防火分隔水幕在工程運(yùn)用中的問題探討

楊靜 黃丹

摘要：結(jié)合現(xiàn)階段防火分隔水幕系統(tǒng)試驗(yàn)研究成果及工程設(shè)計(jì)實(shí)際情況，提出了防火分隔水幕設(shè)計(jì)方法，對(duì)今后的防火分隔水幕設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。當(dāng)采用水幕噴頭的防火分隔水系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)噴頭布水曲線圖與噴頭灑水量的分布曲線圖進(jìn)行設(shè)計(jì);當(dāng)采用開式灑水噴頭的防火分隔水幕系統(tǒng)可按噴水強(qiáng)度為20 L/（min·m2）進(jìn)行設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：防火分隔水幕; 水幕噴頭; 開式灑水噴頭; 噴水強(qiáng)度

1 ? 引言

防火分隔水幕由開式灑水噴頭或水幕噴頭、雨淋報(bào)警閥組或感溫雨淋閥，以及水流報(bào)警裝置（水流指示器或壓力開關(guān)）等組成。通過噴頭密集噴灑形成水墻或水簾，用于阻火、冷卻、隔離作用的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)。在建筑設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)防火分隔設(shè)計(jì)是防火設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，有時(shí)會(huì)遇到需要設(shè)置防火分隔但又不便于設(shè)置防火墻、防火卷簾等分隔措施的開口部位，如工業(yè)廠房中不能中斷的生產(chǎn)線、民用建筑需消防車穿行的通道等，這種情況下通常采用設(shè)置防火分隔水幕系統(tǒng)的方式作為傳統(tǒng)防火分隔措施的等效替代，既不會(huì)破壞原有建筑的格局，又能滿足火災(zāi)發(fā)生后受困人員和消防人員的通行需求，同時(shí)具有防火分隔功能。

目前，防火分隔水幕系統(tǒng)在工程中存在若干問題。一方面，暫無相關(guān)的教材、手冊(cè)及規(guī)范對(duì)其設(shè)計(jì)計(jì)算詳細(xì)的介紹，這使得噴頭布置間距缺乏計(jì)算數(shù)據(jù)支撐，更無法核實(shí)在實(shí)際的工作壓力下噴頭布置是否滿足規(guī)范相關(guān)要求;另一方面，采用開式灑水噴頭的防火分隔水幕系統(tǒng)噴頭的選型原則（直立型或下垂型）及適用條件均無相關(guān)的規(guī)定，這容易造成在某些特殊情況下選擇噴頭不當(dāng)影響水幕的隔熱阻煙的效果而危害人身財(cái)產(chǎn)安全。為此，在防火分隔水幕系統(tǒng)相關(guān)試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，結(jié)合工程設(shè)計(jì)中的實(shí)際情況，探索防火分隔水幕設(shè)計(jì)計(jì)算方法，旨在為防火分隔水幕的設(shè)計(jì)提供必要的指導(dǎo)價(jià)值。

