某超高层建筑消防水系统设计探讨

谢光喆，吴成龙

(1.武警学院 研究生队，河北 廊坊 065000； 2.北京石景山区消防支队，北京 100000)

●火灾预防

某超高层建筑消防水系统设计探讨

谢光喆1，吴成龙2

(1.武警学院 研究生队，河北 廊坊 065000； 2.北京石景山区消防支队，北京 100000)

结合对某超高层项目消防水系统的分析，探讨了超高层建筑消防系统的给水补水形式、系统减压、灭火设施的选择及湿式报警阀的设置等问题。建议超高层建筑消防给水设计优先考虑设置高位水池的常高压给水系统；以重力形式供水的湿式自喷系统可通过加强水流指示器和信号阀的报警功能，取消湿式报警阀的设置。

超高层建筑；高位消防水池；湿式报警阀组；设计要点

据世界超高层建筑学会新标准，300 m以上为超高层建筑,消防安全作为超高层建筑安全的重要方面，对保障人民群众的生命财产安全具有重要意义。由于超高层建筑高度远大于现有消防车辆的作战高度，一旦其发生火灾，主要立足于自救，使用建筑内部消防设施进行控火与灭火[1]。因此，超高层建筑自身的消防系统，特别是对主动灭火起核心作用的消防水系统对保障建筑消防安全至关重要。

1 工程概况

某超高层项目工程是一个集商场、酒店、办公、娱乐、居住于一体的大型大厦群体，总建筑面积约56万平方米，由1座地标塔楼和1座住宅塔楼组成。地标塔楼建筑高度330 m，共70层；超高层住宅塔楼建筑高度为152 m，共40层。地标塔楼顶层设有直升机停机坪。建筑各层功能见表1。

2 消防给水设计

消防给水系统是建筑消防水系统的基础，由水池、水箱和管网组成，按加压形式可分为常高压和临时高压，按分区方式可分为并联和串联。对于超高层建筑，可靠性是衡量消防给水系统的最关键因素，即消防给水设施及管网应能保证在火灾情况下及时供水，并满足流量、压力及用水量的要求。

表1 建筑各层功能

2.1 建筑消防给水方式

该项目消防给水系统采用上行下给的常高压给水方式，在地标塔楼顶层设置容积为1 160 m3的消防水池，在22层和49层设置容积为100 m3的减压水箱和容积为24 m3的接力补水水箱。由高位水池向减压水箱供水，各分区消防用水由高位水池和减压水箱分别供给。

采用设置高位消防水池的常高压重力供水是目前最为可靠的消防给水方式，这种依靠重力的供水方式对于超高层建筑具有显著优点：(1)供水系统结构简单，安全可靠，维护使用方便；(2)通过重力作用向下供水，能有效避免消防设备因火场停电而无法启动；(3)消防管网能够保持高压，响应迅速，能在第一时间出水灭火，且各系统的压力不因流量的增加而降低，从而保证在多设备启动时消防系统的可靠性。此外，一般需在超高层建筑顶层设置防震阻尼以保证建筑结构的稳定性，屋顶消防水池可以通过恰当的设计，兼具建筑防震阻尼的功能，从而节省建筑成本。因此，对于超高层建筑，在建筑结构强度允许的情况下，应尽量采用设置高位水池的常高压给水方式。

2.2 系统减压设计

在超高层建筑中，由于底层消防用水与高位水池或水箱高程差较大，往往会产生超压问题。因此，消防系统的减压是该类建筑在设计与施工过程中不可忽视的重要因素。目前，消防系统的减压主要有减压水箱和减压阀组两种方式[2]。

该项目在消防管网的减压设计中采用减压水箱与减压阀组相结合的方式。具体做法是：在22层和49层分别设置容积为100 m3的减压水箱，通过消防水池和减压水箱对不同的竖向分区进行供水，在保证最不利层灭火设施压力足够的基础上，尽量降低建筑底层消防管网的运行压力；同时，在地标塔楼与住宅塔楼相连接的供水干管和其他可能超压处，组合设置可调式减压阀组，通过减压阀组的分级设置，将系统静水压调节至安全范围内。此外，在建筑不同楼层采用不同口径的减压孔板进行减压，确保进入各楼层的消防用水动水压符合规范要求。建筑消防给水及减压系统设计方式如图1所示。

2.3 消防给水分区设计

建筑内消防给水分区串联设置，串联分区供水方式是超高层建筑消防供水中最为常见的一种形式，这种形式能够配合高位水池和水箱的分区供水，使各竖向分区都能保持足够且适宜的水压。

图1 建筑消防给水及减压方式图

该项目地标塔楼63层及以上部分消防水系统压力由建筑顶层稳压泵和消防泵供给；地标塔楼63层以下及住宅塔楼均采用常高压串联方式给水，各分区消防用水由位于地标塔楼顶层的消防水池(1 160 m3)及位于22层、49层的减压水箱(100 m3)分别供给。地标塔楼与住宅塔楼各分区给水方式见表2和表3。

