TOD超高層辦公樓水消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

摘要：TOD是新城市主義最具代表性的模式之一，其中超高層建筑已經(jīng)成為TOD的重要組成部分，其往往具有體量龐大、用途廣泛、功能復(fù)雜、設(shè)備繁多、人員密集、火災(zāi)危險(xiǎn)性高等特點(diǎn)。一旦發(fā)生火災(zāi)，撲救困難，損失巨大，后果嚴(yán)重。因此，TOD模式下的超高層建筑要求配備比一般建筑更為安全可靠的消防水系統(tǒng)。本文以紹興市某TOD超高層辦公樓為案例，對整個(gè)設(shè)計(jì)過程中所總結(jié)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)、技術(shù)難點(diǎn)和方案制定過程中具有代表性的問題進(jìn)行全面深入分析比對，并對消防供水系統(tǒng)的選擇、超壓及減壓措施及可靠性措施等設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了探討，力求為今后超高層建筑的水消防系統(tǒng)建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：超高層辦公建筑；消火栓系統(tǒng)；自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)；減壓TOD模式是指“以公共交通為導(dǎo)向的發(fā)展模式”項(xiàng)目。為通過土地使用和交通政策來協(xié)調(diào)城市發(fā)展過程中產(chǎn)生的交通擁堵和用地不足的矛盾，將商業(yè)、住宅、辦公、酒店等設(shè)置在步行可達(dá)的公交、地鐵、高鐵范圍內(nèi)。本項(xiàng)目的TOD中超高層辦公樓位于紹興市紹興北站以南，超高層辦公樓總建筑面積10萬m2，建筑高度1374m，形象高度14990m，共32層，也是本TOD項(xiàng)目中最高建筑物。本辦公樓地下與TOD群中酒店、商業(yè)、高鐵站換乘大廳、出租車上車區(qū)、地下車庫等相連。因此，在TOD模式下的超高層辦公樓比一般辦公樓有更高的火災(zāi)危險(xiǎn)性，一旦發(fā)生火災(zāi)，其影響大、范圍廣，勢必會(huì)造成巨大損失。一、消防系統(tǒng)介紹和分析本超高層建筑共32層，共設(shè)置兩個(gè)避難層，分別位于12層（建筑地面相對標(biāo)高46.90m）和23層（建筑地面相對標(biāo)高96.70m），消防系統(tǒng)包含室內(nèi)外消火栓系統(tǒng)、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)和建筑滅火器配置。本文主要就消火栓系統(tǒng)和自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)進(jìn)行討論。（一）消防水源超高層建筑消防系統(tǒng)是保證安全的關(guān)鍵，室內(nèi)消防水源是消防安全的關(guān)鍵。本工程消防用水水源為市政給水管網(wǎng)，滿足兩路水源要求。市政給水管網(wǎng)供水最低壓力為0.2MPa。消防水池位于地下一層，消防用水量見表1。消防用水全部儲(chǔ)存于地下一層消防水池內(nèi)，水池有效容積774m3。由于辦公樓為TOD群中最高的建筑物，因此在辦公樓屋面設(shè)置有效貯水容積為50m3的高位消防水箱，水箱間設(shè)穩(wěn)壓裝置。消火栓、自動(dòng)噴水系統(tǒng)共用高位水箱，穩(wěn)壓裝置分設(shè)。消防水池、消防水箱最低報(bào)警水位設(shè)置在低于正常水位100mm處，以確保有效滅火水量，同時(shí)設(shè)置最高、最低、超低報(bào)警水位。