超高層建筑消防給水系統(tǒng)淺談

李 韻

中國建筑上海設計研究院有限公司 上海 200062

1 引言

隨著城市規(guī)模的不斷擴大，經(jīng)濟的迅速發(fā)展，超高層建筑已從最初的鳳毛菱角逐漸普及開來。《民用建筑設計統(tǒng)一標準》（GB50352-2019）3.1.2條中第3條規(guī)定建筑高度大于100m的民用建筑為超高層建筑[1]。超高層建筑存在樓層數(shù)多，具有多種用途，內部電氣設備多，較容易造成火災。其火災特點：火災負荷大，人員疏散困難，火災救援難度大，火災蔓延迅速，因此超高層建筑的消防系統(tǒng)顯得尤為重要。

2 超高層建筑與一般高層建筑消防給水系統(tǒng)的比較

就消防的基本措施而言，超高層建筑與普通建筑均需設置消火栓和自噴系統(tǒng)，但具體的消防給水系統(tǒng)還要視建筑性質（如建筑高度、是否有大空間等）和建筑類型（如建筑具體的功能）而定。總體來說，消防給水系統(tǒng)的主要區(qū)別如下：

普通高層建筑通常因高度不是很高，為達到消防給水分區(qū)的要求，因此采用一泵到頂?shù)南澜o水形式；超高層建筑因高度較高，消防給水系統(tǒng)通常需要分區(qū)，常采用垂直串聯(lián)消防給水的形式。根據(jù)《民用建筑水滅火系統(tǒng)設計規(guī)程》（DGJ08-94-2007）6.1.8條規(guī)定：當建筑高度大于120m時，消防給水豎向分區(qū)宜采用多臺消防泵直接串聯(lián)或設中間水箱轉輸?shù)拇?lián)消防泵給水系統(tǒng)[2]。

普通高層建筑因其高度在消防車供水能力范圍內，因此可以通過消防車接水泵接合器供水滅火，而超高層建筑高度超過100m，一般舉高消防車云梯升高為50m，個別可達80m，因此高區(qū)消防系統(tǒng)已超過消防車供水能力范圍，根據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范》（GB50974-2014）（后文簡稱消水規(guī)）中5.4.6條規(guī)定，超高層建筑在消防車供水能力（高度）范圍內的區(qū)域，應在室外對各分區(qū)分別設置水泵接合器，超過消防車供水能力（高度）范圍的區(qū)域，應在設置將吸水和加壓接口設置于方便操作的地方，如避難層或設備層，該吸水和加壓接口用以共給抬泵或移動泵接力供水。

3 超高層建筑消防分區(qū)供水形式與控制原理

超限高層建筑的分區(qū)應根據(jù)系統(tǒng)壓力、建筑用途功能和特征、水源條件、重要性、技術經(jīng)濟性和安全可靠性等綜合因素確定[4]。根據(jù)現(xiàn)行消水規(guī)6.2.1條的規(guī)定，消防給水系統(tǒng)當滿足以下任意一個條件時需要分區(qū)供水，即當系統(tǒng)工作壓力大于2.40MPa、消火栓栓口處靜壓大于1.0MPa、自動水滅火系統(tǒng)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[5]。超高層建筑消防分區(qū)供水形式大體可分為三種：并聯(lián)加壓供水方式、串聯(lián)加壓供水方式、以及高位水池重力供水方式。

3.1 并聯(lián)加壓供水方式

并聯(lián)加壓供水方式又稱一泵到頂供水方式，該供水方式是在地下室設置消防水池與分區(qū)消防水泵，各分區(qū)消防水泵的供水壓力滿足該區(qū)樓層的供水要求；通過減壓閥來實現(xiàn)對于消防系統(tǒng)的分區(qū)，各區(qū)在屋面層及中間設備層分別設置高位消防水箱及穩(wěn)壓泵。該系統(tǒng)設計計算較易，控制系統(tǒng)較簡單，但占地面積大，水泵臺數(shù)較多，加大了設備維修和管理的工作量，高區(qū)水泵工作壓力高，用電負荷較大，投資也較大[6]。因此，該系統(tǒng)適用于建筑高度小于120m的建筑。

3.2 串聯(lián)加壓供水方式

串聯(lián)加壓供水方式又可分為水泵直接串聯(lián)系統(tǒng)和消防水泵、轉輸水箱串聯(lián)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在地下室設置消防水池與轉輸泵，中間樓層（設備層）設置轉輸水箱與消防泵。串聯(lián)加壓供水方式經(jīng)濟性較高，安全可靠性相對較差，適用于建筑高度120m～200m高度的建筑。

