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        某大科學(xué)設(shè)施實(shí)驗(yàn)中心給排水設(shè)計(jì)特點(diǎn)剖析

        2020-12-25 09:31:02賀鳳云
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2020年23期
        關(guān)鍵詞:工藝設(shè)備振動臺消火栓

        賀鳳云

        (中國中元國際工程有限公司,北京100089)

        1 引言

        大科學(xué)設(shè)施項(xiàng)目具有前沿性及對新事物新規(guī)律變化不斷的探索性。在大科學(xué)設(shè)施實(shí)驗(yàn)中心的設(shè)計(jì)過程中,一是要了解科研性質(zhì)、試驗(yàn)需求及操作運(yùn)行狀況;二是要根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范,靈活應(yīng)用成熟的專業(yè)技術(shù),必要的情況下還需對專業(yè)的常規(guī)做法進(jìn)行挖掘突破。

        本文以某大型地震工程模擬研究設(shè)施實(shí)驗(yàn)中心為例,對給排水、消防設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行剖析。

        2 工程概況

        某大型地震工程模擬研究設(shè)施為國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之一,在其專業(yè)領(lǐng)域擁有目前世界最先進(jìn)的地震工程模擬研究振動臺實(shí)驗(yàn)裝置,通過開展系列試驗(yàn)研究,揭示復(fù)雜巖土介質(zhì)與水動力環(huán)境中重大土木、水利和海洋工程地震破壞機(jī)理,提出安全控制措施,為防災(zāi)減災(zāi)和地震災(zāi)害綜合防范提供重要支撐。

        建設(shè)內(nèi)容包括:實(shí)驗(yàn)中心、仿真中心、室外工程。大型地震工程模擬研究設(shè)施外觀效果如圖1所示(項(xiàng)目位于天津)。

        實(shí)驗(yàn)中心地上為單層廠房,地下3層,局部2層,貼建輔房2層??偨ㄖ娣e約為5.46×104m2,其中,地上建筑面積為2.86×104m2,地下建筑面積為2.60×104m2。主體建筑高度36.90m。鋼排架/鋼框架/鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。功能分區(qū)見圖2所示。

        3 給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

        水下振動臺區(qū)域有1座造波、造流蓄水池,從地下3層至±0.00m平面,蓄水量容積約5×104m3。通過萬噸水量模擬“驚濤駭浪”沖(撞、拍)擊結(jié)構(gòu)模型,測得試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立數(shù)學(xué)模型,獲取科研成果。如此體量大的蓄水不僅起試驗(yàn)介質(zhì)的角色,還用于大型振動臺工藝設(shè)備循環(huán)冷卻水,同時(shí)具有結(jié)構(gòu)抗浮作用,所以,不論是為了節(jié)約用水,還是附屬的結(jié)構(gòu)抗浮功能需求,這池水都不可避免地儲存在地下水庫中重復(fù)利用。試驗(yàn)水池位于室內(nèi),每次大型振動臺試驗(yàn)后的工藝循環(huán)冷卻水,經(jīng)計(jì)算水溫最多提高1~2℃,再通過水下振動臺試驗(yàn),水溫可保持常溫。水下振動臺每年試驗(yàn)次數(shù)約10次,在試驗(yàn)過程中難免帶入浮沉雜質(zhì)、銹蝕、油污等,水體會被輕度污染。故此儲水需水質(zhì)凈化,以保證試驗(yàn)用水水質(zhì)。本工程擬采用砂濾+活性炭吸附+除油裝置工藝,設(shè)計(jì)能力200m3/h,水質(zhì)凈化周期暫定為15d。補(bǔ)水量暫按100m3/d考慮,水質(zhì)為自來水。

        圖1 大型地震工程模擬研究設(shè)施外觀效果圖

        圖2 實(shí)驗(yàn)中心功能分區(qū)示意圖

        4 屋面雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)流態(tài)的確定

        實(shí)驗(yàn)中心廠房采用輕型彩鋼板屋面,總匯水面積約為1.8×104m2,按照建筑屋面坡度方向,最大匯水面積單元約為5 000m2,根據(jù)GB 50015—2019《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,工業(yè)廠房大型屋面雨水排水系統(tǒng)宜按滿管壓力流設(shè)計(jì),以減少雨水懸吊管及落水管的數(shù)量【1,2】。設(shè)備廠家從屋面整體安裝匹配及材質(zhì)規(guī)格,也極力推薦虹吸(滿管壓力流)雨水系統(tǒng)。但基于實(shí)驗(yàn)中心屋頂設(shè)有大型吊車(500t/60t、60t/20t、20t/5t),根據(jù)以往大型工業(yè)廠房運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),長時(shí)間運(yùn)行其震動會將虹吸雨水系統(tǒng)的整體裝置破裂,漏水現(xiàn)象嚴(yán)重。同時(shí),考慮到振動臺試驗(yàn)震動的不確定性,存在安全隱患,故本設(shè)計(jì)采用重力流雨水排水系統(tǒng),落水管利用建筑外立面的裝飾柱包封。

