●張建平

(黔東南州消防支隊，貴州凱里 556000)

0 引言

在超高層建筑設計中，消防給水設計是一個極為重要的環(huán)節(jié)。近年來，由于經(jīng)濟的快速發(fā)展和經(jīng)濟總量的提升，超高層建筑越來越多，因此對于消防給水設計的要求也越來越高。對于超高層建筑而言，其特征是高度更大，建筑整體的功能也更復雜，對消防給水系統(tǒng)的設計就造成了更多的困難，比如管道壓力更大，系統(tǒng)控制復雜，管路復雜且多分區(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計人員關注的焦點。為了解決這些問題，設計人員采用了多種措施，如加設安全閥、使用多個小流量泵而非單個的大流量泵等等。但筆者認為，在超高層建筑中采用高位水箱的供水方式應該更好?；谶@一觀點，本文將依據(jù)某一高層建筑的消防給水設計作相應的闡述。

1 穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)設計實例探究

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幢為例進行說明。D幢塔樓共有35層，高度為119．8 m。若依照層數(shù)進行功能區(qū)域的劃分，則第一層至第六層是商場，七至三十一層是寫字樓(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，該建筑的設計按照二期考慮，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)設計方案

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《高層民用建筑設計防火規(guī)范》(GB 50045-95，2005 年版，以下簡稱《高規(guī)》)進行說明。［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不同建筑的適應性標準。根據(jù)標準要求，當高層建筑的建筑高度不超過100 m時，根據(jù)水力計算得出的水柱不應小于10 m;而當建筑高度超過100 m時，水柱不應小于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、消防卷盤一套、DN65膠管一套、ф19槍一支、DN65消火栓接口一個。按照壓力公式計算:

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)公式計算，各供水區(qū)最不利點的消火栓口壓力Hd可以達到22 m水柱。

此外，《高規(guī)》第7．4．6．5條中對于消火栓的出水壓力也做了相應的規(guī)定:消火栓口的靜壓力超過0．5 MPa時，消火栓處應當設置相應的減壓裝置;當壓力超出1．0 MPa時，應當采取分區(qū)給水的方案。根據(jù)以上條件，本工程的消防給水系統(tǒng)應當采用分區(qū)給水的設計思路。經(jīng)過多方對比和研究計算，確定了采用高位水箱供水的方案，結(jié)合減壓閥，實現(xiàn)分區(qū)供水。

該系統(tǒng)共分為4個區(qū)。根據(jù)使用要求，第一區(qū)設計了獨立的消防系統(tǒng)，該區(qū)的水箱設置在七層，以便充分利用裙樓頂部的空間。通過位于裙樓天面處所設計的一套穩(wěn)壓裝置，保證整個系統(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。當發(fā)生火情時，由于水槍啟用，系統(tǒng)壓力會降低，此時消火栓泵啟動，地下水池的水被抽取上來進行供水。通過系統(tǒng)壓力監(jiān)視，或者通過按下消火栓按鈕(或者通過消防控制中心)啟動消火栓泵。

第二區(qū)的水箱位于屋頂，經(jīng)過減壓閥進行供水。該區(qū)的設計對避難層進行了一定的利用，將減壓閥設置在避難層中，并且沒有設置減壓水箱。這樣不僅有利于維護和管理，也增加了建筑的有效使用面積。本設計中，消火栓出口的設計水壓為0．5 MPa，當壓力過大時，設置的減壓孔板可以降低壓力。

第三區(qū)通過設計在屋頂?shù)母呶凰溥M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)公式計算水箱和最不利消火栓的垂直距離，假設管道阻力導致的總水壓損失小于3 m水柱，經(jīng)過計算得出H為25 m。

當二區(qū)或者三區(qū)發(fā)生火災的時候，高位水箱可以支持最初10 min的消防用水，同時地下貯水池的存水也經(jīng)過水泵拉升至高位水箱。10 min后，所使用的水來自地下貯水池。通過消防控制室，或者消火栓按鈕，啟動專用的消防泵進行供水。

