高层建筑消防给水系统设计分析

李星霖

(中铁第五勘察设计院集团有限公司广西分院 广西南宁 530000)

高层建筑的人员密集度较高、功能较为复杂，一旦发生火灾，其危险性远远高于单层建筑和多层建筑，重大人员伤亡以及财产损失的风险明显升高。因此，消防给水系统作为建筑中非常重要的灭火设施，应得到更多的重视和关注。在设计消防给水系统时需要保证符合国家的各项规定，满足消防管理部门的相关规范以及标准等，从系统的实际应用出发，以安全为主要目标，保证技术的合理性，同时注意消防给水系统的经济性，提升给水系统的综合价值。可见，消防给水系统是高层建筑中不容忽视的工程，需要提高其设计的合理性与安全性。

1 高层建筑消防给水系统的主要特点

1.1 实际用水量大

高层建筑室内消防系统用水量与建筑性质、使用功能系统关系密切，建筑的高度不同，消防方面的用水量也会有所不同。对高层建筑建筑来说，消防用水量一般包括室内消火栓系统用水量、室外消火栓系统用水量、自动喷淋系统消防用水量、自动消防炮消防用水量等。例如室内消火栓给水系统，第一，对于高层住宅（建筑高度H>27）来说，建筑高度≤54 m，室内消火栓用水量一般为10 L/s；如果建筑高度>54 m，那么室内消火栓用水量为20 L/s。第二，对于医院、商场等高层公共建筑（建筑高度H>24 m），当设计建筑为一类高层公共建筑时，建筑高度≤50 m时，室内消火栓用水量为30 L/s；建筑高度>50 m时，室内消火栓用水量为30 L/s；当设计建筑为二类高层公共建筑时（建筑高度24 m

1.2 消防给水超压

消防给水压力大是高层建筑消防工作中非常突出的一个特点，如果设计时出现失误可能会引起超压现象。由于高层建筑的楼层很高，灭火时的压力稳定性可能会受到影响，尤其是在启动消防水泵的瞬间和灭火的初期阶段消防用水量较小，消防给水泵在小流量运行小，往往扬程大大高于设计扬程，以至于发生超压的可能性更高。我国关于消防给水系统有明确要求，既需要使用的水泵满足给水系统压力以及流量的需求，又需要保证流量是光滑的曲线，不能出现拐点和驼峰，压力在没有流量状态下不能超出设计的140%，并且最小为额定压力的120%；同时，如果消防给水系统的工作压力超出2.40 MPa，消火栓系统最不利消火栓静压大于1.0 MPa，自动喷淋灭火系统中的报警组工作压力大于1.6 MPa 或者最不利喷头工作压力大于1.20 MPa 时，消防给水应采取分区供水的方式。因此，在进行高层建筑消防给水系统时，应通过精确的消防给水系统扬程计算，正确选择消防给水泵；合理布置消防给水系统竖向分区，采取安全可靠的减压措施，避免消防给水系统出现超压现象。

2 高层建筑消防给水系统给水形式

2.1 加压给水

由于市政水压及水量无法满足高层建筑消防给水系统灭火所需的消防给水水压及流量要求，高层建筑消防给水系统需采用二次加压供水，以满足消防系统灭火需求。高层建筑消防加压给水系统一般采用临时高压制消防给水系统，主要由消防水池、消防加压给水泵、高位消防水箱、消防管网、灭火设施等组成。消防水池及消防加压给水泵直接向室内消防给水系统加压供水，一般设置高层建筑地下室内，消防水池直接由市政给水管网补水；高位消防水箱通常设置于屋面，高于最不利灭火设施，以保证消防系统启动所需水压及消防前期水量。当建筑内发生火灾时，室内消火栓或喷头开启喷水，火灾前期主要由高位消防水箱供水灭火，当消防水箱水位下降至设定启动消防加压给水泵水位或消防加压水泵出水管压力开关下降至设定值时，消防加压给水泵启动向室内消防给水系统加压供水，保证室内消防灭火所需的水压及水量，确保完成灭火任务。