3.2.1 水泵直接串聯(lián)系統(tǒng)

對于多臺消防泵直接串聯(lián)的供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)地下部分設置有低區(qū)消防給水泵和消防水池，低區(qū)消防給水泵從消防水池吸水，同時低區(qū)消防給水泵可以兼做高區(qū)的轉輸泵；系統(tǒng)中間避難層或設備層內設置有低區(qū)穩(wěn)壓水箱及穩(wěn)壓消防設備以及高區(qū)消防給水泵，高區(qū)消防給水泵從低區(qū)消防給水泵上接力供水；系統(tǒng)屋頂設置高區(qū)消防水箱及穩(wěn)壓消防設備。消防水泵直接串聯(lián)的消防給水系統(tǒng)控制的原理是：流量開關或壓力開關信號，轉輸泵由下至上依次啟動，供水泵后啟動。該系統(tǒng)的優(yōu)點是可以減小設備層占地面積，缺點是低區(qū)設備、閥門及管道在某些特殊情況下可能遭到損壞，如高區(qū)消防泵后設置有止回閥，當該止回閥出現(xiàn)問題時，高區(qū)的壓力會傳導至低區(qū)消防系統(tǒng)，從而造成損壞。同時該系統(tǒng)水泵的聯(lián)動控制要求高，水壓不穩(wěn)定，初期水量較小或者測試時容易超壓。

采用該系統(tǒng)的建筑消防泵、轉輸泵宜按系統(tǒng)分開設置，所有消防泵、轉輸泵需要同時供電，應單獨配置消火栓系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)等的消防給水泵，不應合用，上下級消防泵應自上而下聯(lián)鎖啟動，即轉輸泵先啟動，再聯(lián)鎖啟動上部供水泵，兩個泵啟動的時間間隔不應大于20s；該系統(tǒng)聯(lián)動控制調試較困難，串聯(lián)級數(shù)不宜超過2級，否則很難調試成功，建議僅用于120m～200m高度的建筑。

3.2.2 消防水泵、轉輸水箱串聯(lián)系統(tǒng)

設中間水箱的串聯(lián)消防泵給水系統(tǒng)。在地下部分設置消防水池、低區(qū)消防泵、高區(qū)轉輸泵，在中間的避難層內設置轉輸水箱、高區(qū)消防泵，屋頂設置屋頂消防水箱及穩(wěn)壓消防設備[7]。

對于消防水泵、轉輸水箱串聯(lián)系統(tǒng)，消水規(guī)中有如下規(guī)定：

采用消防轉輸泵串聯(lián)分區(qū)供水時，宜采用消防水泵轉輸水箱串聯(lián)供水方式，并應復核下列規(guī)定：1、當采用消防轉輸泵串聯(lián)分區(qū)供水時，轉輸水箱的有效儲水容積不應小于60m3，轉輸水箱可座位高位消防水箱。2、串聯(lián)轉輸水箱的溢流管宜連接到消防水池。3、當采用消防水泵直接串聯(lián)時，應采取確保供水可靠性的措施，且消防水泵從低區(qū)到高區(qū)應能依次順序啟動[5]。

該系統(tǒng)各區(qū)消防用水依靠轉輸泵轉輸?shù)椒謪^(qū)轉輸水箱，轉輸泵一旦開啟需要手動關閉。一般轉輸泵按消防系統(tǒng)分開設置。分區(qū)內各類消防系統(tǒng)所需流量、壓力由分區(qū)消防泵供水。轉輸泵需要同時供電，消防泵至少需要相鄰兩區(qū)同時供電；有消防信號時，消防泵先開，轉輸泵由上至下逐級開啟；消防控制柜或控制盤應設專用線路直接啟動消防泵、轉輸泵。相較于水泵直接串聯(lián)的消防給水方式而言，因為設置中間轉輸水箱，當高區(qū)消防水泵后設置的止回閥出現(xiàn)問題時，高區(qū)的消防壓力會在轉輸水箱處被消納，不會傳至低區(qū)，進而對低區(qū)設備、閥門及管道造成損害，但該系統(tǒng)在設備層設置了中間轉輸水箱，因此占地面積相對較大。現(xiàn)實應用中由于水泵直接串聯(lián)系統(tǒng)引起的超壓問題，很難精準掌控，水泵串聯(lián)級數(shù)不宜超過2級，因此，提倡使用轉輸水箱轉輸再由水泵提升的間接串聯(lián)給水方式。

