●張建平

(黔東南州消防支隊(duì)，貴州凱里 556000)

0 引言

在超高層建筑設(shè)計(jì)中，消防給水設(shè)計(jì)是一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)。近年來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)總量的提升，超高層建筑越來(lái)越多，因此對(duì)于消防給水設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高。對(duì)于超高層建筑而言，其特征是高度更大，建筑整體的功能也更復(fù)雜，對(duì)消防給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就造成了更多的困難，比如管道壓力更大，系統(tǒng)控制復(fù)雜，管路復(fù)雜且多分區(qū)，水泵可能出現(xiàn)超壓甚至管道破裂等，其中管道超壓一直是設(shè)計(jì)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。為了解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員采用了多種措施，如加設(shè)安全閥、使用多個(gè)小流量泵而非單個(gè)的大流量泵等等。但筆者認(rèn)為，在超高層建筑中采用高位水箱的供水方式應(yīng)該更好?；谶@一觀點(diǎn)，本文將依據(jù)某一高層建筑的消防給水設(shè)計(jì)作相應(yīng)的闡述。

1 穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例探究

1．1 工程概況

某高層建筑總建筑面積110 000 m2，其中分為多座塔樓，本文以D幢為例進(jìn)行說(shuō)明。D幢塔樓共有35層，高度為119．8 m。若依照層數(shù)進(jìn)行功能區(qū)域的劃分，則第一層至第六層是商場(chǎng)，七至三十一層是寫(xiě)字樓(其中第二十一層作為避難樓層)。由于資金壓力和業(yè)主的要求，該建筑的設(shè)計(jì)按照二期考慮，其中一期包含了地下室到六層;二期是余下的部分。

1．2 穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

高層建筑由于高度大，室外給水管網(wǎng)水壓不能滿足高壓部分消防管網(wǎng)給水系統(tǒng)的水壓要求，因此必須加壓，采用消火栓給水系統(tǒng)減壓給水方式。本部分援引《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50045-95，2005 年版，以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)進(jìn)行說(shuō)明。［1］

1．2．1 消火栓系統(tǒng)及豎向分區(qū)

《高規(guī)》第7．4．6．2條規(guī)定了消火栓的水量和針對(duì)不同建筑的適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)高層建筑的建筑高度不超過(guò)100 m時(shí)，根據(jù)水力計(jì)算得出的水柱不應(yīng)小于10 m;而當(dāng)建筑高度超過(guò)100 m時(shí)，水柱不應(yīng)小于13 m。本文中所涉及建筑，消火栓箱內(nèi)包含了消火栓按鈕一個(gè)、消防卷盤(pán)一套、DN65膠管一套、ф19槍一支、DN65消火栓接口一個(gè)。按照壓力公式計(jì)算:

式中，Hd為水帶阻力損失(m);Ad為水帶阻力系數(shù)，DN65水帶取0．004 30;Ld為水帶有效長(zhǎng)度(m);q為水槍噴嘴出流量(L·s-1);B為水槍水流特性系數(shù)，ф19 水槍取1．577。

根據(jù)公式計(jì)算，各供水區(qū)最不利點(diǎn)的消火栓口壓力Hd可以達(dá)到22 m水柱。

此外，《高規(guī)》第7．4．6．5條中對(duì)于消火栓的出水壓力也做了相應(yīng)的規(guī)定:消火栓口的靜壓力超過(guò)0．5 MPa時(shí)，消火栓處應(yīng)當(dāng)設(shè)置相應(yīng)的減壓裝置;當(dāng)壓力超出1．0 MPa時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取分區(qū)給水的方案。根據(jù)以上條件，本工程的消防給水系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)采用分區(qū)給水的設(shè)計(jì)思路。經(jīng)過(guò)多方對(duì)比和研究計(jì)算，確定了采用高位水箱供水的方案，結(jié)合減壓閥，實(shí)現(xiàn)分區(qū)供水。