（二）室內(nèi)消火栓系統(tǒng)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[1]（GB50974-2014）第6.2.1條規(guī)定，下列情形的消防給水系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行分區(qū)給水：系統(tǒng)工作壓力大于2.4Mpa；消火栓栓口處靜壓大于1.0MPa；自動(dòng)水滅火系統(tǒng)報(bào)警閥處工作壓力大于1.6MPa或噴頭處工作壓力大于1.2MPa。本工程辦公樓建筑高度為137.4m，對消火栓及噴淋系統(tǒng)都進(jìn)行分區(qū)，超高層消火栓系統(tǒng)常用的分區(qū)方式有以下幾種：水泵轉(zhuǎn)輸水箱串聯(lián)供水；消防水泵并聯(lián)分區(qū)給水方式；重力水箱+減壓水箱供水。方式一為在地下消防泵房內(nèi)設(shè)置一組消防主泵，將轉(zhuǎn)輸水泵與水箱安裝在建筑中間避難層或者設(shè)備層，穩(wěn)壓水箱及水泵設(shè)置在屋頂。方式二是系統(tǒng)各分區(qū)均在地下消防泵房內(nèi)設(shè)置獨(dú)立的消防水泵為各區(qū)供水，該方式各分區(qū)消防供水相對獨(dú)立，消防水泵集中設(shè)置，穩(wěn)壓泵及水箱設(shè)置在屋頂。方式三為常高壓消防給水系統(tǒng)，此系統(tǒng)為在屋頂設(shè)置高位消防水池，火災(zāi)時(shí)由屋頂消防水池向建筑物內(nèi)消防系統(tǒng)進(jìn)行供水，高位消防水池容積滿足一次火災(zāi)所需室內(nèi)消防系統(tǒng)的總用水量。三種方式的優(yōu)缺點(diǎn)見表2。余杰生[2]等研究表明，對于150m以下的超高層建筑，優(yōu)先使用并聯(lián)分區(qū)給水方式；介于150m-250m的超高層，建議采用水泵轉(zhuǎn)輸水箱串聯(lián)分區(qū)給水方式；超過250m的建筑，應(yīng)采用重力水箱+轉(zhuǎn)輸水箱供水方式。本工程消火栓系統(tǒng)采用臨時(shí)高壓并聯(lián)分區(qū)供水方式，該超高層辦公樓消火栓系統(tǒng)豎向分為一、二、三區(qū)；一區(qū)：-2層～12層，由地下一層泵房消火栓加壓泵組及泵房內(nèi)的減壓閥組供水；二區(qū)：13層～23層，由地下一層泵房消火栓加壓泵組及23層避難層的減壓閥組供水。三區(qū)：24層～32層，由地下一層水泵房供水。此供水方式的優(yōu)點(diǎn)為：系統(tǒng)簡單，水泵集中設(shè)置在地下，便于維護(hù)及管理；節(jié)省土建造價(jià)；噪聲污染小。一、二區(qū)各設(shè)置3個(gè)水泵接合器與地下一層的環(huán)狀管道連接；由于消防車供水壓力約100m，遠(yuǎn)達(dá)不到超高層揚(yáng)程要求，因此三區(qū)設(shè)置3個(gè)水泵接合器接入環(huán)狀輸水管上，并預(yù)留供手抬泵吸水和加壓的快速接口保證火災(zāi)時(shí)滅火系統(tǒng)可靠性，供水壓力及分區(qū)。（三）自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)本建筑除不能用水撲救的場所外，其余均設(shè)有自動(dòng)噴水滅火裝置。超高層辦公樓共設(shè)12個(gè)濕式報(bào)警閥，各報(bào)警閥處的系統(tǒng)工作壓力均不超過1.6MPa，負(fù)擔(dān)噴頭數(shù)不超過800只（不計(jì)吊頂內(nèi)噴頭），且噴淋管道的工作壓力不大于1.2MPa[3]。本項(xiàng)目的噴淋泵揚(yáng)程經(jīng)計(jì)算選取了190m，將部分濕式報(bào)警閥組提升至12層、23層避難層滿足了規(guī)范不超過1.60MPa的要求，在超壓防火分區(qū)主干管上、遙控信號(hào)閥后水流指示器前設(shè)置減壓孔板來保證配水管入口壓力不超過0.4MPa。自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)供水與消火栓系統(tǒng)供水形式相同，采用減壓閥組分區(qū)供水方式，共用屋頂消防水箱與地下一層消防水池。