2 ? 現(xiàn)狀

2.1 ?研究現(xiàn)狀

因防火分隔水幕系統(tǒng)在實(shí)際工程中運(yùn)用的普遍性，以及其在設(shè)計(jì)過程中存在若干問題。業(yè)內(nèi)專業(yè)人士嘗試通過噴水試驗(yàn)來探索水幕系統(tǒng)適用領(lǐng)域、隔煙阻熱效果及其影響因素來指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)與實(shí)施。其中，王輝通過對(duì)高大空間防火分隔水幕試驗(yàn)研究得出按常規(guī)設(shè)置仍然能夠有效阻止火災(zāi)蔓延，具有一定的隔熱降溫效果;同時(shí)大型水幕啟動(dòng)時(shí)，水幕帶動(dòng)空氣產(chǎn)生較大的側(cè)向風(fēng)，風(fēng)速可達(dá)4m/s，能夠有效阻止煙氣向相鄰防火分區(qū)蔓延。李濤等人通過對(duì)受限空間水幕隔熱阻煙性能研究得出水幕對(duì)火災(zāi)上層空間高溫空間隔熱降溫效果明顯。同時(shí)，對(duì)火災(zāi)前期煙氣的阻擋效果明顯，火災(zāi)后期煙氣穿透能力增強(qiáng)，存在少量煙氣穿透現(xiàn)象。此外，噴灑形成的水霧粒徑越小、分布越密集，對(duì)熱輻射的吸收和散射作用越強(qiáng)。仲晨華等人對(duì)水幕系統(tǒng)性能研究中得出影響水幕防火分隔效果的主要因素是水幕用水量、厚度以及水幕水滴的密集程度，同時(shí)大跨度大空間采用防火分隔是可行的。楊丙杰[4]等認(rèn)為噴頭安裝高度超過規(guī)范的高度后，水幕系統(tǒng)仍具有較好的防火隔熱性能。但在相同的噴水強(qiáng)度下，其防火隔熱性能也有所降低。當(dāng)噴頭安裝高度為 18 m 時(shí)，需將防火分隔水幕系統(tǒng)的噴水強(qiáng)度提高至 2.2 L/（s·m），才能達(dá)到不低于噴頭安裝高度為 12 m 時(shí)的防火隔熱效果。

綜上所述，業(yè)內(nèi)專業(yè)人士通過研究水幕的隔熱阻煙機(jī)理、效果及適用范圍，評(píng)價(jià)噴頭壓力、保護(hù)高度、保護(hù)寬度等重要參數(shù)對(duì)水幕隔熱阻煙性能的影響，為消防水幕隔熱阻煙性能研究提供理論依據(jù)及工程設(shè)計(jì)提供重要參數(shù)。但仍存在諸多不足，對(duì)工程設(shè)計(jì)指導(dǎo)具有一定的局限性。主要體現(xiàn)在一下幾個(gè)方面：1）所有試驗(yàn)中噴頭布置間距均未按規(guī)范中所要求的噴水有效灑水寬度不低于6m來試驗(yàn)，同時(shí)未對(duì)重要設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇（噴頭布置間距）做相關(guān)的試驗(yàn)研究，以及未實(shí)測(cè)噴水強(qiáng)度;2）均未對(duì)開式灑水噴頭的布置方向做對(duì)比研究。目前對(duì)防火分隔水幕中的開式灑水噴頭采用直立型還是下垂型存在爭(zhēng)議。若采用直立型存在梁系阻擋影響，尤其是鋼結(jié)構(gòu)等梁系復(fù)雜的情況阻擋更加明顯，是否需要增設(shè)噴頭，對(duì)水幕系統(tǒng)而言目前無規(guī)范要求。若采用下垂型噴頭，在噴頭與梁之間就存在空隙，則6m寬度水幕是否能隔離熱輻射，噴頭噴水時(shí)產(chǎn)生的下降氣流是否能阻止煙氣通過等問題還待試驗(yàn)研究來證明。作者認(rèn)為在未提供相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)情況下，采用下垂型較為合適，必定水幕噴頭均是向下噴射;3）對(duì)于采用水幕噴頭的防火分隔水幕，均未對(duì)單排噴頭的有效覆蓋寬度做相關(guān)的試驗(yàn)研究。若覆蓋寬度較薄時(shí)容易受氣流破壞幕墻，尤其是處于上升式的棧橋等構(gòu)筑物對(duì)空氣抽吸較強(qiáng)的情況。目前對(duì)水幕噴頭布水線有效覆蓋區(qū)域暫無手冊(cè)、規(guī)范及規(guī)程記錄，這對(duì)采用水幕噴頭的防火分隔水幕設(shè)計(jì)來講缺少理論的支撐。為此，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況進(jìn)一步針對(duì)性的做相關(guān)試驗(yàn)研究來完善現(xiàn)階段理論上的不足。