高區(qū)轉輸泵有兩種信號源的聯(lián)鎖方式，一種是高區(qū)消防泵直接聯(lián)鎖高區(qū)轉輸泵，該種方式在平時消防檢測或消防水量較低的情況下，高區(qū)轉輸泵均可聯(lián)鎖啟動，系統(tǒng)具有較好的運行連貫性。不過當轉輸水量大于實際消防末端出水量的情況發(fā)生時（如消防水量較小或定期消防檢查時），轉輸水箱會出現(xiàn)大量消防水溢流出水箱，而此時如果溢流管設計沒有預留充足的的尺寸時，轉輸泵房中設備運行的安全性將收到影響。

第二種方式中低區(qū)轉輸泵的啟動不由高區(qū)消防供水泵聯(lián)動，低區(qū)轉輸泵的啟動是由轉輸水箱的水位變化發(fā)出的信號而聯(lián)鎖啟動。此方式當高區(qū)存在較小的消防水量或者平時消防檢測時將不再有消防水溢出，可彌補第一種方式的缺點，但出于對轉輸泵房水泵安全運行的考慮（無論水箱補水采取生活給水補水或是高區(qū)轉輸泵補水方式），仍需要考慮預留大尺寸的溢流管，以滿足溢流管溢流能力大于消防轉輸水量的要求。

在平時消防檢測時，高區(qū)轉輸泵反應時間較長。因轉輸泵功率均較大，因此為避免水泵啟動時對用電負荷產(chǎn)生較大沖擊，電氣控制均采用軟啟動模式，單次啟動時間約1、2分鐘，高區(qū)消防水量較小時會導致轉輸泵頻繁啟停，對水泵電機造成損害，因此采用這種聯(lián)鎖方式需要控制轉輸泵啟停的水位間留有足夠的調蓄容積。需要注意的是，如果轉輸水箱的補水管從水泵的轉輸管上直接接出使用時，運行時會造成轉輸水泵的自動停泵，因此轉輸水箱的自動補水管應單獨設置。

3.3 高位水池重力供水方式

超高層建筑在城市建設中的扮演著重要的角色，考慮到目前我國消防車供水高度的局限性，許多超高層建筑通常采用高位水池重力供水系統(tǒng)，這種系統(tǒng)立足于火災時自救，相較于之前兩種臨時高壓給水系統(tǒng)而言更加安全可靠。高位水池重力供水系統(tǒng)在火災時，地下消防水池與高位消防水池雙向供水，無論是否發(fā)生火災，該系統(tǒng)均可以保證消防系統(tǒng)處于工作壓力的狀態(tài)，因此更加安全、可靠。

最高處設置的是滿足一次全部消防用水量的消防水池，而消防水泵轉輸水箱串聯(lián)系統(tǒng)最高處只是按照消水規(guī)設置的滿足初期火災消防水量的高位消防水箱，而這兩個系統(tǒng)都含有地下消防水池、轉輸泵、轉輸水箱，同時，由這兩個系統(tǒng)也可以看出，高位水池重力供水系統(tǒng)，除最高區(qū)采用高區(qū)消防水泵供水的臨時高壓系統(tǒng)，下面的分區(qū)都是由消防水池、消防水池與減壓閥聯(lián)合作用，或消防水池、減壓閥與減壓水箱聯(lián)合供水的常高壓系統(tǒng)，而消防水泵轉輸水箱串聯(lián)系統(tǒng)整個系統(tǒng)都是通過消防泵供水的臨時高壓系統(tǒng)，由此可以看出，高位重力消防水池系統(tǒng)更為安全可靠，但該系統(tǒng)也有一定的缺點，水泵及閥門的聯(lián)鎖控制較復雜，需要占用較大的設備層面積，高位消防水池不同于高位消防水箱，其有效容積儲存一次全部消防用水量，因此相應的結構荷載較大，系統(tǒng)投資高。

在一定意義上來講，高位消防水池重力供水時消防水泵、轉輸水箱串聯(lián)系統(tǒng)的一個加強模式。根據(jù)轉輸水箱與減壓水箱是否分別設置，又可以分為轉輸與減壓水箱合用系統(tǒng)，轉輸與減壓水箱分開系統(tǒng)。減壓、轉輸水箱分用的高位水池重力供水系統(tǒng)。它單獨設置了減壓水箱，導致機房面積的增加，但是其更為清晰明了的控制邏輯，是很多項目采用該方式的重要原因。