供水系統(tǒng)采用臨時(shí)高壓系統(tǒng)，在地下消防泵房設(shè)置一組噴淋泵，豎向分2區(qū)：一區(qū)：-2層～12層，二區(qū)：13層～32層；噴淋水泵出水環(huán)管上接出兩根噴淋管經(jīng)減壓閥組減壓后供一區(qū)自噴系統(tǒng)用水，二區(qū)自噴系統(tǒng)用水直接由水泵出水環(huán)管上接出兩根主立管分別接至12F及23F報(bào)警閥間。二、水消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)重難點(diǎn)討論（一）減壓閥組設(shè)置目前比較常用的減壓方式有減壓閥減壓、減壓孔板、減壓穩(wěn)壓消火栓等。減壓孔板通過減小過流面積形成較大的局部水頭損失，但只能用來減動(dòng)壓。減壓閥可分為比例式減壓閥和可調(diào)式減壓閥兩種，比例式減壓閥構(gòu)造簡單、安裝方便、不需要人工調(diào)節(jié)；可調(diào)式減壓閥構(gòu)造復(fù)雜、體積大、價(jià)格較高，但可調(diào)節(jié)壓力[4]。比例式減壓閥只能減動(dòng)壓，可調(diào)式減壓閥可減靜壓。本工程消火栓及自噴系統(tǒng)均是分別由一組消防水泵供水，采用減壓閥組進(jìn)行并聯(lián)分區(qū)。栓口動(dòng)壓超0.5MPa的消火栓采用減壓穩(wěn)壓消火栓。自噴系統(tǒng)超壓樓層在配水管入口設(shè)置減壓孔板進(jìn)行減壓。此減壓分區(qū)方式既保證減壓系統(tǒng)的可靠性，又節(jié)省管道、減少閥門、增加系統(tǒng)穩(wěn)定性[5]。消火栓或者自噴系統(tǒng)低區(qū)僅通過比例式減壓閥減壓達(dá)不到閥后的壓力要求，僅設(shè)置可調(diào)式減壓閥，經(jīng)計(jì)算需要的數(shù)量較多，因此就需要組合設(shè)置。例如：消火栓系統(tǒng)低區(qū)減壓閥組設(shè)置在消防泵房內(nèi)，按照減壓閥組前壓力為P1=1.9MPa計(jì)算，低區(qū)最不利消火栓栓口與消防泵出水口高程差△H1為53.1m=0.531MPa，按照低區(qū)最不利消火栓栓口壓力0.25MPa進(jìn)行計(jì)算，減壓閥組要減壓P1-△H1-0.25=0.869MPa。按規(guī)范要求考慮使用比例式減壓閥，該類減壓閥減壓比[6]一般為2∶1，3∶1，3∶2，首先選用3∶2的比例式減壓閥，閥后壓力為1.27MPa，未達(dá)到壓力值要求，因此需要再串聯(lián)一個(gè)先導(dǎo)式減壓閥作為二級(jí)減壓閥，二級(jí)閥后壓力為1.0MPa，共減壓0.9MPa，閥后壓力1.0MPa。（二）水泵參數(shù)的選擇消防水泵揚(yáng)程計(jì)算公式如下：P=K2（∑Pf+∑Pp）+0.01H+P0其中：P為消防水泵或消防給水系統(tǒng)所需要的設(shè)計(jì)揚(yáng)程或設(shè)計(jì)壓力（MPa）；∑Pf+∑Pp為沿程水頭損失與局部水頭損失之和；K2為安全系數(shù)；P0為最不利點(diǎn)水滅火設(shè)施所需的設(shè)計(jì)壓力（MPa），取0.35MPa。本項(xiàng)目基本采用了一泵到頂?shù)脑O(shè)計(jì)方式，消火栓系統(tǒng)及噴淋系統(tǒng)的水泵揚(yáng)程均為190m，《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》GB50974-2014第5.1.6節(jié)規(guī)定了水泵的選擇在零流量時(shí)壓力不應(yīng)大于設(shè)計(jì)工作壓力的140%。目前設(shè)計(jì)工作壓力為190MPa，如果按零流量時(shí)1.4倍的壓力選泵，那么壓力為266MPa，超過了上述規(guī)范第6.2.1條系統(tǒng)工作壓力不大于2.4MPa的規(guī)定，因此在泵組參數(shù)上需要注明要求水泵零流量時(shí)的壓力不大于設(shè)計(jì)工作壓力的1.3倍，即可滿足規(guī)范要求。