2.2 ?設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

目前對(duì)于防火分隔水幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，無論教材、設(shè)計(jì)手冊(cè)還是設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)其計(jì)算過程均無詳細(xì)的介紹。僅有的設(shè)計(jì)依據(jù)為《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50084-2017）中對(duì)防火分隔水幕的兩條要求：1）5.0.14條防火分隔水幕噴點(diǎn)高度≤12m;噴水強(qiáng)度2L/（s·m）;噴頭工作壓力0.1MPa。2）7.1.16條防火分隔水幕的噴頭布置，應(yīng)保證水幕的寬度不小于6m;采用水幕噴頭時(shí)，噴頭不應(yīng)少于3 排;采用開式灑水噴頭時(shí)，噴頭不應(yīng)少于2 排。可供防火分隔水幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考的為《給水排水標(biāo)準(zhǔn)圖集》04S206]（見圖2.1-圖2.2）及《華北地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)圖集》91SB12-1（2007），但部分業(yè)內(nèi)人士[8～9]對(duì)于華北標(biāo)準(zhǔn)圖集中防火分隔水幕噴頭布置要求存在爭(zhēng)議。主要體現(xiàn)在當(dāng)采用開式灑水噴頭時(shí)，水幕有效寬度是否達(dá)到6m有待考證。為此，防火分隔水幕的設(shè)置為滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，尋求合理的設(shè)計(jì)參數(shù)作為工程設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。

基于上述原因，業(yè)內(nèi)專業(yè)人士通過推理的方法，提出了基于開式灑水噴頭設(shè)置條件下的防火分隔水幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算公式。如下：

其中（以下參數(shù)類同）：

作者對(duì)以上計(jì)算方法的提出存在異議。主要體現(xiàn)在一下幾個(gè)方面。公式一存在以下問題有：1）噴頭的有效覆蓋面積非噴頭的灑水面積，使得有效噴水強(qiáng)度偏小;2）規(guī)范中的噴水強(qiáng)度并非單排噴頭出流量達(dá)到整個(gè)分隔水幕所需的流量，這又使得噴水強(qiáng)度偏大;3）無法核實(shí)有效覆蓋寬度達(dá)到6m以及每排噴頭間是否存在空隙。公式二存在的問題如下：1）公式的推導(dǎo)過程按門洞結(jié)構(gòu)特征的防火分隔水幕系統(tǒng)，同時(shí)只設(shè)置2排噴頭，這使得其他結(jié)構(gòu)特征（如隧道等）及設(shè)置3排噴頭的水幕系統(tǒng)計(jì)算而言，完全不適用;2）同樣無法核實(shí)有效噴灑寬度等。鑒于此，尋求合理的計(jì)算方法迫在眉睫。

3 ? 水幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于防火分隔水幕而言，選擇不同的噴頭，其布置要求與計(jì)算方法均不同。對(duì)于采用水幕噴頭的防火分隔水幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算，目前因缺乏足夠的理論支撐，且無詳細(xì)的計(jì)算過程。作者認(rèn)為現(xiàn)階段水幕噴頭的布置應(yīng)根據(jù)廠家提供的水幕噴頭布水曲線圖與水幕噴頭灑水量的分布曲線圖共同確定。因《給排水標(biāo)準(zhǔn)圖集》04S206推薦防火分隔水幕采用開式灑水噴頭，為此，防火分隔水幕采用水幕噴頭時(shí)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程暫不作介紹。本文重點(diǎn)討論采用開式噴頭時(shí)防火分隔水幕的設(shè)計(jì)方法。

