剧场建筑电气设计及火灾报警系统探讨

2022-12-02黄广国胡志诚

现代建筑电气 2022年6期

黄广国, 胡志诚

(1.山东大卫国际建筑设计有限公司, 山东济南 250100;2.山东君天建设工程有限公司, 山东济南 250101)

0 引言

近年来,剧场建筑作为公众文化生活的重要公共场所受到欢迎,各地均有大量剧场建筑正在筹划、设计和建设。根据剧场建筑设计特点及其使用功能要求,对剧场建筑在电气设计、消防疏散照明设计及火灾自动报警系统设计等方面遇到的疑难问题进行分析,可为剧场建筑电气消防设计提供参考。

1 工程概况

某地级市演播中心建设项目属于多层公共建筑,抗震设防烈度7度;1F层高6.0 m,2F层高6.0 m,地上共2层,局部有地下一层,层高5.58 m;总建筑面积8 870.09 m2,其中地上建筑面积8 091.39 m2,地下建筑面积778.70 m2;建筑高度22.00 m(室外地平到观众厅幕墙屋面的建筑标高)。

演播中心舞台部分位于整个建筑1F西侧,观众入口门厅位于建筑1F东侧,其间为观众厅。舞台西侧为两层的后台用房,1F布置化妆间和排练厅,2F布置服装室、化妆间及候场区。观众厅东侧1F为入口大厅,2F为管理用房等。1F入口大厅下设有变配电室、弱电机房及消控监控室。根据标准JGJ 57—2016《剧场建筑设计标准》第1.0.5条和第1.0.6条规定,该剧场属于中型乙等剧场。某演播文化中心造型如图1所示,其建成后将是市民文化活动的标志性建筑。

2 供配电系统

2.1 负荷分级及供电方式

根据 JGJ 57—2016 第10.3.1条规定,乙等剧场的用电设备负荷等级为三级负荷。该剧场室外消防用水量大于 25 L/s,故消防用电设备负荷等级确定为二级负荷。建筑物内所有的消防设备用电(消防泵、喷淋泵、防排烟设备、正压风机、消防电梯、应急照明、消防控制室)、弱电总机房等的用电均为二级负荷[1]。工程所有二级负荷用电均采用双路电源末端切换的供配电方式。

2.2 供电电源

2.2.1 市电电源

在剧场用电负荷中,舞台照明、视频显示、舞台电声设备、舞台机械设备等舞台用电占比较大。项目根据专业舞台设计厂家提供的资料,舞台照明、视频显示、舞台电声设备、舞台机械设备等舞台用电的总负荷约为1 060 kW,其中舞台照明和视频显示用电不会同时发生,故舞台用电最大负荷约为720 kW。在变配电室内设两台800 kVA变压器,一台变压器为剧场的一般照明及动力负荷供电,另一台变压器为舞台照明、视频显示、舞台电声设备、舞台机械设备等舞台设备供电。没有演出时,变配电室仅使用一台变压器,舞台设备专用变压器停止运行,减少变压器空载运行损耗。两台变压器之间设联络开关,联络开关与两台变压器主进线开关之间设电气及机械连锁装置。

2.2.2 应急电源

为提高弱电设备工作的稳定性、增加系统运行的可靠性,在下列场所设置UPS电源:监控中心(消防、安防共用)、通信网络机房(电话、网络)、电视前端机房等弱电机房。

2.3 电线电缆的选择

工程消防设备支线和应急照明支线均采用WDZN-BYJ无卤低烟耐火型铜导线穿热镀锌钢管暗敷设;吊顶内的分支线路采用金属槽盒明敷设时,金属槽盒表面均喷防火涂料。

消防动力用配电干线和应急照明干线均采用WDZN-YJY无卤低烟耐火型电力电缆。

火灾自动报警系统的供电线路、消防联动控制线路、报警总线、消防应急广播和消防专用电话等传输线路应采用阻燃或阻燃耐火电线电缆。

2.4 电井及配电间的设置

剧场的天桥或最高处一般会设置舞台照明、舞台电声设备、舞台机械设备等舞台专用配电箱。主舞台上部的屋顶或侧墙上设有排烟设施,排烟风机双切箱设在屋顶或最高层处。根据JGJ 57—2016第6.7.7条规定,在舞台口外两侧墙上宜设舞台设备电气竖井。