（三）加強(qiáng)可靠性的措施超高層建筑外部消防救援比較困難，其滅火設(shè)計(jì)立足于自救，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)是有效的滅火系統(tǒng)，最基本的是提高自噴系統(tǒng)內(nèi)各組件的可靠性。提升可靠性的措施可分為兩類：一是提高組件的可靠度或增加備用量。二是將組件的不安全影響控制在一定范圍內(nèi)，對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制[7]。在此基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目通過以下幾方面來加強(qiáng)其可靠性。首先，本工程不僅報(bào)警閥間前端管道設(shè)置為環(huán)狀，且連接報(bào)警閥組的管道也設(shè)置為環(huán)狀，此方式可減少因某一報(bào)警閥組故障或檢修而導(dǎo)致無法供水的概率；其次，本工程所有用于自噴系統(tǒng)的閥門均采用遙控信號(hào)閥或自身帶鎖具，且報(bào)警閥組后除水流指示器后的遙控信號(hào)閥外不再設(shè)置其余閥門，此方式可避免因閥門人為誤關(guān)對系統(tǒng)產(chǎn)生的嚴(yán)重影響；再次，本工程設(shè)計(jì)中將所有末端試水裝置集中位置設(shè)置，并接入專用排水斗內(nèi)，便于集中管理與維護(hù)。最后，辦公大堂屬于2層挑高區(qū)域，其凈空高度約9.4m，大堂的自噴噴頭由立管上直接引出干管連接，并在挑高區(qū)域內(nèi)單獨(dú)設(shè)置水流指示器，噴頭采用快速響應(yīng)噴頭。（四）水泵接合器與手抬泵的設(shè)置《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB50974-2014）規(guī)定消防給水為豎向分區(qū)供水時(shí)，在消防車供水壓力范圍內(nèi)的分區(qū)應(yīng)分別設(shè)置水泵接合器；當(dāng)建筑高度超過消防車供水高度時(shí)，消防給水應(yīng)在設(shè)備層等方便操作的地點(diǎn)設(shè)置手抬泵或移動(dòng)泵接力供水的吸水和加壓接口。水泵結(jié)合器的作用是發(fā)生火災(zāi)時(shí)室內(nèi)消防泵無法使用或室內(nèi)消防水量不足的情況下，需要消防車向室內(nèi)消防管網(wǎng)補(bǔ)充用水。噴規(guī)對水泵接合器的描述中要求超高區(qū)的壓力不足時(shí)可通過設(shè)置接力水箱和接力泵來滿足最不利點(diǎn)所需的壓力和流量。我國普通消防車供水高度為80～120m，手抬泵的揚(yáng)程通常在60m～80m[8]，對于150m以下的超高層建筑會(huì)設(shè)置兩個(gè)及以上的避難層，一般在第一個(gè)或第二個(gè)避難層設(shè)置手抬泵接口即可；對于150m以上的超高層建筑，僅設(shè)置一級(jí)手抬泵進(jìn)行接力無法將消防車內(nèi)水送至最不利區(qū)域，而設(shè)置級(jí)數(shù)越多越要求其工作的統(tǒng)一性和可靠性越高，因此此類超高層可設(shè)置備用柴油泵作為接力泵，避免設(shè)置手抬泵接力次數(shù)太多的弊端。本工程總高度不超150m，設(shè)置方式相對簡單，所有區(qū)水泵結(jié)合器接口均設(shè)置于首層室外，在第二避難層設(shè)置手抬泵接口，通過手抬泵二次加壓將水送至高區(qū)消防系統(tǒng)。結(jié)語TOD模式下的建筑消防設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)的重中之重，對于消防系統(tǒng)的選型應(yīng)綜合經(jīng)濟(jì)、合理、可靠及可維護(hù)性等多方面因素來確定，不同建筑高度范圍的超高層選擇不同的供水方式；