2.2 区域集中给水

区域集中给水方式主要是指至少两栋高层建筑使用一个泵房的消防系统。如果是单独的高层建筑，消防给水系统中的高位水箱、消防泵等的不可缺少的组件，但是多栋高层建筑区域内，如果每栋建筑都设置消防水泵以及高位水箱，不仅会增加建筑工程投入的资金，还会增加物业管理工作。为了能够解决这个问题，可以在高层建筑区域内集中设置消防给水系统。这是因为在同一个区域内火灾同时发生在多栋高层中的可能性非常小，可以理解为在同一个时间内同一个区域发生一次火灾，进而从设计的经济性、合理性角度出发，从一个消防泵中引出满足多栋高层建筑消防给水需要的多条出水管，与这个区域内多栋高层建筑的供水管连接起来，也就等同于每栋高层建筑都设计了消防水泵，只是供水距离不同，但是不会对消防供水功能产生影响[2]。区域集中给水系统的设计时，需要设计人员将其设计成管网形式，进而满足多栋高层建筑的消防给水需求，保证消防供水的安全性与可靠性。

2.3 分区并联给水

目前，我国消防给水系统规定：当消防给水系统的工作压力超出2.40 MPa，消火栓系统最不利消火栓静压大于1.0 MPa，自动喷淋灭火系统中的报警组工作压力大于1.6 MPa 或最不利喷头工作压力大于1.20 MPa时，消防给水系统应分区。

在高层建筑消防给水系统设计中，我们常常会遇到消防给水系统最不利消火栓或喷淋喷头出现超压现象，为了满足高层建筑最高最不利灭火设施的最低水压要求，在选择消防加压给水泵时，选择扬程加大的消防加压给水泵，则消防给水系统最大工作压力较大，就会出现超压现象。为了消防系统超压问题，我们常常对高层建筑消防给水系统进行竖向分区，对于高层建筑（建筑高度≤100 m 建筑）通常采用并联分区给水方式，这种分区方式通常将消防给水系统竖向分高、低两个并联供水区，分别从消防加压给水泵出水管独立接两路消防供水主管至各自消防环管网，为了保证低区消防给水管网不出现超压现象，则需独立设置一组减压阀组。消防给水应采取分区供水的方式并联分区给水方式的消防加压给水泵以集中的方式安装在建筑物的地下室中，这样能够有效减少对地面空间的占用，尽量使各个区域内的设置都可以维持在相对独立的状态下运行，避免彼此之间的影响，这样分区并联给水系统的运行也更具稳定性，可靠性以及安全性都会相对较高。将设备集中安全起来，维修管理工作也会相对得到优化，减轻工作量的同时，管理工作的实施也会更加顺利。但是，水泵为高区工作状态时产生的压力较大，需要投入的资金也会随之升高。此外，如果要将减压阀安装在给水系统中，以此取代水箱的位置，这样能够减少给水系统占用的空间，也能够避免二次污染以及噪声影响。

2.4 不分区给水

当消防给水系统中的最不利消火栓静压应不大于1.0 MPa，自动喷淋灭火系统中的报警组工作压力小于等于1.6 MPa 或者最不利喷头工作压力小于等于1.20 MPa时，消防给水系统可以不进行分区。但是，通常进行高层建筑消防给水系统设计时，为了满足最高最不利灭火设施的最低出水压力要求，在选择消防加压给水泵时，选择扬程加大的消防加压给水泵，不分区给水的消防给水系统底部的消防灭火设施在进行灭火时，出现超压现象。目前规定：室内消火栓水压不应大于0.50 MPa，当大于0.70 MPa 时,必须设置减压措施。目前常用的消防给水系统的减压措施主要有减压孔板、减压稳压型消火栓、减压阀等。