当设电气竖井时,从台仓垂直至栅顶的每层均应设置通往竖井的工作通道。在舞台一侧设配电间兼强电井。在人员可以到达的每个标高配电间开门洞检修,在其他标高配电间封堵。剧场建筑的标高比较复杂,从变配电室至配电间的电缆桥架走向需着重关注,并提前规划。剧场变配电室标高-0.9 m,1F门厅标高3.3 m,舞台一侧的配电间标高0.9 m。电缆桥架由变配电室沿墙敷设至门厅顶部,再沿门厅及走道顶部至1F配电间。

2.5 部分场所的照明设计及安装

(1) 一般照明需要进行二次装修设计,在电气设计中应注明此项内容,并标注该场所的现行规范照度值及功率密度值。依据GB 50034—2013《建筑照明设计标准》,结合工程房间布局,主要房间照度设计值及功率密度值如表1所示。

(2) 楼梯间标高较为复杂,且部分标高在平面图中不能显示。剧场每个楼梯间一般照明单独引接一个照明回路,从底部到顶部不同标高处照明灯具上下连接。

(3) 1F门厅入口处在后期装修需要安装照明灯具,在入口平台处适当位置设室外照明接线盒,由1F室内配电箱至室外照明接线盒要预埋管线。

(4) 舞台及观众厅的应急照明灯具均采用壁装,距地2.5 m,疏散指示标志在地面安装。1F、 2F前厅和1F、 2F后台高度约为6.0 m,考虑梁高、风管的高度及装修需要的高度,装修完成后前厅和后台的使用高度约为4.5 m,故应急照明采用吸顶安装,疏散指示标志距地0.5 m安装。

表1 主要房间照度设计值及功率密度值

3 电能质量

现代化剧院内的负载不同于其他民用建筑,以舞台机械设备和舞台灯光、各种音响、LED 大屏幕为主,舞台照明设备多为可控硅调光设备,采用的是移相调压,是一种典型的非线性电气设备。在单相灯光接通时,所对应相电压被拉低,其他两相电压瞬间提高。灯光明暗调节是通过控制可控硅改变正弦波的触发脉冲导通角度大小来实现的,导通角越小,谐波畸变越厉害,由于要不断地调节灯光的明暗和投入灯光的数量,所以系统中谐波含量也是不断变化的,舞台灯光系统、舞台机械设备、电声设备、控制与通信设备主要以3、5、7、9、11、13、15、17 次谐波及高次谐波为主;UPS、带电子镇流器的荧光灯等非线性负载以奇数谐波电流为主,谐波电流势必对舞台灯光、音响系统、电声等设备产生影响,这也直接影响到整场演出的效果。同样,在演出时,舞台机械设备的频繁起动,将引起电源电压的波动,而舞台灯光设备对电源电压的波动又非常敏感。

为了抑制谐波电流带来的影响,舞台灯光、舞台机械、视频LED、舞台音响及电视转播设备分别由不同的变压器供电。为舞台照明设备电控室、舞台机械设备电控室、功放室、灯控室、声控室等供电的各路电源,均应在各室内设就地保护及隔离开关电器。当采用可控硅舞台调光装置时,其电源中性线截面积不应小于相线截面积的2倍。对于变压器接线方式,选用Dyn11连接变压器,Dyn11连接变压器对于3次和3的奇数倍次谐波有很明显的抑制作用。

谐波治理一般采用安装无源滤波器或有源滤波器两种方法。无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点,且能滤除部分谐波,故对普通照明和普通动力设备的变压器,在变压器出线端集中设置调谐电抗电容器组,抑制3次及以上谐波谐振。有源滤波器则主要是由电力电子元件组成电路,其依靠电力电子装置,在检测到系统谐波的同时产生一组和系统幅值相等,相位相反的谐波相量,这样可以抵消系统谐波,使其成为正弦波形。有源滤波除了滤除谐波外,同时还可以动态补偿无功功率,反应动作迅速,滤除谐波可达到95%以上,具有一机多能特点,且滤波特性不受系统阻抗的影响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险。基于以上优点,项目在设备功率较大的场所,如剧场的舞台灯光调光配电机房内,舞台音响等设备旁就地设置滤波器。通过就地设置滤波器,能最有效地消除此类非线性设备产生的谐波对其供电电网的反馈,减少其对相邻配电网上其他设备的干扰。其配电电流也因其电源的洁净和高功率因数,规格截面选择也控制在最佳状态,从而减少缆线上无功损耗,并在配电房照明类或谐波严重的特定类专用配电变压器旁集中设置有源滤波器,作为后备措施及分级抑制谐波措施。