第四區(qū)采用了增壓給水的系統(tǒng)設計思路，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)合的方式進行消防用水的調(diào)配。當發(fā)生火情時，系統(tǒng)壓力變化將會啟動位于屋頂?shù)南辣?，抽取并供?同時，底下的消防泵也將會同時啟動向高位水箱輸水。該區(qū)的給水系統(tǒng)是自動滅火系統(tǒng)與消火栓共用，將消火栓的供水與自動噴水滅火系統(tǒng)的供水分開，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 自動噴水滅火系統(tǒng)與豎向分區(qū)

根據(jù)《高規(guī)》中的相關規(guī)定，對于高層建筑，當其建筑高度在100 m以上時，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，都應當設置自動噴水滅火系統(tǒng)。本案中依照規(guī)定進行了自動噴水滅火系統(tǒng)的設置。［2］

依照相關要求，一區(qū)包含了地下室、第一至第六層的樓層和裙樓部分，這里設置了一級自動滅火系統(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，這套裝置是自動滅火系統(tǒng)與消火栓共用)。當出現(xiàn)火情，系統(tǒng)壓力的改變將會啟動自動控制的水泵，或者由控制中心手動啟動。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，其它幾個區(qū)域的自動滅火系統(tǒng)水泵，對于管道系統(tǒng)是一個很有效的簡化措施，便于維護和控制，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)合共用水箱的設計，屋頂?shù)母呶凰渫瑫r具備了兩方面的作用。基于立足自救、預防為主的原則，為了能夠充分發(fā)揮自動滅火系統(tǒng)的功用及時控制火災，將確保供水系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行作為設計的基本要求。屋頂水箱儲存了足以供應自動滅火系統(tǒng)運行1 h的用量(約180 m3)，和預留的10 min消火栓用水(約24 m3)。該水箱的設計容積在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)，消防泵將會啟動并將蓄水池的水提升到水箱以保障消防系統(tǒng)的順利運行。

2 穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)應用問題探究

2．1 臨時高壓和穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的比較

2．1．1 在消防泵啟動之前，臨時高壓消防給水系統(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)，在準工作狀態(tài)，穩(wěn)壓泵將起到臨時保障水壓的作用，并在最初的短時間內(nèi)(本案中為30 s)保障供水需求。隨后在滅火過程的主要階段，都是啟用專用的消防泵來滿足系統(tǒng)整體的用水需求。為了滿足最初的供水需求，需要設置一定容積的消防穩(wěn)壓罐。通過計算，得到消防穩(wěn)壓罐的容積要求，見表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消防泵進行控制，能夠及時、快速地供水，在火災初期盡量做到對火情的控制;而臨時高壓消防給水系統(tǒng)則需要手動進行控制。在這兩種系統(tǒng)中，對于消防穩(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，其管網(wǎng)的施工條件和對管材的要求都比較苛刻，同時持續(xù)的高壓會導致更多的管網(wǎng)故障和泄漏，增加運行和維護成本［3］。兩種系統(tǒng)的效果對比情況見表3。

表3 兩種消防給水系統(tǒng)的效果對比

2．2 穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的設計優(yōu)化

2．2．1 穩(wěn)壓泵揚程和流量的確定

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

對于穩(wěn)高壓系統(tǒng)而言，流量也是一個非常重要的參數(shù)。管網(wǎng)一般都具備一個漏失水量，穩(wěn)壓泵的流量應當超過這個數(shù)值，這個數(shù)值與整個系統(tǒng)的靈敏度和經(jīng)濟性能密切相關。如果規(guī)定了一個較小的設計流量，穩(wěn)壓泵將會很難維持管網(wǎng)在固定的壓力，也更易因滲漏而觸發(fā)報警，提升誤報的幾率;而過大的設計流量則會增加系統(tǒng)的投入和日常的例行維護費用，且在火災初期難以做到及時的反應［4］。本案中在設計時考慮到了長期的需求，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 控制柜的設置方式及穩(wěn)壓泵取壓點設置