2.5 减压给水方式

减压阀给水方式是一组屋顶水箱供给多个分区消防用水，利用减压阀并联的方式供水给不同的分区，减压阀是其中非常关键的设备，在消防给水系统中已经有相当长的应用时间，且随着技术的发展，减压阀设备的性能也在不断优化。为了保证消防泵能够正常运行，相关文件中明确规定消防泵需要使用柴油发动机或者柴油泵两种形式的电动泵；为了保证消防水源的可靠性，对容积超过500 m3的消防水池需要划分为2个；如果高层小区内使用集中形式的给水系统具有消防和生活两个方面的作用，并且水泵日常出水时的压力低于0.45 MPa的不超过12层的高层住宅建筑，在设计时可以去掉高位的消防水箱。这种消防和生活共同使用的给水系统可以采取变频调速的方式供水，在生活供水方面需要满足用户对数量的需求，也需要达到一定的水压要求；消防用水时需要生活以及消防两个方面对水压以及水量的要求；对于电源方面的需求，可以自备柴油发电机或者使用不低于二级负荷的供电要求。因此，取消消防高位水箱的设备不会对灭火活动产生严重的不良影响[3]。

3 高层建筑消防给水系统设计

因为高层建筑的高度超出消防车灭火的有效高度，依靠消防车无法有效地对室内火灾进行灭火，在灭火时主要依靠室内消防给水系统。建筑消防给水所能够达到的高度和实现的功能主要受到建筑高度的影响，采取的防火促使较为特殊，并且需要将相关的资料提交给国家的相关部门进行核查、验证，且以室内自救为主；同时，在灭火时以水主要灭火剂，其他类型的灭火剂作为辅助；此外，消防给水系统的设计需要符合国家以及当地的消防规定。具体可进行如下设计。

3.1 合理设计消防水池容积

在高层建筑消防给水系统中，消防水池是一个非常重要的组成部分，容积的大小直接关系着储水量，进而影响灭火效率和效果，对消防系统运行的安全性以及经济性都会产生影响。对于消防水池容积的计算，主要按照以下规定实施。第一，如果市政给水管网能够满足建筑室外消防用水需求时，水池的容积需要考虑在火灾延续时间内建筑物室内消防对水的需求量，以便保证室内消防活动的正常运行。第二，如果市政管网供水效果无法满足室外消防用水需求，那么消防水池的容积不仅需要满足室内消防对水的需求，还需要考虑室外消防实际用水的所缺少部分的需求。水池使用的进水管应该结合补水时间以及容积进行计算，并且其他与消防联合使用的水池，需要保证消防用水部分不会用在其他方面，以此保证消防用水时不会出现缺失。因此，消防给水系统的设计需要保证水池容积的合理性，才能满足高层建筑的消防用水需求。

3.2 合理设计自动灭火系统

自动喷淋系统整体操作比较简单、经济价值较高、灭火迅速且后期的维护工作方便，在消防工作中受到的关注度越来越高。在设计自动喷淋灭火系统时，喷淋系统可以直接利用消防泵，不需要进行单独设计，既可以减少投入的资金，又可以减少泵房占用的建筑空间。一旦在楼层内发生火灾，喷头会直接爆破喷水，从而达到灭火的效果，报警阀在水的影响下会触发水力警铃，进而发出信号，同时每个楼层的感烟探测器也会随之发出警报，指示发生火灾的地点。如果喷头发生误爆现象，水力警铃也会随之发生相应的报警动作，指示工作人员到诱发误爆情况的地点检查[4]。同时，在设计给水系统时，还需要考虑喷淋系统与消火栓之间的作用存在差异性，可以将泵后的管道实施分开设置，这样当火灾时间超过1 h 之后可以直接切断喷淋系统的供水。对于高层建筑而言，为了能够最大限度地减少火灾造成的损失，缩小火灾范围，可以在入户门以及厨房等位置设计建议的喷淋系统，便于第一时间控制火灾。可见，高层建筑消防给水系统设计时合理设计自动灭火系统具有重要意义。