該系統(tǒng)共分為4個(gè)區(qū)。根據(jù)使用要求，第一區(qū)設(shè)計(jì)了獨(dú)立的消防系統(tǒng)，該區(qū)的水箱設(shè)置在七層，以便充分利用裙樓頂部的空間。通過(guò)位于裙樓天面處所設(shè)計(jì)的一套穩(wěn)壓裝置，保證整個(gè)系統(tǒng)的壓力。這套穩(wěn)壓裝置的調(diào)節(jié)水量保證30 s內(nèi)滿足5個(gè)噴頭和2支水槍的用水需求，該區(qū)的水箱為消防和生活共用。當(dāng)發(fā)生火情時(shí)，由于水槍啟用，系統(tǒng)壓力會(huì)降低，此時(shí)消火栓泵啟動(dòng)，地下水池的水被抽取上來(lái)進(jìn)行供水。通過(guò)系統(tǒng)壓力監(jiān)視，或者通過(guò)按下消火栓按鈕(或者通過(guò)消防控制中心)啟動(dòng)消火栓泵。

第二區(qū)的水箱位于屋頂，經(jīng)過(guò)減壓閥進(jìn)行供水。該區(qū)的設(shè)計(jì)對(duì)避難層進(jìn)行了一定的利用，將減壓閥設(shè)置在避難層中，并且沒(méi)有設(shè)置減壓水箱。這樣不僅有利于維護(hù)和管理，也增加了建筑的有效使用面積。本設(shè)計(jì)中，消火栓出口的設(shè)計(jì)水壓為0．5 MPa，當(dāng)壓力過(guò)大時(shí)，設(shè)置的減壓孔板可以降低壓力。

第三區(qū)通過(guò)設(shè)計(jì)在屋頂?shù)母呶凰溥M(jìn)行供水。

式中，H是水箱和最不利消火栓的垂直距離(m);Hf是管道阻力損失(m);Hd是水帶阻力損失(m)。

根據(jù)公式計(jì)算水箱和最不利消火栓的垂直距離，假設(shè)管道阻力導(dǎo)致的總水壓損失小于3 m水柱，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出H為25 m。

當(dāng)二區(qū)或者三區(qū)發(fā)生火災(zāi)的時(shí)候，高位水箱可以支持最初10 min的消防用水，同時(shí)地下貯水池的存水也經(jīng)過(guò)水泵拉升至高位水箱。10 min后，所使用的水來(lái)自地下貯水池。通過(guò)消防控制室，或者消火栓按鈕，啟動(dòng)專用的消防泵進(jìn)行供水。

第四區(qū)采用了增壓給水的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，這是由于高位水箱的供水不足以滿足該區(qū)消火栓的水壓需求，因此采用消防主泵與氣壓罐結(jié)合的方式進(jìn)行消防用水的調(diào)配。當(dāng)發(fā)生火情時(shí)，系統(tǒng)壓力變化將會(huì)啟動(dòng)位于屋頂?shù)南辣?，抽取并供?同時(shí)，底下的消防泵也將會(huì)同時(shí)啟動(dòng)向高位水箱輸水。該區(qū)的給水系統(tǒng)是自動(dòng)滅火系統(tǒng)與消火栓共用，將消火栓的供水與自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的供水分開(kāi)，選用特性曲線平緩的水泵作為屋頂放置的消防主泵。

1．2．2 自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)與豎向分區(qū)

根據(jù)《高規(guī)》中的相關(guān)規(guī)定，對(duì)于高層建筑，當(dāng)其建筑高度在100 m以上時(shí)，除了其中面積小于5 m2的房間(如廁所或衛(wèi)生間等)和不宜用水部位之外，都應(yīng)當(dāng)設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)。本案中依照規(guī)定進(jìn)行了自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的設(shè)置。［2］

