非常规条件下高塔建筑的消防给水设计
1 工程概况
金宝塔工程是昆明金宝山艺术陵园项目的一部分，位于昆明西山脚下毗邻滇池，处于整个开发区的最高处。该建筑首层面积为1 317m2，顶层面积为335m2，建筑高度为50.38 m，共11层，为框剪结构体系，火灾危险等级为一类一级。该建筑主要用于存放逝者骨灰、举行悼念活动、进行宗教活动等。建筑内各种装饰、陈设复杂，各种霓虹艺术灯光效果要求高，人员密度大，火灾危险性大，事故后果影响面宽，室内消防给水系统必须安全有效可靠。根据《高层民用建筑设计防火规范》(以下简称《高规》)，并与地方消防主管部门协调，确定在该建筑室内设消火栓消防给水系统和自动喷水灭火系统。由于建筑功能要求及周围环境条件限制，水池、泵房置于室外(距建筑超过150 m)，水池不能作为供消防车取水的水池，特别是该工程不具备室外市政供水条件，需设置室外消防管网。考虑到辖区消防车能在10 min内到达，室外消防管网采用低压网。
2 水源
该建筑消防给水水源为地下水，通过深井泵提升至钢筋混凝土贮水池(室外地上设置)，利用地形高差，满足消防水泵自灌吸水要求。鉴于地下水水位、水量的变化性及深井泵各种故障的可能性，在设计水池容量时，不考虑水池在火灾延续时间内补充水量更合适。由于该建筑室外无市政供水管网，不能提供室外消防用水量，水池消防用水有效容量按火灾延续时间内室内、外消防用水总量考虑。
室内、外消防用水量如何确定是首先必须解决的问题。由于该建筑的功能类型及消防用水量标准在《高规》第7.2.2条中未包括，通过对其使用功能特点、火灾危险性、楼层情况、室外环境状况等方面分析，最后确定该建筑消火栓消防用水量：室内为30 L/s、室外为20 L/s，自动喷水灭火消防用水量为26 L/s；火灾延续时间：消火栓系统为3 h，自动喷水灭火系统为1 h。由此定出水池消防用水有效容积为633.6m3，为便于检修时可独立工作、分别泄空，水池分两格设置。因水池为生活、消防共用水池，通过设置虹吸破坏管确保消防用水不被它用并满足规范要求。
3 室外消防给水系统
该建筑的室外消防给水系统由水源、供水设施、供水管网、室外消火栓等部分组成。
3.1管网及供水设备
根据《高规》要求，室外给水管网沿消防车道绕建筑环状布置，《高规》第7.3.6条指出：“在该范围内的市政消火栓可计入室外消火栓的数量”，故设计时对此理解为室外消防给水系统可参照市政给水管网情况设置。根据地方消防主管部门意见，该建筑的室外消防供水管网采用低压网，生活、消防共用。管网消防功能主要体现在保证消防时所需水量，而消防时所需水压由消防车从室外消火栓取水加压实现，管网最不利点室外消火栓处自由水压按0.10 MPa考虑。
室外消防给水系统采用水泵机组变频调速运行，通过压力传感信号控制水泵机组的转速和水泵运行台数。设备包括三台主泵(二用一备)，一台稳压泵和一个气压罐。随着设备开始运行，二台主泵和稳压泵向管网和气压罐充水，当稳压罐压力达到上限值时，设备停止运行。当系统流量很小(如微小渗漏)或零流量时，设备切换到由气压罐供水，维持管网压力，当气压罐压力降至下限值时，稳压泵随即启动向管网加压供水。随着消防车从室外消火栓取水，系统压力进一步降低，当气压罐压力降至主泵启动设定值，一号主泵启动，实现变频调速运行，之后随着消防流量增大到一定程度，依次实现二号主泵的变频运行以及二台主泵各自向工频自动切换。
3.2室外消火栓
合理确定室外消火栓数量是确保室外消防给水系统功能的一个重要方面，对照规范时发现，《高规》条文规定和条文说明不太一致。按照《高规》第7.3.6条，室外消火栓数量按室外消火栓用水量确定。而条文说明中指出，室外消火栓数量应保证供应室外、室内两部分需要的灭火用水量。对此，设计作了如下考虑：当发生火灾时，如果室内消防系统水泵出现故障不能供应室内消防用水时，室外消火栓供水增补室内用水量的不足，室外消火栓的数量按保证供应室内、外两部分消防用水量考虑更合适。该建筑室内、外两部分消防用水总量为50 L/s，因每个室外消火栓负责用水量为10～15 L/s，故采用4个室外地上式消火栓。