表2 地标塔楼各分区给水方式

表3 住宅塔楼各分区给水方式

2.4 建筑补水设计

超高层建筑应当设置可靠的消防补水，宜按照底层消防水池储水，中间水箱接力补水的形式进行设计。根据这种思路，该项目消防补水系统在地下设置容积为576 m3的消防水池，分别在22层和49层设置24 m3转输水箱以及与水箱配套的一用一备接力补水泵进行接力供水。接力补水泵通过上一层转输水箱或屋顶水池的水位变化启动。具体补水流程为：市政自来水→地下四层水池(消防部分有效容积576 m3)→补水泵(Q=40L·s-1，H=158m，一用一备)→供水管网→22F转输水箱(有效容积24m3)→一级接力补水泵(Q=40L·s-1，H=155m，一用一备)→管网→49F转输水箱(有效容积24m3)→二级接力补水泵(Q=40L·s-1，H=130m，一用一备)→管网→屋顶消防水池(有效容积1 160m3)。

3 建筑内灭火设施的设置

超高层建筑因其结构的复杂性和功能的多样性，在灭火设施的设置方面不仅要符合现行规范的要求，同时应结合建筑自身特点进行消防设计。该项目针对不同功能分区，设置了消火栓系统、湿式及预作用自喷系统、细水雾系统和自动消防水炮系统等灭火设施。

3.1 室内消火栓系统

建筑室内所有场所均设置了室内消火栓保护，系统设计流量40L·s-1，火灾持续时间3h。消火栓系统竖向分区与建筑给水分区一致，各分区管路成环布置。当消火栓出口压力大于0.5MPa时采用减压稳压消火栓，同层相邻两个消火栓的水枪充实水柱能同时达到室内任何部位。住宅塔楼消火栓系统见图2。

图2 住宅塔楼消火栓系统图

3.2 自动喷水灭火系统

自动喷水灭火系统对超高层建筑火灾早期的抑制和扑灭具有良好的效果，对保障建筑消防安全有着重要作用。因此，超高层建筑应根据各功能区特点及火灾危险性，正确选型并合理设计自喷系统。

该项目避难层兼做设备用房，为避免自喷系统误动作造成设备损失，在地标塔楼避难层(23层、36层、49层和63层)设预作用系统，各设一组预作用阀，共四组；预作用系统与湿式系统共用供水管路。建筑其余部分自喷均为湿式系统，采用快速响应喷头，与消火栓系统合用供水干管，管路在报警阀前分开，自喷系统分区与给水形式同消火栓系统。建筑各功能区自喷系统设置参数见表4。

表4 建筑各区域自喷系统设计参数

3.2.1 自喷系统电动阀的设置

在常高压供水系统中，如果自喷系统在动作1h后未能有效控火、灭火，则有必要通过设置电动阀使系统自动关闭。该项目在自喷系统报警阀前均设置了电动阀，当自喷系统动作1h后能够自动关闭阀门(也可以手动关闭)，避免因自喷系统长时间动作而造成系统供水不足。

3.2.2 试验排水

超高层建筑层数多、体量大，需设置自喷装置的场所多，为方便系统日常的检测维修，需要设置可靠的试验排水系统。该项目在每个设有自喷系统的楼层，均在配水支管与配水立管相连的配水支管处和喷淋管路的末端设计了试水及排水管路。各层排水管竖向相连，测试用水排入地下室集水井内。

3.3 自动消防水炮系统

超大体量建筑中庭空间的防火安全设计是建筑消防设计的难点，为兼顾建筑功能的同时保证中庭的消防安全，近年来，越来越多的超高层建筑在设计中选用了自动消防水炮系统。研究表明，自动消防水炮能够通过图像、红外等方式对中庭等大空间场所进行实时监控，及时发现火情并通过精确的定位有效扑灭早期火灾。

该项目在最大净空高度超过12m的裙房中庭空间，共设置了16门自动消防水炮，保证2门水炮的水流同时到达被保护区域的任一部位，系统设计流量40L·s-1，火灾持续时间1h，由裙房消火栓、喷淋合用管网供水；中庭区域自动消防水炮设置见图3。

图3 中庭自动消防水炮局部系统图

3.4 高压细水雾灭火系统

超高层建筑因功能需要，往往需在建筑内部设置变电站、高低压配电房、柴油发电机房、锅炉房等配套设施，根据规范要求，这些场所不适宜设置水喷淋系统，为保证此类场所的消防安全，可选用高压细水雾灭火系统。本工程即在此类场所设置了高压细水雾灭火系统，喷雾浓度2.2L·min-1·m-2，持续时间0.5h。建筑高压细水雾系统结构图见图4。

图4 酒店区高压细水雾系统图

此外，停机坪是超高层建筑的重要疏散通道，为保证火灾时停机坪为相对安全的区域，建筑在停机坪设有两套贮罐压力式泡沫比例混合装置，采用水成膜泡沫，连续供给泡沫液时间不少于10min，装置结构如图5所示。