对于非线性负荷,采用集中有源滤波方式;对舞台灯光、舞台机械、视频LED等大功率负荷采用就地有源滤波方式。谐波保护器的使用减少设备故障率和机器误操作,克服由于谐波污染导致用电装置电能利用率降低、故障率高的问题,保障设备安全运行。

4 火灾报警消防系统

4.1 消防控制室的设置

根据JGJ 57—2016第8.1.8条规定,剧场应设消防控制室,并应有对外的单独出入口,使用面积不应小于12 m2。随着技术发展,可装设感烟感温自动报警或手动报警系统,发出安全疏散指令;设置防火幕、自动喷水灭火系统,控制加压风机、排烟系统启闭,并显示电源运行情况,可与附近消防站建立远程监控;设置消防控制室,集中管理是非常必要的。

4.2 舞台及观众厅的火灾自动报警系统

根据GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》第5.4.1.2条,点型感烟感温火灾探测器不适宜的大空间、舞台上方、建筑高度超过12 m或有特殊要求的场所,宜选择吸气式感烟火灾探测器。

剧场中,空气采样早期烟雾探测器应具备自清洁功能,以便保证长期的高灵敏度,主要保护范围为舞台及观众厅上方。安装在保护区现场的空气采样早期烟雾探测报警主机均具有四级报警、故障显示等功能,根据情况可以采取直接开孔采样、手杖采样、毛细采样等方式对现场环境进行保护。保护区内装修豪华需要隐蔽安装或有吊顶的宜采用毛细采样方式,保护区内无吊顶但梁高大于600 mm的应采用手杖采样方式,梁下可采用直接开孔采样方式。系统中每台空气采样早期烟雾探测器均内置5个继电器输出信号,分别为故障、预警、行动、火警1、火警2,通过输入模块接入火灾自动报警控制盘,接入故障、预警、火警2三路信号。空气采样早期烟雾探测报警器通过RS-485专用线逐台串联,并通过辅助模块在消防控制中心的专用平台上(工控机和专用监控软件)实现实时监控,并应符合相关规范规定的高灵敏度探测器要求。

4.3 弱电线槽和消防防火线槽的敷设路径

该剧场在舞台的另一侧设弱电井,在人员可以到达的每个标高电井开门洞检修,在其他标高电井封堵。消防控制室、弱电机房设在1F门厅下方。剧场建筑的标高比较复杂,从消防控制室、弱电机房至弱电井的消防防火线槽和弱电线槽走向同样应着重关注。剧场消防控制室、弱电机房标高-0.9 m,1F门厅标高3.3 m,舞台一侧的电井标高0.9 m。消防防火线槽和弱电线槽由消防控制室、弱电机房选择适当位置沿墙爬至门厅顶部,再沿走道顶部至1F电井。

4.4 电气火灾监控系统

JGJ 16—2008《民用建筑电气设计规范》第13.12.1条规定:除住宅外,火灾自动报警系统保护对象分级为一级的建筑物的配电线路,宜设置防火剩余电流动作报警系统[2]。

电气火灾监控系统不仅能够满足安全、经济、可靠供电的要求,而且对文化艺术中心的形象提高有重要作用,因此无论是从管理的角度还是社会效益的角度,对电气火灾实施科学管理及监控都是十分必要。

该系统除具备传统的剩余电流动作、过负荷、短路保护功能外,可通过实时监控、显示并储存故障发生点的剩余电流、温度等状态参数,物业人员可以及时掌握电路运行情况,同时系统具有良好的兼容性,可与火灾自动报警系统相联,实现远程切断火灾发生点的负荷和电源等操作。