4 室内消防给水系统
4.1水泵接合器
水泵接合器的目的是应急备用，当系统消防水量不足，或消防水泵检修、停电、发生故障时，需要利用消防车通过水泵接合器送水至室内管网。因一个水泵接合器的负荷流量为10～15 L/s，对于室内消火栓给水系统采用两套地上式水泵接合器，对于自动喷水灭火系统也采用两套地上式水泵接合器。
4.2屋顶消防水箱
该建筑采用临时高压消防给水系统，需设屋顶消防水箱以供初期火灾的消防用水量。
①方案分析
该建筑顶部有一阁楼，正好放置屋顶水箱。由于古典建筑的各种构造限制较多，水箱布置时其几何形式存在这样的特点：水箱平面尺寸大则高度尺寸小，高度尺寸大则平面尺寸小。试定水箱尺寸时发现，水箱高度H太大或太小，水箱体积V都不能满足要求，此外水位控制对水箱高度还有要求。这就需要弄清楚，是不是阁楼本身不能满足要求?怎样进行优化而使水箱既能最大限度地适应特定空间，又能满足水箱容积要求和水位控制对其高度的要求?
根据建筑、结构专业提供的条件，通过联立水箱容积关系式，发现这样的规律：就实际水箱宽度L取值，当L小于一定值时，水箱容积V随L的增加而增加；当L大于一定值时，V随L的增加而减小。求极值：L＝7.03 m时，Vmax＝57.90m3。
因实际水箱容积比Vmax小，综合水箱边长L和高度H的关系、水箱容积要求、水位控制对水箱高度的要求、以及水箱底与楼面净空距离的要求等，通过适当调整水箱边长L和高度H，使水箱设置适应了阁楼空间的限制。
②水位控制
屋顶水箱容积为26.2m3，(其中消防贮水容积为18.0m3)。水箱由泵房生活泵提升供水，生活泵一用一备，由水箱液位继电器控制，根据设定的最低水位和最高水位启、停。最低水位的设定考虑了两方面的情况：一是高出消防水位＞100 mm，二是高出部分的水容量＞1 min的最高时用水量。这样，既避免了水泵启动到管口出流这段时间供水的间断，又防止了水泵启动过于频繁。生活出水管采用虹吸管形式，位于最高消防水位处，并设伸出水面的虹吸破坏管，既确保消防用水不被它用，又做到使整个水箱的贮水流动更新。
4.3室内消火栓消防给水系统
室内消火栓消防给水系统担负建筑室内消防灭火任务，按《高规》要求，该建筑室内消火栓消防给水系统为临时高压给水系统，管网呈立体环网布置。消防竖管采用DN100管径，平面环网管采用DN125管径，消火栓布置按要求保证同层任何部位有两个消火栓充实水柱同时达到。引入管两条，从该建筑的两个不同方向接入。系统组成见图1。
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①消火栓
系统选用SN65消火栓、19 mm的喷嘴水枪、直径为65 mm、长度为25 m的麻质水龙带。按最不利消火栓水枪最小流量5 L/s要求计算，充实水柱为11.4 m，栓口所需压力为18.5×104 Pa。为及时启动消防水泵，以及非消防专业人员及时取水枪灭火，室内消火栓箱设远程启泵按钮，并配自救式小口径消火栓SN25。
②增压设备
由于建筑构造的限制，屋顶水箱设置高度达不到顶层消火栓水压要求，系统设置管道泵补压，管道泵设于水箱间，通过远传式压力表自动控制。
在分析作为增压设备的管道泵控制压力时，注意到了《高规》所涉及的条文有：第7.2.2条、第7.4.6.2条及第7.4.7.2条。因该建筑最大层高为5.1 m，经计算可看出，只要满足第7.2.2条中消火栓水枪最小流量的要求，就一定能满足第7.4.6.2条中关于＞10 m充实水柱的规定。而就第7.4.7.2条来说，因建筑顶部三层消火栓几何高差为9.0 m，如果按顶层消火栓静水压力达到0.07 MPa考虑，在火灾初期、消防水泵出流前(包括水泵出现故障不能出流的情况)，建筑顶部可能有三层的消火栓水枪都达不到最小出流量要求。所以，按静水压力是否达到0.07 MPa作为是否设置增压设施的标准以及以静水压力值0.07 MPa作为增压设备控制压力的依据，对该建筑消防给水系统的安全性、可靠性都有不利的影响。该建筑消火栓消防给水系统增压设备的控制压力设定，经计算按满足最不利消火栓栓口压力：18.5×104 Pa考虑。