依照相關(guān)要求，一區(qū)包含了地下室、第一至第六層的樓層和裙樓部分，這里設(shè)置了一級(jí)自動(dòng)滅火系統(tǒng)，使用位于裙樓屋面的穩(wěn)壓裝置保證系統(tǒng)的壓力(如前所述，這套裝置是自動(dòng)滅火系統(tǒng)與消火栓共用)。當(dāng)出現(xiàn)火情，系統(tǒng)壓力的改變將會(huì)啟動(dòng)自動(dòng)控制的水泵，或者由控制中心手動(dòng)啟動(dòng)。位于第四區(qū)的增壓系統(tǒng)可以提供給滅火系統(tǒng)1 h的用水量，由此可以取消除第一區(qū)外，其它幾個(gè)區(qū)域的自動(dòng)滅火系統(tǒng)水泵，對(duì)于管道系統(tǒng)是一個(gè)很有效的簡(jiǎn)化措施，便于維護(hù)和控制，并能夠提供可靠的供水能力。

1．2．3 屋頂重力水箱的容積確定

本案中，采取了消防、生活結(jié)合共用水箱的設(shè)計(jì)，屋頂?shù)母呶凰渫瑫r(shí)具備了兩方面的作用?；诹⒆阕跃?、預(yù)防為主的原則，為了能夠充分發(fā)揮自動(dòng)滅火系統(tǒng)的功用及時(shí)控制火災(zāi)，將確保供水系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行作為設(shè)計(jì)的基本要求。屋頂水箱儲(chǔ)存了足以供應(yīng)自動(dòng)滅火系統(tǒng)運(yùn)行1 h的用量(約180 m3)，和預(yù)留的10 min消火栓用水(約24 m3)。該水箱的設(shè)計(jì)容積在220 m3，在消防用水占去固定的132 m3后，仍有88 m3的生活用水余量。為了保證可靠的消防供水能力，生活用水的水管高出消防用水所需的最低保障水位。在發(fā)生火情的最初10 min內(nèi)，消防泵將會(huì)啟動(dòng)并將蓄水池的水提升到水箱以保障消防系統(tǒng)的順利運(yùn)行。

2 穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)應(yīng)用問(wèn)題探究

2．1 臨時(shí)高壓和穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的比較

2．1．1 在消防泵啟動(dòng)之前，臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)并不保障消防用水的流量和壓力。而穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)，在準(zhǔn)工作狀態(tài)，穩(wěn)壓泵將起到臨時(shí)保障水壓的作用，并在最初的短時(shí)間內(nèi)(本案中為30 s)保障供水需求。隨后在滅火過(guò)程的主要階段，都是啟用專用的消防泵來(lái)滿足系統(tǒng)整體的用水需求。為了滿足最初的供水需求，需要設(shè)置一定容積的消防穩(wěn)壓罐。通過(guò)計(jì)算，得到消防穩(wěn)壓罐的容積要求，見(jiàn)表1。

表1 消防穩(wěn)壓罐的容積要求

2．1．2 穩(wěn)高壓給水系統(tǒng)依靠管道壓力變化對(duì)消防泵進(jìn)行控制，能夠及時(shí)、快速地供水，在火災(zāi)初期盡量做到對(duì)火情的控制;而臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)則需要手動(dòng)進(jìn)行控制。在這兩種系統(tǒng)中，對(duì)于消防穩(wěn)壓泵的要求也不相同，不同系統(tǒng)中消防穩(wěn)壓泵的主要區(qū)別見(jiàn)表2。

表2 不同系統(tǒng)中消防穩(wěn)壓泵的主要區(qū)別

2．1．3 穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)也具有一定的缺點(diǎn)，其管網(wǎng)的施工條件和對(duì)管材的要求都比較苛刻，同時(shí)持續(xù)的高壓會(huì)導(dǎo)致更多的管網(wǎng)故障和泄漏，增加運(yùn)行和維護(hù)成本［3］。兩種系統(tǒng)的效果對(duì)比情況見(jiàn)表3。