4 高低區(qū)臨界樓層消防供水問題

超高層建筑又細分為高度超過250m的超高層建筑以及250m以下的超高層建筑。超高層建筑高度超過250m的超高層建筑，建筑高低區(qū)臨界樓層與其他樓層之間的消防供水并不存在差異，因為規(guī)范規(guī)定，當超高層建筑高度超過250m時必須采用地下消防水池與高位消防水池聯(lián)合供水的雙向供水方式，這種方式可以保證火災發(fā)生時，地下消防水池、高位消防水池與轉輸泵等聯(lián)合供水可滿足建筑任意部位的消防用水量。

對于250m以下的超高層建筑而言，須考慮高、低區(qū)臨界層發(fā)生火災時，高、低區(qū)消火栓加壓泵、自噴加壓泵、消防轉輸泵等同時投入滅火的可能性，消防電力負荷及備用電源的設計也須與之相對應[8]。

對于消火栓系統(tǒng)而言，常規(guī)設計思路只考慮一處發(fā)生火災的可能性，因此當?shù)蛥^(qū)正常樓層發(fā)生火災時，啟動低區(qū)消火栓加壓泵（由低區(qū)對應的高位消防水箱出水管上消火栓的流量開關或低區(qū)消火栓加壓泵上壓力開關聯(lián)鎖啟動），當高區(qū)正常樓層發(fā)生火災時，啟動高區(qū)消火栓加壓泵（聯(lián)鎖啟動信號來自高區(qū)的高位消防水箱出水管上消火栓對應的流量開關，或高區(qū)消火栓加壓泵上的壓力開關），以及高區(qū)的消火栓轉輸泵。但臨界樓層發(fā)生火災時可能存在跨區(qū)借用消火栓的可能，當這種情況發(fā)生時，會出現(xiàn)高、低區(qū)消火栓加壓泵以及高區(qū)消火栓轉輸泵（串聯(lián)系統(tǒng)）或高、低區(qū)消火栓加壓泵（并聯(lián)系統(tǒng)）同時工作的工況，進而造成電力負荷過大，嚴重時會引起總開關跳閘，影響整棟大樓的消防救援工作。

對于自噴系統(tǒng)的常規(guī)設計同樣是按照一處發(fā)生火災的可能考慮，并不考慮上下層同時開啟噴淋的情況，常規(guī)工況下，當?shù)蛥^(qū)正常樓層發(fā)生火災時，啟動低區(qū)自噴加壓泵（聯(lián)鎖啟動信號來自低區(qū)的高位消防水箱出水管上自噴對應的流量開關，火災發(fā)生時樓層的水流指示器信號，所對應的濕式報警閥處的壓力開關或低區(qū)自噴加壓泵上的壓力開關），當高區(qū)正常樓層發(fā)生火災時，啟動高區(qū)消火栓加壓泵（聯(lián)鎖啟動信號來自高區(qū)的高位消防水箱出水管上自噴對應的流量開關，火災發(fā)生時樓層的水流指示器信號，所對應的濕式報警閥處的壓力開關或高區(qū)自噴加壓泵上的壓力開關），以及高區(qū)的自噴轉輸泵。但當?shù)蛥^(qū)最不利樓層發(fā)生火災時，由于噴頭未全部投入滅火、窗口可燃物的存在等因素，容易造成上下層“串火”的問題，從而導致高區(qū)最低樓層發(fā)生火災，此時高、低區(qū)自噴加壓泵以及高區(qū)自噴轉輸泵（串聯(lián)系統(tǒng)）或高、低區(qū)自噴加壓泵（并聯(lián)系統(tǒng)）將同時工作，同樣造成電力負荷過大。

需要注意的是，在不設置轉輸水箱的串聯(lián)供水系統(tǒng)中，當高區(qū)消火栓加壓泵從低區(qū)加壓管網(wǎng)直接吸水，而不單獨設置轉輸泵時，將不存在臨界樓層消防的潛在風險。

對于臨界樓層消防給水的問題，可以通過增加消火栓及自噴系統(tǒng)的電力負荷供應來解決，還可以根據(jù)項目的具體情況，在臨界樓層設置電動閥控制系統(tǒng)、增設消防環(huán)管的方式來加以解決[8]。

5 結語

超高層建筑發(fā)生火災時將面臨蔓延快、疏散難、供水難、登高難等問題，工程之處做好消防給水系統(tǒng)的設計，可確保后期無因設計缺陷導致的消防事故的發(fā)生。設計單位需要根據(jù)實際工程了解消防給排水設計的相關內容及要求，結合常見問題，合理選取消防給水系統(tǒng)，切實提升超高層建筑消防給水設計的安全性和高效性，為人民生命財產(chǎn)安全提供可靠保障。