本例中，在系統(tǒng)試運行階段，曾經(jīng)發(fā)生過頻繁的穩(wěn)壓泵啟動問題，每3 min穩(wěn)壓泵自動啟動一次，并運行僅1 min。分析發(fā)現(xiàn)，問題的原因在于控制柜的設置方式不對。當時控制柜以上下兩個點來控制泵的工作，并維持管網(wǎng)的壓力恒定。當由于局部滲漏導致壓力下降低于下限時，穩(wěn)壓泵將會啟動，對管網(wǎng)進行補水以維持壓力;當壓力過高，穩(wěn)壓泵則會自動停止。由于穩(wěn)壓泵的取壓點設置在穩(wěn)壓泵的出口管線上，不合理的設置導致穩(wěn)壓泵不斷啟動和運行，而系統(tǒng)則無法正常工作［5］。經(jīng)過研究，將穩(wěn)壓泵的取壓點移動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，并避免由于復雜化系統(tǒng)而導致的故障率提升，消防泵的出口電動閥沒有進行連鎖控制。而在火災發(fā)生時，又需要消防泵能夠快速開啟，因此消防泵出口閥采取了常開狀態(tài)的模式。

2．2．4 消防泵的啟動控制

消防泵房內(nèi)，保證24 h有值班人員，當發(fā)生火情的時候，由于消火栓或者消防水炮的用水，管網(wǎng)內(nèi)的壓力將會急速下降。偵測到這個現(xiàn)象的控制柜將會發(fā)出聲光進行提示，并自行啟動主泵。隨后消防人員到場，并觀察火災情況，決定是否增加消防相關設備的啟用量。因此，本案中將消防主泵直接掛接到控制柜，根據(jù)管網(wǎng)的壓力自動啟動;而第二臺消防泵則是根據(jù)現(xiàn)場情況來進行判斷，采用人工啟動。

2．3 穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)經(jīng)濟性能考量

超高層建筑消防給水系統(tǒng)采用高位水箱重力供水，同時對于水壓過高的部分采用高位水箱結(jié)合減壓閥進行分區(qū)供水。這樣一來，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)的壓力相對恒定，沒有超壓現(xiàn)象出現(xiàn)，與中間位置傳輸水箱比較，保證了更少的設備、更好的壓力、更簡單的系統(tǒng)和管路。同時，也能夠簡化系統(tǒng)控制，增加有效使用面積。另外，生活泵在消防泵不能運作的時候，也可以作為備用的消防泵，具備雙保險的作用，保障了供水系統(tǒng)的安全可靠和經(jīng)濟實用。

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

3 結(jié)語

本文通過對某高層建筑中穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)設計方案的闡述和對穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)諸如經(jīng)濟性、技術性等相關問題的分析，認為在超高層建筑中，穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的應用可以更好地解決高層建筑中消防給水系統(tǒng)存在的諸多問題，而且穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)比臨時高壓消防給水系統(tǒng)更具有可行性。當高層建筑的高度小于169 m時，穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)和實例所闡述的高位水箱的供水方式是比較經(jīng)濟合理的。穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)作為一種新的消防給水系統(tǒng)，在實際運用中，要求電源可靠、管理到位、電氣按雙電源設計。另外，在應用本系統(tǒng)的過程中，應設泄壓閥或設防超壓措施和消防值班室，以備不時之需。

隨著高層建筑越來越多，如何解決高層建筑消防給水系統(tǒng)設計中存在的問題成為一個越來越重要的課題，本文所提出的穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)能夠為設計人員解決問題提供一種可以選擇的途徑和改進方法，為高層建筑消防給水設計提供一種新的思路和解決方式。當然，運用穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)也可能會出現(xiàn)很多新的問題，這些問題需要在設計實踐中逐步解決和不斷完善。

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

［2］張智，張勤，郭士權，等．給排水工程專業(yè)畢業(yè)設計指南［M］．北京：中國水利水電出版社，2001．

［3］魏福森．高層建筑高位水箱設計研討［J］．重慶建筑大學學報，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．對高層建筑臨時高壓消防給水系統(tǒng)若干規(guī)定的探討［J］．工業(yè)安全與環(huán)保，2006，32(1)．