表3 兩種消防給水系統(tǒng)的效果對(duì)比

2．2 穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

2．2．1 穩(wěn)壓泵揚(yáng)程和流量的確定

準(zhǔn)工作狀態(tài)時(shí)，穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的水壓依靠穩(wěn)壓泵進(jìn)行保障，其揚(yáng)程需要滿足最不利處的滅火設(shè)備所需的水壓。鑒于過(guò)高的壓力將會(huì)提升對(duì)施工的要求和對(duì)管網(wǎng)材質(zhì)的要求，也更容易導(dǎo)致泄漏和故障，容易加大維護(hù)成本，因此將穩(wěn)壓范圍確定在一個(gè)較低的水平上，本案中穩(wěn)壓值設(shè)定為0．7 MPa。

對(duì)于穩(wěn)高壓系統(tǒng)而言，流量也是一個(gè)非常重要的參數(shù)。管網(wǎng)一般都具備一個(gè)漏失水量，穩(wěn)壓泵的流量應(yīng)當(dāng)超過(guò)這個(gè)數(shù)值，這個(gè)數(shù)值與整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度和經(jīng)濟(jì)性能密切相關(guān)。如果規(guī)定了一個(gè)較小的設(shè)計(jì)流量，穩(wěn)壓泵將會(huì)很難維持管網(wǎng)在固定的壓力，也更易因滲漏而觸發(fā)報(bào)警，提升誤報(bào)的幾率;而過(guò)大的設(shè)計(jì)流量則會(huì)增加系統(tǒng)的投入和日常的例行維護(hù)費(fèi)用，且在火災(zāi)初期難以做到及時(shí)的反應(yīng)［4］。本案中在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了長(zhǎng)期的需求，將穩(wěn)壓泵的流量確定在50 m3·h-1，具備了充分的余量。

2．2．2 控制柜的設(shè)置方式及穩(wěn)壓泵取壓點(diǎn)設(shè)置

本例中，在系統(tǒng)試運(yùn)行階段，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)頻繁的穩(wěn)壓泵啟動(dòng)問(wèn)題，每3 min穩(wěn)壓泵自動(dòng)啟動(dòng)一次，并運(yùn)行僅1 min。分析發(fā)現(xiàn)，問(wèn)題的原因在于控制柜的設(shè)置方式不對(duì)。當(dāng)時(shí)控制柜以上下兩個(gè)點(diǎn)來(lái)控制泵的工作，并維持管網(wǎng)的壓力恒定。當(dāng)由于局部滲漏導(dǎo)致壓力下降低于下限時(shí)，穩(wěn)壓泵將會(huì)啟動(dòng)，對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)水以維持壓力;當(dāng)壓力過(guò)高，穩(wěn)壓泵則會(huì)自動(dòng)停止。由于穩(wěn)壓泵的取壓點(diǎn)設(shè)置在穩(wěn)壓泵的出口管線上，不合理的設(shè)置導(dǎo)致穩(wěn)壓泵不斷啟動(dòng)和運(yùn)行，而系統(tǒng)則無(wú)法正常工作［5］。經(jīng)過(guò)研究，將穩(wěn)壓泵的取壓點(diǎn)移動(dòng)到消防泵的主水管上，改變變頻調(diào)速恒壓控制，取消上下限并接壓力表，僅僅控制壓力在0．7 MPa±0．01 MPa，于是解決了問(wèn)題。

2．2．3 消防泵出口閥的控制

為節(jié)省投入，并避免由于復(fù)雜化系統(tǒng)而導(dǎo)致的故障率提升，消防泵的出口電動(dòng)閥沒(méi)有進(jìn)行連鎖控制。而在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，又需要消防泵能夠快速開(kāi)啟，因此消防泵出口閥采取了常開(kāi)狀態(tài)的模式。