        5 消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        5.1 工藝方案的演變及火災(zāi)危險(xiǎn)類別的定性

        前期方案階段,工藝儲油罐位于地下建筑內(nèi),液壓油閃點(diǎn)不低于200℃,屬于丙B類液體。大型振動臺地下2層工藝設(shè)備區(qū)主要包括50m3儲油罐4座,油泵房、油管、蓄能器等設(shè)備;水下振動臺地下3層工藝設(shè)備區(qū)主要包括50m3儲油罐1座,油泵房、油管、蓄能器等設(shè)備。消防方案擬采用水噴霧+防護(hù)冷卻自動滅火系統(tǒng)。甲方率隊(duì)去成都、上海、重慶、北京等相關(guān)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)研究所調(diào)研,有的實(shí)驗(yàn)室除了滅火器,沒有其他消防設(shè)施;有的設(shè)置了室內(nèi)消火栓;有的設(shè)置了室內(nèi)消火栓及自動噴水滅火系統(tǒng)。

        又經(jīng)過幾輪專家會評審,均認(rèn)為地下工程儲油量較大,發(fā)生火災(zāi)易引起爆炸,風(fēng)險(xiǎn)太大,建議儲油罐移出建筑物直埋室外地下,并與建筑物間距滿足防火規(guī)范要求。由于試驗(yàn)裝置的特殊要求,建筑防火分區(qū)、疏散距離、安全出口均突破規(guī)范,實(shí)驗(yàn)中心屬于民建還是廠房?其火災(zāi)危險(xiǎn)類別認(rèn)定的合理性、安全性、經(jīng)濟(jì)性沒有法規(guī)支持,消防方案的確定舉步艱難。最終召開建設(shè)工程消防設(shè)計(jì)咨詢(論證)會,形成建設(shè)工程消防設(shè)計(jì)咨詢(論證)會紀(jì)要(以下簡稱“紀(jì)要”)。

        根據(jù)《科研建筑設(shè)計(jì)規(guī)范(征求意見稿)》條文說明第5.2.10條,科研建筑雖不同于一般工業(yè)廠房,但在材料與構(gòu)造的耐火性能以及火災(zāi)的火勢形成、發(fā)展與擴(kuò)散等基本特性方面,兩者都基本一致。故“紀(jì)要”將實(shí)驗(yàn)中心歸類為工業(yè)廠房。振動臺基礎(chǔ)坑區(qū)域與地上有結(jié)構(gòu)連通,振動臺基礎(chǔ)坑區(qū)域試驗(yàn)過程中有含油裝置,生產(chǎn)的火災(zāi)危險(xiǎn)類別按丙類考慮,故此實(shí)驗(yàn)中心定性為丙類廠房。

        5.2 水消防方案的確定

        大型振動臺實(shí)驗(yàn)廠房跟水下振動臺實(shí)驗(yàn)廠房連通,建筑高度36.90m,建筑定性為單層丙類廠房;貼建輔房為地上2層,為民用建筑。

        地下工程的工藝設(shè)備區(qū)(油壓系統(tǒng)區(qū)域)采用閃點(diǎn)不低于200℃液壓油,實(shí)驗(yàn)次數(shù)每年約10次。工藝設(shè)備區(qū)試驗(yàn)時(shí)充油,平時(shí)無油(液壓油儲存在室外直埋油罐)。管路及油箱配置壓力報(bào)警裝置,保證油壓穩(wěn)定,油滲漏、溢出引起壓力值波動便會報(bào)警,緊急停機(jī)停止試驗(yàn)。管路及油箱配置油溫保護(hù)裝置,液壓油在工作溫度下不分解,最高溫度不超過63℃,溫度值異常停機(jī)停止試驗(yàn)。工藝設(shè)備自身采取智慧消防措施,并與消防控制中心聯(lián)動。大型振動臺基坑為密閉免維護(hù)工藝設(shè)備區(qū),不在本設(shè)計(jì)范圍。