3.3 合理设计自动水炮系统

高层建筑消防给水系统的设计中，其中的难点在于大体量的中庭空间防火设计，为了在保证建筑功能的同时也保证消防安全，很多的高层建筑使用了自动水炮系统。该系统主要利用红外技术、图像技术等方式实施监控中庭空间等较大的空间，便于及时发现火灾或者潜在的火灾隐患，并且能够对火灾发生地点进行精准定位，便于发生火灾后尽快控制其扩散范围，从而在早期时灭火。水炮的数量和同时灭火的数量需要结合被保护区域的大小和高度来确定，且根据以上条件确定灭火时的水流量。此外，还需要考虑火灾的持续时间，合理设计自动水炮系统，保证发挥该系统的作用。

3.4 合理设计室内的消火栓

高层建筑给水系统中室内消火栓系统中主要包括消火栓箱、消火栓管网、消防水池、水泵接合器、增压设备以及消防水箱等，是一种具有固定性特点的灭火系统。结合我国目前使用比较广泛的建筑消防车等器材的供水能力来看，对于高层以及地层建筑的室内消防给水系统所提出的要求也会不同，对于高层建筑的高度已经超出室外消防车灭火工作中的有效高度，难以在消防车的辅助下直接扑救上部火灾，因此一旦高层建筑发生火灾，就需要重视“自救”，并且尽量提高“自救”的合理性与有效性。目前，常见的几种室内消火栓存在形式有：仅设置水箱、设置水泵以及水箱、设置消防水箱和水泵、分区给水、区域集中以及临时高压等几种形式的室内消火栓[5]。

室内消火栓的设置需要参考相关的文件规定，其中静压与消火栓的质量关系密切。我国室内消火栓的试验压力远高于静压分区值，对此可以适当提高分区值。我国有很多建筑的高度在60～70 m 之间，达到这种高度的建筑加上屋顶水箱和地下室两个位置的高度，总共度一般超过80 m，此时就需要对消火栓进行分区处理，这样就需要增加给水系统的设备以及相应的管道设备，那么投入的资金也就需要相应增加，此时如果能够提高分区值，能够有效节约资金，并且简化消火栓系统。

在设计消火栓时，设计人员需要以预防为主，并采取防消结合的方式作为主要设计原则，考虑高层建筑火灾发生时的特点，以自防自救作为基础，利用可靠、安全的防火措施，保障消火栓设计的安全性、经济性、技术先进性以及适用性等，提升消火栓设计效果[6]。

3.5 合理设计消防补水系统

高层建筑在设计消防给水系统时需要重视消防补水的设计，具体可以采取底层消防水池与中间水箱接力的形式进行补水设计。按照这样的思路，可以在地下选择合适的位置设计消防水池，水池的大小根据给水形式、楼层高度以及消防用水需求等方式确定；与此同时，根据楼层的高度选择合适的水箱接力位置，安装大小合适的水箱，以便在消防工作中实施接力给水，保证消防安全性。与接力水箱配合使用的是接力补水泵，满足补水需求。消防补水系统发挥作用的主要流程为：市政给水管网的自来水、地下消防水池、补水泵、启动供水管网、中间补水箱进入运行状态等。补水系统在高层建筑消防给水系统设计中有着很重要的作用，且楼层越高，补水系统发挥的作用越大，因此在设计工作中要保证补水系统设计的合理性，以便发挥其应有的价值。

4 结语

高层建筑消防给水系统设计是建筑物中非常重要的构成部分，无论是建筑本身还是消防系统而言，都有着非常重要的价值。高层建筑的用户密集度高，潜在的消防隐患高于单层、多层等普通建筑，且建筑的功能复杂多样，对于消防给水系统的设计要求更高，因此需要设计人员在工作中以人为本，严格执行相关的标准和规定，认真工作，才能在保证消防安全效果的同时保证高层建筑的经济效益。在设计消防给水系统时，需要详细了解其不同的给水形式，而后合理设计消防水池容积、自动灭火系统、自动水炮系统等，以便满足高层建筑的消防需求，提高消防安全性，提升建筑价值。