高层建筑消防给水系统的优化研究

张海玲

(太原市城乡规划设计研究院，山西 太原 030001)

建筑分类是确定消防安全要求的基础。伴随经济的全球化发展，高层建筑如雨后春笋拔地而起，作为首选的消防给水系统也逐步被人们所重视。高层建筑指超过一定层数或高度的建筑，具有火情难发现、火灾蔓延快、人们疏散困难等特点，因此利用科学技术手段对其消防给水系统进行优化设计，消除其存在的弊端，使高层建筑消防给水系统更可靠、更安全、更经济，给住户的人身财产安全带来更放心的保证，就显得尤为必要。

1 高层建筑

高层建筑的起点高度或层数，各国规定不一。在中国，主要指住宅建筑高度大于27m和高度大于24m的非单层建筑。高层建筑可以带来明显的社会经济效益，如使人口集中，能使大面积建筑的用地大幅度缩小，可以减少市政建设投资和缩短建筑工期等。高层民用建筑的火灾危险分为一、二类及轻、中、严重三级。

2 高层建筑消防给水及自动喷水灭火系统

2.1 高层建筑室内消火栓给水系统

2.1.1 给水方式

消火栓给水系统给水方式主要受其制约因素限制，建筑高度是首要的。按建筑高度分不分区和分区给水方式消防给水系统。其中，分区给水方式较为常见，尤其高层建筑消防给水系统应分区供水。一般情况下，在系统工作压力大于2.40MPa、出水压力大于0.5MPa时、消火栓栓口处静压大于1.0MPa等时，消防给水系统应分区供水，且消火栓处应设减压装置，具体可采用消防水泵并行或串联、减压水箱和减压阀减压形式。减压水箱分区供水时水箱的有效容积不小于18m，且宜分为两格，并满足消防给水系统所需消防用水量的要求；减压阀减压分区供水时每一分区应设不少于两组减压阀，且为了强化防止管道、阀门、管件等薄弱部位出现问题，每组减压阀组宜设置备用减压阀（见图1）。

图1 消防给水系统组成

2.1.2 给水设备

高层建筑消火栓给水与自动喷水灭火系统均需设置消防水泵，其型式选择与可靠性、消防供水设计流量和总压力有关系。同时，为了能保证在必要时有足够的消防灭火能力，在高度<54m的住宅、室外消防给水设计流量≤25L/s建筑等情形下，必须配工作性能与工作泵一样的备用泵。消防泵可以以串联和并联的形式，消防水泵的吸水可以自灌式吸水、非自灌式吸水。一组消防水泵吸水管≥2条，吸水管通常是明杆闸阀蝶阀，管径大于DN300，其穿过消防水池时其接触面必须有柔性材料支撑。一组消防水泵与给水环状管网相连的输水干管必须多于两条，消防水泵手动启停和自动启动相联合。消防供水管道应布置成环状或支状，消防给水管道的设计流速小于2.5m/s。室内消火栓竖管检修不能同时关闭2根及以上。高层建筑必须要设置水泵接合器，水泵接合器设计流量在10L/s和15L/s之间（见图2）。

图2 消防水泵接合器设置

消防水箱供应不了系统最不利点所需水压时，应增设增/稳压设备。稳压泵的设计流量不小于系统自动开启流量，能提供系统自动启动。系统应设置采用双向供水的消防水池，火灾时消防水池能够连续补水，补水时间通常小于48h。消防水池不能共用出水管，为了保证在必要时的消防能力，两座水池连接管应在有效最低水位之下。此外，使用临时高压消防给水系统时，高层建筑应有高位消防水箱。

2.2 高层建筑自动喷水灭火系统

自动喷水灭火系统分为闭式和开式，前者又分为湿式、干式及预作用系统，后者又分为雨淋系统和水幕系统。其中，湿式系统是最常用的，其准工作状态时配水管充满有压水，喷头第一时间能灭火，适宜环境温度在4～70℃之间，因为温度太低或者太高的水可能影响状态，无法满足灭火要求。干式系统适宜环境温度﹤4℃或﹥70℃的地方，准工作状态时配水管道是有压气体，系统无污染。预作用自动喷水灭火系统准工作状态时配水管道内没有水，该系统主要体现的是预作用，主要在有寒冷冰冻气候、高温环境和平常不能有水渍等场所，火灾时由火灾自动报警系统联动开启雨淋报警阀转换为湿式，从而快速完成对火灾的扑灭。

洒水喷头可以按结构、安装方式、热敏元件分，喷头分布在梁或其它障碍物的下方，与顶板的间距﹤300mm。根据闭式自动喷水灭火系统分类，报警阀组分为湿式、干式和预作用报警阀组。报警阀组设置高度宜为1.2m，湿式系统、预作用系统少于800只，干式系统少于500只。安装报警阀的地方不能有积水。

自动喷水灭火系统的竖向分区应该与消火栓系统基本符合。配水管道的工作压力应小于1.20MPa。每个楼层、每片防火分区均有水流指示器。管网的末端和每层的最不利点处均应设置末端试水装置。

3 高层建筑消防给水系统的优化设计

3.1 高层建筑给水消防设计特点

高层建筑尤其高层民用建筑住户较多，人口集中，内部多个系统高消耗、高频率状态下使用，火情隐患颇多。同时，高层建筑建筑层数较高，需要较大的消防给水压力，消防难度高，合理地进行管道布置、准确计算供水量、管道承压十分重要。可以说，高层建筑火情隐患颇多，具有一定的复杂性，给水消防设计必须科学设计，且安全系数要求大，安全性要必须匹配。