        基于工藝設(shè)備區(qū)的設(shè)備運(yùn)行、檢測、監(jiān)測、控制、日常維護(hù)等狀況,認(rèn)為地下工程可燃物雖然為丙B類液壓油,但均在高壓設(shè)備及壓力管道內(nèi),高壓設(shè)備及壓力管道不得滲漏,否則試驗(yàn)不能進(jìn)行,因此可燃物與空氣難以相互接觸。液壓油工作溫度不高于63℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液壓油的燃點(diǎn)。所以,設(shè)備、管路內(nèi)的液壓油不具備燃燒條件,發(fā)生燃燒概率非常低。地下實(shí)驗(yàn)室除了工藝設(shè)備及管路內(nèi)的液壓油外,沒有其他可燃物。電氣專業(yè)采用感煙、感溫火災(zāi)探測器、線性光束感煙探測器等火災(zāi)報(bào)警裝置。除檢修人員能進(jìn)入地下實(shí)驗(yàn)室外,其他人員一律嚴(yán)禁入內(nèi)。故此地下實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)危險(xiǎn)性跟剛開始接觸項(xiàng)目時(shí)的認(rèn)識相差甚遠(yuǎn),再結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的調(diào)研情況,認(rèn)為本設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)中心使用功能出發(fā),既要為建筑物提供最合理的防火保護(hù),又可以最大限度地降低建筑成本。從概率風(fēng)險(xiǎn)分析法看,火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)為各種火災(zāi)發(fā)生的概率Pi與其火災(zāi)所造成的危害數(shù)值Ci的乘積,即火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)=∑PiCi,Pi值非常低,則地下室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性很低。故此確定以下水消防方案【3~5】。

        1)地上實(shí)驗(yàn)廠房,建筑定性為單層丙類廠房,設(shè)置室內(nèi)消火栓系統(tǒng)。

        2)地下工程,建筑定性為丙類廠房,設(shè)置室內(nèi)消火栓系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng),自動噴水滅火系統(tǒng)按中危險(xiǎn)級Ⅱ級考慮。

        3)貼建輔房,建筑定性為民建,設(shè)置室內(nèi)消火栓系統(tǒng)。2層有送回風(fēng)道(管)集中空調(diào)系統(tǒng),在2層設(shè)置自動噴水滅火系統(tǒng),按中危險(xiǎn)級Ⅰ級考慮。

        4)因水下振動臺中間實(shí)驗(yàn)水池跨度大(約75m),室內(nèi)消火栓又僅能設(shè)置在水池兩邊,消火栓布置間距不能滿足規(guī)范要求。考慮到實(shí)際運(yùn)行過程中,實(shí)驗(yàn)水池試驗(yàn)時(shí)充滿了水,沒有試驗(yàn)時(shí)會被放空,池內(nèi)無可燃物,不具備燃燒條件,故此消火栓設(shè)置間距按實(shí)際狀況布置。

        5)大型振動臺基坑為密閉免維護(hù)工藝設(shè)備區(qū),自帶智慧消防措施,不在本設(shè)計(jì)范圍。

        上述水消防方案,建設(shè)工程消防設(shè)計(jì)咨詢(論證)會原則同意。

        5.3 消防水量的確定

        本工程建筑功能復(fù)雜,根據(jù)火災(zāi)危險(xiǎn)等級、建筑規(guī)模,以及“紀(jì)要”、GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(2018年版)(以下簡稱“建規(guī)”)、GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱“水消規(guī)”)、GB 50084—2017《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱“噴規(guī)”),主要建筑消防用水量如表1所示。本工程最不利消防對象是地下建筑,一次消防用水量為972m3。市政給水可為本工程提供2路進(jìn)水,管徑、壓力均可提供室外消火栓消防系統(tǒng)的水量及水壓,所以,本工程室外消火栓消防系統(tǒng)利用市政給水壓力,采用低壓消防。室內(nèi)消防為臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)。

        表1 消防用水量

        6 設(shè)計(jì)中遇到的問題與建議

        6.1 專業(yè)間的配合需加強(qiáng)

        1)在消防論證中,給排水專業(yè)提供的方案,地上實(shí)驗(yàn)廠房及貼建輔房1層不需設(shè)自動滅火系統(tǒng),2層因有送回風(fēng)道(管)的集中空調(diào)系統(tǒng),設(shè)置自動噴水滅火系統(tǒng)。消防評審專家也認(rèn)可,認(rèn)為地上實(shí)驗(yàn)廠房本身是丁、戊類機(jī)加工廠房,因跟地下工程設(shè)備基坑連通,才提高了生產(chǎn)火災(zāi)危險(xiǎn)性級別,定為丙類廠房,根據(jù)“建規(guī)”,單層丙類廠房不需設(shè)自動滅火系統(tǒng)。貼建輔房1層不采暖,幾乎被變配電所等電氣用房占用,不宜用水滅火。不設(shè)自動滅火系統(tǒng),建筑防火分區(qū)面積亦滿足“建規(guī)”要求。但建筑專業(yè)遞交的消防論證文件中,陳述貼建輔房設(shè)自動噴水滅火系統(tǒng)比較籠統(tǒng),故此,施工圖設(shè)計(jì)審查中要求按照建筑專業(yè)的條文執(zhí)行,為此,水消防設(shè)計(jì)在位于1層輔房的零零散散工具間、衛(wèi)生間、走道補(bǔ)充預(yù)作用自動噴水系統(tǒng)。

