消防给水系统在超高层建筑的应用及优化

罗美丽

摘要：为了探究消防给水系统在超高层建筑的应用及优化，以国内某超高层建筑群项目为研究对象，对该超高层建筑用水规律进行分析，提出了屋顶消防水池重力供水结合地下连通的重力供水方式，并采用ZW消防增压稳压设备对该项目消防给水系统进行优化。结果表明，优化后的超高层建筑水流量基本稳定在54～69 L/s之间，满足消防给水需求。且优化后的方案能显著提高消防给水系统的可靠性，并增强系统在火灾应急情况下的性能和安全性。本研究对超高层建筑群的消防给水系统设计和优化具有重要意义，可为类似项目提供参考和指导。

关键词：超高层建筑；消防给水系统；系统优化

超高层建筑的建设给城市消防工作带来了巨大挑战，其一旦发生火灾，往往具有极高的危险性。同时，高层建筑的消防给水系统也因为其所在的楼层较高，而随时出现给水困难的问题。目前，已有众多学者针对消防给水系统在超高层建筑中的应用及其优化问题进行了深入研究。刘焱[1]针对超高层建筑消防给水系统供水压力大的问题提出了优化设计方法，并指出为保证消防给水系统的供水安全可靠。刘志恒[2]以某商业小区高层建筑为研究对象，通过分析该小区高层建筑的用水规律后，使用增压设备对该小区的高层建筑的消防给水系统进行了优化。余红霞[3]等人对消防供水传输系统进行关键组件识别，发现水泵对系统可靠性的影响最大，并确定了水泵的可靠度的计算方法，结合系统设计需求，得出了消防给水系统的可靠度。

1 工程项目概况

本研究依托于国内某超高层建筑群项目，旨在探究消防给水系统在该超高层建筑中的应用及优化。该超高建筑群项目的基本信息见表1。

2 超高层建筑用水规律

分析超高层建筑用水规律，对于优化消防给排水系统至关重要，可提高消防安全性并提升超高层建筑的综合运行效果。为此，本研究选择了用水量最高的夏季，并选用时差法超声波流量计对该项目的最高建筑物（二号双子塔楼）进行了持续30天的用水监测，监测起始时间为2022年6月3日，结束时间为2022年7月3日，监测流量的计算公式如式（1）所示。

根据公式（1）计算出该高层建筑30天内用水变化，结果见图1。

根据图1可知，在整个观测期间内，二号双子塔楼日用水量均超过了120m3，且整体用水量呈现上升趋势。此外，最大日用水量出现在2022年6月12日，为216.9m3，最小日用水量出现在2022年6月6日，为126.5m3。出现上述现象的原因是观测期间正值炎热的夏季，居民因为吹空调、洗澡、浇花等活动的增加，而导致日用水量上升。

为了保证该超高层建筑消防给水系统在火灾等紧急情况下能够提供足够的水源和压力，本研究对最大日用水量日（2022年6月12日）进行了24h的用水监测，结果见图2。

根据图2可知，二号双子塔楼在2022年6月12日的不同时段其用水量表现出不同的变化趋势，但整体上，该天用水量出现了4个峰值，分别在7点、12点、16点和21点。出现上述现象的原因是7点为常见的用水高峰时段，人们通常在这个时间段进行洗漱、烹饪等活动，因此用水量相对较高；而12点用水量较高是因为在炎热的夏季；16点通常是室内温度最高的时候，为了提供舒适的室内环境，超高层建筑中的空调系统会在这个时间段增加制冷负荷，导致用水量的增加；此外，21点也是用水高峰，这则是由于居民通常会在这个时间段内进行洗澡、刷牙、洗脸等个人卫生活动，导致用水量增加。

3 消防给水系统优化

本次超高层建筑群项目消防给水系统优化拟采用三种优化方案。

A方案为水泵转输水箱串联加压消防给水系统，即在地下室内设置了集中地下消防水池、水泵房，并通过低区消防供水泵和高区消防转输泵向不同区域供水。该方案的优点是适用性强，消防水泵和管道承压等级较低；缺点是设备投资增加、维护困难、需要占用大量机房面积以及高层建筑供水压力不足。