4 建筑消防用水量

图5 停机坪泡沫比例混合装置

超高层建筑在火灾中主要依靠自身储存的消防用水进行灭火，因此在设计消防用水量时，宜在满足规范相应要求的基础上进行冗余设计。该工程地标塔楼和住宅塔楼合用消防给水系统，设计时按同一时间两次火灾、同时开启消火栓系统和自喷系统考虑消防用水量，两次灭火最大消防用水量为200L·s-1，建筑内各灭火设施系统设置参数见表5。

表5 建筑内各灭火设施设计参数

根据建筑各系统消防流量及火灾持续时间，计算同时发生两次火灾用水量为1 296m3。建筑高位消防水池有效容积1 160m3，位于22层和49层的减压水箱容积各为100m3，该建筑消防总设计储水量为1 360m3，大于1 296m3的计算所需水量，因此建筑设计水量满足各系统灭火需求。

5 建筑消防水系统问题探讨

5.1 湿式报警阀在重力供水系统中的设置

该项目不仅在63层及以上的临时高压部分设计了湿式报警阀组，在常高压部分也设计了湿式报警阀。湿式报警阀组的作用是根据火灾的发生，自动控制水流入系统，发出报警信号、指示报警区域并启动消防水泵[3]。

对于临时高压系统，设置湿式报警阀组是必要的，但对于高位消防水池供水下的常高压系统，笔者认为其自喷系统可不安装湿式报警阀组。在重力供水中，一方面不涉及消防泵的启动；另一方面，湿式报警阀组的报警功能，可由安装在喷淋配水支管上的水流指示器和信号阀进行更加精确的指示。如果不安装报警阀组，既可以节省建筑成本，又方便了维护管理，能够提高整个系统的可靠性。因此，笔者建议，对于常高压供水的湿式自喷系统，当其储存了足够的消防用水时，可通过技术手段强化水流指示器和信号阀的报警功能，从而在系统中省去湿式报警阀组的安装。

5.2 消防水池容积超标

《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB50974—2014)第4.3.11条规定，高层民用建筑高压消防给水系统的高位消防水池总有效容积大于200m3时，宜设置蓄水有效容积相等且可独立使用的两格；当建筑高度大于100m时应设置独立的两座。每格或座应有一条独立的出水管向消防给水系统供水。文中所分析超高层建筑屋顶消防水池总有效容积为1 160m3，建议在其他条件允许的情况下，将消防水池设置成独立使用的两座消防水池。

5.3 消防水池设置位置

该工程地标塔楼和住宅塔楼合用消防水池，即住宅塔楼消防用水也由位于地标塔楼的高位消防水池供给。这种设计能够使住宅塔楼保持足够消防水压，降低了消防建设成本。但如果高位消防水池出现故障或两塔楼间消防管网出现问题，有可能导致住宅塔楼消防系统处于无水可用的情况。为保证住宅塔楼消防供水安全，建议在住宅塔楼上方设置应急水池或水箱，储存一定时间的消防用水，增强其消防系统的供水可靠性。

6 结论

本文参照相关规范，对某超高层建筑的消防水系统设计进行了分析，通过对建筑给水补水方式、系统减压以及湿式报警阀等问题的探讨，为超高层建筑的消防设计提出了相关建议。通过探讨分析，得到以下结论：(1)超高层建筑应设计可靠的给水方式，在其结构承重允许的情况下，应优先采用设置高位水池的常高压供水方式；(2)系统减压应采取减压水箱、减压阀组和减压孔板相结合的方式；(3)对于通过高位水池给水的湿式自喷系统，可以考虑在加强水流指示器和信号阀报警功能的基础上取消报警阀组的设置。

[1] 王学良,李洋.超限高层建筑消防给水系统设计特点探讨[J].给水排水,2007,33(10):97-100.

[2] 黎承.超高层建筑消防供水系统设计探析[J].给水排水,2014,40(6):58-61.

[3] 李念慈,李悦,余威.自动喷水灭火系统——设备 设计 运行[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

(责任编辑 李 蕾)

The Probe into the Fire Water System Design in a Super High-rising Building

XIE Guangzhe1, WU Chenglong2

(1.TeamofGraduateStudent，TheArmedPoliceAcademy，Langfang，HebeiProvince065000，China; 2.ShijingshanDistrictMunicipalFireBrigade，Beijing100000，China)

Based on the analysis of a fire water system design in a super high-rising building, this paper probes into the ways of supplying fire water and replenishing systems, pressure reducer systems, the setting of wet alarm valves and choices of a fire extinguishing system, etc. It is recommended that the high gravity pool partition supply system for its fire prevention system design should be used in a super high-rising building instead of a sprinkler system by enhancing the alarm function of water flow indicator and signal valve.

super high-rising building; high fire pool; wet alarm valve; key of design

2015-04-30

谢光喆(1991— )，男，天津人，武警学院防火工程专业在读硕士研究生； 吴成龙(1982— )，男，江苏徐州人，助理工程师。

TU998.1

A

1008-2077(2015)10-0049-05