        2)本工程由于設(shè)備荷載很大,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜,邊設(shè)計(jì)、邊研討、邊論證。在各專業(yè)協(xié)調(diào)中,結(jié)構(gòu)專業(yè)提供±0.00m樓板為無梁樓板,厚度至少1m。根據(jù)天津地區(qū)最大凍土深度(0.69m),地下1層位于±0.00m樓板下的給水管道應(yīng)不會被凍裂,不需考慮防凍保溫設(shè)施。但在施工圖設(shè)計(jì)交圖會審時(shí)發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)形式發(fā)生變化,采用井字梁,梁高0.81~1.0m,板厚0.5m。梁板結(jié)構(gòu)形式變化影響自動噴水滅火系統(tǒng)的噴頭布置,如圖3所示,根據(jù)“噴規(guī)”,噴頭距樓板底間距在75~150mm,井字梁結(jié)構(gòu)形式會造成噴頭支管凍裂的可能。故此,地下1層自動噴水滅火系統(tǒng)將原有濕式系統(tǒng)改為預(yù)作用系統(tǒng),消防控制方式隨之改變。

        圖3 不同厚度樓板噴頭布置示意圖

        6.2 需結(jié)合工程特點(diǎn)將設(shè)計(jì)精細(xì)化

        1)本工程非常規(guī),振動臺試驗(yàn)時(shí)的振動強(qiáng)度對管道系統(tǒng)等配套設(shè)施是否有影響?影響多大?沒有經(jīng)驗(yàn)可鑒。經(jīng)與結(jié)構(gòu)專業(yè)溝通,其也一直在研究探索。筆者考慮到振動強(qiáng)度的不可預(yù)見性,以及結(jié)構(gòu)樓板的厚度比較大,要求當(dāng)管道穿池壁、墻體、樓板時(shí)均需在主體結(jié)構(gòu)施工中預(yù)埋柔性防水套管,明設(shè)管道采用彈性支吊架,以預(yù)防不可預(yù)見的振動產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移或沉降。

        2)基于地上廠房振動臺與地下工程連通區(qū)域,地下有火情時(shí)有竄出火的可能,故此在連通區(qū)域加密消火栓布置間距。

        6.3 消防水泵房設(shè)置位置的利與弊

        消防水泵房位于水下振動臺北側(cè),利用水庫作為消防蓄水池,常規(guī)認(rèn)為節(jié)省空間。但在與甲方聯(lián)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)該方案有利有弊,節(jié)水節(jié)約空間是有利的一個方面。但本工程有2棟建筑,其中仿真中心建筑體量小,方案成熟,建設(shè)速度快,按照施工周期,2a內(nèi)就要竣工使用。但實(shí)驗(yàn)中心地下工程非常復(fù)雜,施工周期比仿真中心要長很多,地下水庫、消防水泵房的建設(shè)、安裝、充水能否趕上仿真中心竣工、消防驗(yàn)收存在很多不確定性。另外,在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中心結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工藝要求高,消防配套設(shè)施應(yīng)盡可能減少跟工藝要求高的主體結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián),振動臺試驗(yàn)帶來的震動對消防水泵房影響也不好判斷,故此在施工圖階段建議甲方將消防水池及水泵房移出實(shí)驗(yàn)中心,另行建設(shè)或置于仿真中心,但幾經(jīng)溝通未果。這或許成為本設(shè)計(jì)遺留下來待檢驗(yàn)的課題。

        7 結(jié)語

        大科學(xué)設(shè)施項(xiàng)目在使用功能上具有許多不確定性及前瞻性,專業(yè)設(shè)計(jì)師需要時(shí)刻跟進(jìn)項(xiàng)目,領(lǐng)悟科學(xué)家們的想法及對土建、機(jī)電設(shè)計(jì)的要求,由于建設(shè)成本的控制,在設(shè)計(jì)上能否實(shí)現(xiàn)要給予專業(yè)判斷及反饋。很多大科學(xué)設(shè)施項(xiàng)目具有唯一性,需把握其特色,用心、耐心做專項(xiàng)設(shè)計(jì),以保障大科學(xué)設(shè)施項(xiàng)目順利展開。

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