针对A方案的缺点提出了B方案，即在每栋超高层建筑的屋顶设置消防水池，供水采用重力供水。与A方案相比，这种系统的优点是设施较少、联动控制简单；缺点是每栋超高层建筑都需要设置大容量的高位消防水池，增加了结构荷载和设施数量。

针对B方案的不足再进行优化，提出了C方案，即每栋超高层建筑增加了屋顶消防水池的重力供水立管和地下连通的重力供水总管，同时采用了ZW消防增压稳压设备，用以有效地应对较高的建筑高度、长距离供水管道或其他水压不足的情况。为了对比C方案对该超高层建筑消防给水系统的优化效果，本文对优化前后该高层建筑的水流量进行了监测，结果见图3。

根据图3可知，未使用增压稳压设备时，随着楼层数的增高，各超高层建筑的水流量逐渐降低，其中1号和2号楼在32层时消防水流量为25L/s左右，并不能满足超高层建筑的消防需求。使用增压稳压设备后，该超高层建筑的水流量基本稳定在54～69L/s，这说明通过增压稳压设备的使用，可以解决楼层消防水流量不足的问题，确保消防系统能够在不同楼层提供稳定的水流量，满足相应的消防需求。

4 消防给水系统可靠性比较

消防给水系统的可靠性比较能为消防给水系统方案的选择提供依据。据此，本文为了确定各方案的可靠性，通过薛学斌[4]提出的消防给水系统可靠性计算模型评估了各优化方案的可靠性，模型中串联系统评估公式如式（2）所示，并联系统评估公式如式（3）所示。

式中：F——系统的总可靠度；

Fi——系统中i单元的可靠度。

根据式（2）和式（3）计算得到各方案的可靠度结果见图4。

图4  各优化方案的可靠度

根据图4可知，最初拟定的方案A的可靠度为0.9，经过后续不断优化，方案的可靠度有显著的提升，方案C的可靠度更是达到0.96。这表明通过不断改进和优化设计，采用方案C可以显著提高消防给水系统的可靠性，提高供水能力的稳定性，并增强系统在火灾应急情况下的性能和安全性。

5 结束语

本文以某超高层建筑群项目为研究对象，通过分析该超高层建筑用水规律，提出了针对该超高层建筑的消防给水系统优化方案，并得出以下结论：

①通过时差法超声波流量计对该项目的用水规律进行监测后发现，在整个观测期间内，二号双子塔楼的日用水量均超过了120m3，且整体用水量呈现上升趋势，最大日用水量出现在2022年6月12日，为216.9m3，最小日用水量出现在2022年6月6日，为126.5m3。此外对该超高层建筑在2022年6月12日的用水量进行监测发现，在不同时段其用水量表现出不同趋势的变化，但整体上，该天用水量出现了4个峰值，分别在7点、12点、16点和21点。

②对优化前后该超高层建筑的水流量进行了监测，发现使用增压稳压设备后，该超高层建筑的水流量基本稳定在54～69L/s，这说明通过优化可以解决楼层消防水流量不足的问题，满足相应的消防需求。

③通过相关学者提出的消防给水系统可靠性计算模型评估了各优化方案的可靠性，发现最初拟定的方案A的可靠度為0.9，经过后续不断优化，方案的可靠度有显著的提升，方案C的可靠度更是达到0.96。表明通过不断改进和优化设计，采用方案C可以显著提高消防给水系统的可靠性。

④对超高层建筑的消防给水系统的最大供水高度和消防水源设计进行了讨论，在设计消防给水系统时，需要考虑最大供水高度以及合适的消防水源，以确保系统能够满足消防需求，并提高火灾安全性。

参考文献

[1]刘焱，贺墨梅.超高层建筑消防给水系统的优化[J].给水排水，2008，44（S2）：95-98.

[2]刘志恒.高层建筑消防给水系统优化设计[J].中国新技术新产品，2023（1）：143-145.

[3]余红霞，张铁辉，王汉良.超高层建筑消防供水系统可靠度比较[J].消防科学与技术，2016，35（3）：356-358.

[4]薛学斌.300米以下超高层建筑消防问题讨论[J].给水排水，2017（1）：107-115.