4.5 气体灭火系统

根据GB 50370—2005《气体灭火系统设计规范》要求,建筑在变配电室、中心机房、监控中心均设置了超细干粉气体灭火系统,系统是一套独立、完整的系统,通过数据线与消防控制室主机通信。系统的工作原理是:发生火灾时,由火灾报警控制系统探测到火情(感烟探测器和感温探测器两组信号或手动确认),经火灾报警控制器确认并发出灭火指令给输入输出模块(或灭火控制盘),输入输出模块(或灭火控制盘)动作接通灭火装置上的电子起动器电源,致使玻璃球受热膨胀破裂,喷头内的压板受粉罐内压力推动脱落,灭火剂在驱动气体作用下快速喷出灭火。系统采用带自检及反馈的贮压悬挂式超细干粉自动灭火装置,可及时向报警主机反馈真实的释放信号,实现24 h自我监控并反馈装置泄压故障信息[3]。

4.6 防火门监控系统

剧场建筑人员疏散通道较多,且人员经常流动,建筑设计中的常开防火门数量多于常规公共建筑。根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》(2018版)、GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》,建筑内全部防火门均设置防火门监控模块,来确保防火门在发生火灾时能够正常使用。

防火门监控系统负责监测所有位于疏散通道的防火门开启、关闭及故障状态。当火灾发生时,由防火门监控器通过防火门监控模块控制电磁释放器、电动闭门器自动关闭相应区域的常开防火门,常闭防火门由门磁开关反馈当前防火门的开、关及故障状态信息,并上传到防火门监控器[4]。防火门监控器安装于消防控制室内,防火门监控器通过两总线与多个防火门监控模块相连,构成集散式防火门监控系统。监控器能实时接收处理各路监控模块发送的报警或故障信号,同时在液晶屏幕上显示,当模块发生报警或者故障时,监控器能发出声光故障信号,在屏幕上显示故障报警的位置及故障报警类型,并具有数据存储、查询和报警信号控制输出等功能,还具备对监控模块的远程复位功能。

4.7 智慧消防管理云平台

智慧消防综合管理云平台基于物联网、大数据、云计算等现代信息技术,将分散的火灾自动报警设备、电气火灾监控设备、智慧烟感探测器、智慧消防用水等设备连接形成网络,并对这些设备的状态进行智能化感知、识别、定位,实时动态采集消防信息,通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析,帮助实现科学预警火灾目标,适应于剧场建筑等高危场所,可实现无人化值守智慧消防。

4.7.1 火灾防控预警自动化

物联网技术的智慧消防管理平台可将消防水源、消防设施、智能楼宇系统进行全面的监控。在消防水池、管道、消火栓等设施安装传感器,实时统计和监测水流、水量信息,便于相关人员实时查看消防水源数据,通过GIS、GPS系统,将消防水源信息输送至城市中心消防平台,城市消防指挥中心可以通过相关设备及时了解工程的消防水源信息[5]。消防泵、喷淋系统、防火门、烟感器、疏散指示、应急灯等消防设施的相关信息均录入数据库,通过相关传感、监控系统,及时发现未处于正常状态的消防设施,便于消防检查和管理人员进行针对性处理。在发生险情时,通过消防指挥管理中心的远程控制,操控各类消防设施运行,降低火灾损失。

4.7.2 灭火救援智能化

物联网技术的智慧消防管理平台对建筑的不同楼层、不同场所设定相应的身份信息,有助于消防管理的各类建筑结构信息、改造信息、使用信息以及消防设施信息进行系统化记录,能够为消防救援提供重要的信息支持。当火情发生时,消防队员到达现场后可以第一时间了解建筑结构情况,迅速锁定消防设施位置,并制定有效的救援措施。

4.7.3 案例分析

智慧消防物联网中心接到来自2F化妆间光电感烟探测器的自动火警信息。消防控制室值守人员与保安值班人员进行语音核实。保安人员到现场确认是2F化妆间电源插排着火。系统自动将该真实火警信息传至119指挥调度中心,火灾着火面积较大时指挥中心迅速派出车辆成功灭火。

剧场舞台区域信息的采集工作,通过数字视频监控系统进行实时的监控,获得更加全面、准确、完整的信息。同时做好信息数据的反馈,借助消防云智慧平台以及传输网数据服务器进行信息的整理反馈,从而实现信息的分级处理以及信息的流动。