2．2．4 消防泵的啟動(dòng)控制

消防泵房?jī)?nèi)，保證24 h有值班人員，當(dāng)發(fā)生火情的時(shí)候，由于消火栓或者消防水炮的用水，管網(wǎng)內(nèi)的壓力將會(huì)急速下降。偵測(cè)到這個(gè)現(xiàn)象的控制柜將會(huì)發(fā)出聲光進(jìn)行提示，并自行啟動(dòng)主泵。隨后消防人員到場(chǎng)，并觀察火災(zāi)情況，決定是否增加消防相關(guān)設(shè)備的啟用量。因此，本案中將消防主泵直接掛接到控制柜，根據(jù)管網(wǎng)的壓力自動(dòng)啟動(dòng);而第二臺(tái)消防泵則是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)進(jìn)行判斷，采用人工啟動(dòng)。

2．3 穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能考量

超高層建筑消防給水系統(tǒng)采用高位水箱重力供水，同時(shí)對(duì)于水壓過(guò)高的部分采用高位水箱結(jié)合減壓閥進(jìn)行分區(qū)供水。這樣一來(lái)，與并聯(lián)系統(tǒng)比較，該系統(tǒng)承受的壓力明顯降低，且各供水區(qū)的壓力相對(duì)恒定，沒(méi)有超壓現(xiàn)象出現(xiàn)，與中間位置傳輸水箱比較，保證了更少的設(shè)備、更好的壓力、更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)和管路。同時(shí)，也能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)控制，增加有效使用面積。另外，生活泵在消防泵不能運(yùn)作的時(shí)候，也可以作為備用的消防泵，具備雙保險(xiǎn)的作用，保障了供水系統(tǒng)的安全可靠和經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

綜上所述，當(dāng)高層建筑的高度小于169 m的時(shí)候，本文中所提到的供水方案是比較經(jīng)濟(jì)合理的［6］。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某高層建筑中穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的闡述和對(duì)穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)諸如經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性等相關(guān)問(wèn)題的分析，認(rèn)為在超高層建筑中，穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的應(yīng)用可以更好地解決高層建筑中消防給水系統(tǒng)存在的諸多問(wèn)題，而且穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)比臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)更具有可行性。當(dāng)高層建筑的高度小于169 m時(shí)，穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)和實(shí)例所闡述的高位水箱的供水方式是比較經(jīng)濟(jì)合理的。穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)作為一種新的消防給水系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)用中，要求電源可靠、管理到位、電氣按雙電源設(shè)計(jì)。另外，在應(yīng)用本系統(tǒng)的過(guò)程中，應(yīng)設(shè)泄壓閥或設(shè)防超壓措施和消防值班室，以備不時(shí)之需。

隨著高層建筑越來(lái)越多，如何解決高層建筑消防給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題成為一個(gè)越來(lái)越重要的課題，本文所提出的穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員解決問(wèn)題提供一種可以選擇的途徑和改進(jìn)方法，為高層建筑消防給水設(shè)計(jì)提供一種新的思路和解決方式。當(dāng)然，運(yùn)用穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)也可能會(huì)出現(xiàn)很多新的問(wèn)題，這些問(wèn)題需要在設(shè)計(jì)實(shí)踐中逐步解決和不斷完善。

［1］GB 50045-95，高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(2005年版)［S］．

［2］張智，張勤，郭士權(quán)，等．給排水工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)指南［M］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2001．

［3］魏福森．高層建筑高位水箱設(shè)計(jì)研討［J］．重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，1988，20(5)．

［4］陶觀楚，曾杰魏．穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的探討與應(yīng)用［J］．工業(yè)用水與廢水，1997，(4)．

［5］范文良，張群英，李曉將．淺談高層建筑穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)［J］．山西建筑，2007，33(31)．

［6］劉偉明．對(duì)高層建筑臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)若干規(guī)定的探討［J］．工業(yè)安全與環(huán)保，2006，32(1)．