qū)給水系統(tǒng)各分區(qū)系統(tǒng)簡(jiǎn)約、各自獨(dú)立，有利于系統(tǒng)維護(hù)；減壓閥減壓分區(qū)給水系統(tǒng)減少了一組消防供水泵組，大大降低了投資維護(hù)費(fèi)用；串聯(lián)分區(qū)系統(tǒng)增設(shè)了轉(zhuǎn)輸供水系統(tǒng)，設(shè)備分散，前期投入和后期管理的要求較高。相比較而言，并聯(lián)分區(qū)給水水泵揚(yáng)程和系統(tǒng)的承壓大小有限，減壓閥分區(qū)供水系統(tǒng)取消各分區(qū)的獨(dú)立供水設(shè)備，串聯(lián)分區(qū)給水系統(tǒng)安全性較高。為此，三者的適用情況不盡相同，并聯(lián)分區(qū)給水一般不用于建筑高度大于180m的高層建筑，減壓閥分區(qū)供水的方式不適宜功能性復(fù)雜的高層消防供水，串聯(lián)分區(qū)供水系統(tǒng)適合于建筑高度高于180m的超高層建筑。

3.3 髙層建筑自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1）給水方式。其與消火栓給水系統(tǒng)可共用高位水箱，節(jié)省空間，管理方便；2）設(shè)備選擇。噴頭噴水要考慮覆蓋面積和噴頭附近的環(huán)境，配水管入口的減壓設(shè)計(jì)應(yīng)該通過(guò)對(duì)水泵的揚(yáng)程進(jìn)行計(jì)算，穩(wěn)定泵設(shè)計(jì)考慮其出水壓力與水源供應(yīng)之間的基本要求，報(bào)警器設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮信息傳遞與審美需求；3）數(shù)值計(jì)算。采用有限單元法進(jìn)行管網(wǎng)數(shù)值計(jì)算，具體要求包括依據(jù)火災(zāi)危險(xiǎn)等級(jí)確定最不利噴頭參數(shù)，根據(jù)管網(wǎng)水力計(jì)算的結(jié)果來(lái)確定管網(wǎng)中各個(gè)管段的管徑等；4）自動(dòng)噴水系統(tǒng)的進(jìn)化。高層建筑使用小水量細(xì)水霧系統(tǒng)，可減少儲(chǔ)存消防水容積，還可降低水對(duì)電器設(shè)備所造成的損害。由于其具有水絕緣性，還可用于機(jī)房等電器設(shè)備的監(jiān)控等。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高層建筑消防給水設(shè)計(jì)要根據(jù)建筑樓層房屋結(jié)構(gòu)及高度等，可考慮設(shè)置生活、消防共用水池，設(shè)置消防增壓泵、高水位水箱穩(wěn)壓或者氣壓水罐增壓等措施。高層建筑消火栓給水形式要能對(duì)系統(tǒng)安全性進(jìn)行有效保障，要按照經(jīng)濟(jì)型以及科學(xué)性等原則進(jìn)行選擇。自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)要從多方面考慮，要做好高層建筑消防給水的減壓泄壓，從而減少因?yàn)榛馂?zāi)造成的損失。