3.1 ?開式灑水噴頭設(shè)置

3.1.1 ? 計(jì)算方法探討

《自動(dòng)噴水滅火設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50084-2017中要求防火分隔水幕噴水強(qiáng)度2L/（s·m），而該噴水強(qiáng)度為線噴水強(qiáng)度，這就給設(shè)計(jì)帶來較大的困惑。首先，無法核實(shí)所設(shè)計(jì)噴頭有效覆蓋寬度是否達(dá)到6m，其次，無法核實(shí)噴灑強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。鑒于此，為了滿足噴灑強(qiáng)度與覆蓋寬度，作者認(rèn)為應(yīng)將規(guī)范中的線噴水強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為面噴灑強(qiáng)度。設(shè)水幕寬度為L，其水量Q=2L，需保護(hù)的面積為M=6L，則最低噴灑強(qiáng)度q’=2L×60/6L=20L/（min·m²）。其設(shè)計(jì)計(jì)算方法按噴水強(qiáng)度為20L/（min·m²）下的常規(guī)自噴系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行。計(jì)算公式如下：

（1）當(dāng)采用正方形布置時(shí)，噴頭間距

（2）噴頭矩形布置計(jì)算公式如下：

（3）菱形布置計(jì)算公式如下：

3.1.2 ? 噴頭最小間距

本文以K=80、工作壓力為0.1MPa探討開式灑水噴頭各類型布置最小間距要求。

經(jīng)復(fù)核，三排噴頭布置時(shí)能滿足6m寬度的要求，若僅布置兩排噴頭，則設(shè)計(jì)壓力需要0.51MPa。即使采用K=115的噴頭，壓力也需要0.25MPa，其噴頭間距A=3m。

（2）矩形布置

為滿足規(guī)范中所要求的覆蓋寬度6m，則B≥2m（噴頭三排布置）或B≥3m（噴頭二排布置）。

有此可知，當(dāng)噴頭布置三排時(shí)，間距A≤2m均滿足設(shè)計(jì)要求;若布置兩排，工作壓力為0.1MPa時(shí)無法滿足設(shè)計(jì)要求。要實(shí)現(xiàn)兩排矩形布置，其壓力等級(jí)不低于方形布置時(shí)的要求。

二排噴頭布置：

覆蓋寬度為：2.1×2=4.2m<6m （不滿足設(shè)計(jì)要求）。為了使其滿足設(shè)計(jì)要求則：B=3m，即：R=2m，所需最低工作壓力為0.4MPa。

綜上，對(duì)于《華北地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)圖集》91SB12-1中的要求（工作壓力為0.1MPa，每排噴頭間距與噴頭排距S值為1.05m（三排）與1.40m（二排））而言，是不滿足規(guī)范中所要求的有效覆蓋寬度不小于6m的條件。

4 ? 結(jié)論

本文結(jié)合現(xiàn)階段防火分隔水幕系統(tǒng)相關(guān)的試驗(yàn)研究成果以及工程運(yùn)用中存在的若干問題，通過推理提出了防火分隔水幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法，同時(shí)得出以下結(jié)論：1）采用水幕噴頭的防火分隔水幕噴頭間距的應(yīng)根據(jù)噴頭布水曲線圖與噴頭灑水量的分布曲線圖共同確定;2）采用開式灑水噴頭的防火分隔水幕的可按噴水強(qiáng)度為20L/（min·m²）進(jìn)行設(shè)計(jì);3）K=80開式灑水噴頭，工作壓力為0.1MPa時(shí)，至少需要布置三排噴頭。若僅布置兩排噴頭時(shí)，則工作壓力要增加大0.51MPa（方形/矩形布置）或0.40MPa（菱形布置）。

雖然部分專業(yè)人士對(duì)防火分隔水幕隔煙阻熱性能及影響因素等做了大量的研究以及對(duì)防火分隔水幕設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了推導(dǎo)，但仍存在大量的問題有待進(jìn)一步試驗(yàn)，以及需對(duì)防火分隔設(shè)計(jì)方法進(jìn)一步探索。主要體現(xiàn)在一下幾個(gè)方面。1）下垂型噴頭與梁之間的間隙寬度對(duì)隔煙阻熱性能的影響;2）采用水幕噴頭時(shí)，尋求氣流對(duì)水幕破壞條件及單排水幕最優(yōu)噴水寬度;3）采用水幕噴頭時(shí)，探索防火分隔水幕的計(jì)算方法。

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