3.2 高层建筑消火栓系统的优化设计

3.2.1 消防水池设计

首先，消防用水池和生活用水池需合建分建。消防用水量很大，且消防用水需要保证水质，合建式储水池容量要求必然大，水质容易变坏，并且工作人员需要区分水源，进行消防检测十分不便。消防用水池和生活用水池合建分建，可以用园林绿化保洁等用水来补充，既保证消防水源，同时通过设置导流墙、进出水管对置，还可以保证水质。此外，高层建筑群之间共用消防水池，可以保证水源，节约投资（见图3）。

图3 某高层建筑消防水池

其次，消防储水池应科学设计。不同的建筑结构、不同的需求等都是影响容积的因素，高层建筑建筑内所有灭火系统全部动作的概率几乎不可能的，应结合概率进行科学的测算评估消防用水量。总需水量要依据灭火时间、消防水泵的规模等计算。按照有关规定，在室外给水管网能充分供给室外消防用水量下，除了需要满足灭火要求，还要尽可能的降低成本，火灾延续时间内室内消防总用水量要小于消防水池的有效容积；反之，要大于室内消防用水量和室外消防用水量不足部分之和。

第三，火灾延续时间与消防补水量应合理估算。火灾延续时间是火灾发生耗时的基础上假定的一个时间，影响的因素有火灾荷载、建筑物装修材料燃烧等级等。补水量依据市政供水管路情况结合火灾延续时间进行确定。为减小消防水池的容积，也可加粗引入管。

3.2.2 消火栓布置

消火栓布置合理与否直接影响火灾的控制及扑救。根据《高层民用建筑设计防火规范》（GB 50016—2014），消火栓应设在走廊与楼梯等易于取用的明显地点，并应准确计算消火栓参数，设置减压稳压装置，防止超压。同时，消火栓的间距需保证两个水枪充实水柱覆盖同层任何部位，并适当把平面功能布局及隔断功能的因素归纳其中。

3.2.3 高位消防水箱储水量的设计

根据《高层民用建筑设计防火规范》（GB 50016—2014），一类公共建筑高位消防水箱的消防储水量大于18m。并且，如果初起火灾发生充分燃烧后，稳压泵控制水量不能满足当前灭火要求，会直接启动消防泵，甚至启动生活泵并连续补水。

3.2.4 消防水泵设计

首先，需优化水泵房设计细节。高层建筑消防给水设系统中，水泵房用水量需要准确，同时结合用水量的需求对水泵房面积的合理处理。对于其他设计细节而言，主要包括把导流墙装配在消防水池里，用循环水泵提供消防水池里的循环动力，尽量选取较大功率的水泵，给予水泵房适当的配件等。

其次，需要选择合适的消防水泵。为保证在发生紧急情况的时候能够有充裕的消防用水，应设置一个扬程不应过大的消防增压泵，可以利用提前设计规划水箱高度去稳定水压，最终到达最高层消火栓或喷头的静压力值。

第三，采用变频调速水泵供水方式。考虑到电能耗损及过多的设备投资维护费用，高层建筑一般采用水箱水泵联合消防供水方式，并设置减压装置，同时用变频调速水泵直接供水，避免电机开启次数多，降低电能耗损。

此外，还需要科学设置室外、室内消火栓水泵及自动喷淋水泵等；以“变量不变压”为基本条件，根据工程实际情况，通过选择使用多台水泵分层控制、安全阀泄压、采用变量恒压泵、利用特性曲线选择水泵等措施，防止消防水泵超压，造成管道接头、阀门、消火栓等薄弱环节损坏程度加速等问题。

3.2.5 高层建筑消给水方式选取

对于并联分区、减压阀减压分区、串联分区给水系统而言，其有各自的特点。具体的，并联分区给水系统各分区系统简约、各自独立，有利于系统维护；减压阀减压分区给水系统减少了一组消防供水泵组，大大降低了投资维护费用；串联分区系统增设了转输供水系统，设备分散，前期投入和后期管理的要求较高。相比较而言，并联分区给水水泵扬程和系统的承压大小有限，减压阀分区供水系统取消各分区的独立供水设备，串联分区给水系统安全性较高。为此，三者的适用情况不尽相同，并联分区给水一般不用于建筑高度大于180m的高层建筑，减压阀分区供水的方式不适宜功能性复杂的高层消防供水，串联分区供水系统适合于建筑高度高于180m的超高层建筑。

3.3 髙层建筑自动喷水灭火系统的优化设计

1）给水方式。其与消火栓给水系统可共用高位水箱，节省空间，管理方便；2）设备选择。喷头喷水要考虑覆盖面积和喷头附近的环境，配水管入口的减压设计应该通过对水泵的扬程进行计算，稳定泵设计考虑其出水压力与水源供应之间的基本要求，报警器设计应综合考虑信息传递与审美需求；3）数值计算。采用有限单元法进行管网数值计算，具体要求包括依据火灾危险等级确定最不利喷头参数，根据管网水力计算的结果来确定管网中各个管段的管径等；4）自动喷水系统的进化。高层建筑使用小水量细水雾系统，可减少储存消防水容积，还可降低水对电器设备所造成的损害。由于其具有水绝缘性，还可用于机房等电器设备的监控等。

4 结语

综上所述，高层建筑消防给水设计要根据建筑楼层房屋结构及高度等，可考虑设置生活、消防共用水池，设置消防增压泵、高水位水箱稳压或者气压水罐增压等措施。高层建筑消火栓给水形式要能对系统安全性进行有效保障，要按照经济型以及科学性等原则进行选择。自动喷水灭火系统可靠性设计要从多方面考虑，要做好高层建筑消防给水的减压泄压，从而减少因为火灾造成的损失。