4.4自动喷水灭火系统
自动喷水灭火系统在各种不同功能的建筑中都具有很高的控火灭火率。该建筑采用临时高压湿式自动喷水灭火系统，火灾危险等级为中危险级、设计喷水强度为6L/(m2·min)、作用面积为200m2、系统设计流量按计算取26 L/s。根据《自动喷水灭火系统设计规范》(以下简称《自规》)，每个系统控制喷头范围不超过800个。该建筑设两个自动喷水灭火系统，报警阀两套，集中设于一层报警阀间，分别控制一至六层(低区)和七至十层(高区)灭火喷头，管网布置成枝状，系统图见图2。
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①管网水力计算
为避免喷水的不均匀性影响系统灭火性能，按《自规》第7.1.1条的作用面积内喷水强度要求进行水力计算。最不利喷头压按5×104 Pa考虑，则其流量为0.94 L/s。
在包含最不利喷头的作用面积内，管网最小喷水强度的非最不利喷头是与最不利喷头邻近连接的喷头，其喷水强度计算如表1。
表1 非最不利喷头的最小喷水强度计算
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由表1可看出：当喷头间距为3.0 m时，不论与最不利喷头的连接管管径是DN25或DN32，非最不利喷头的最小喷水强度都不会低于规定值：6L/(m2·min)，即0.1L/(m2·s)的20%。当喷头间距为3.6 m时，采用DN32的管与最不利喷头相连，其最小喷水强度则低于规定值的20%，达不到《自规》要求。
在包含最不利喷头的作用面积内(正方形布置)，具有最大喷水强度的喷头，按《自规》第7.1.1条中不超过规定值20%的要求，其最大喷水强度为0.12L/(m2·s)，所要求的喷头压力及最大允许沿程水头损失计算如表2。
表2 最大喷水强度喷头的压力要求
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由表2可看出：作用面积内要达到喷头最大喷水强度不大于《自规》要求范围，则须调整管径，以控制喷头与最不利喷头间的水头损失。当喷头间距为3.0 m时，水头损失须控制在1.61×104 Pa之内；当喷头间距为3.6 m时，水头损失则须控制在8.80×104 Pa之内。
②系统组成
为便于监控观察火灾区域，每层配水干管设水流指示器及带启闭讯号的蝶阀，讯号传至消防控制室。
每层管网末端设试水放水阀，便于管网维护检修时管网冲洗放空。管网按要求设坡向放水阀，放水阀后连接放空管，放空管层层相连，到一层后接至报警阀室的排水沟，管径为DN40。
按照《自规》要求，喷头公称动作温度为68 ℃，采用吊顶型玻璃球闭式喷头。因水箱设置高度不能满足高区系统最不利喷头水压要求，系统通过气压设备增压，增压泵扬程按满足高区最不利喷头压力：10×104 Pa要求设定，通过电节点压力表自动控制增压泵的启动与停止。
5 结语
非常规条件下高层建筑消防环境相对较差，消防受制约因素多而复杂，其消防给水设计需要特别引起重视。
①合理、正确地分析确定消防水源、消防用水量以及设置相应设施是首先必须解决的问题，设计中需要针对实际情况对规范及其条文说明进行深入的理解、分析，确保系统安全、有效、可靠。
②从目前国情和实际效果看，消防车仍是灭火的重要手段。鉴于非常规条件下的消防实际，室外消火栓设置按满足室内、外消防用水量考虑可能更合适。
③对于建筑构造等因素造成的限制，运用数学工具进行方案的可行性分析与优化是十分必要的。
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