某大科學設施實驗中心給排水設計特點剖析

賀鳳云

（中國中元國際工程有限公司，北京100089）

1 引言

大科學設施項目具有前沿性及對新事物新規律變化不斷的探索性。在大科學設施實驗中心的設計過程中，一是要了解科研性質、試驗需求及操作運行狀況；二是要根據現有規范，靈活應用成熟的專業技術，必要的情況下還需對專業的常規做法進行挖掘突破。

本文以某大型地震工程模擬研究設施實驗中心為例，對給排水、消防設計特點進行剖析。

2 工程概況

某大型地震工程模擬研究設施為國家重大科技基礎設施項目之一，在其專業領域擁有目前世界最先進的地震工程模擬研究振動臺實驗裝置，通過開展系列試驗研究，揭示復雜巖土介質與水動力環境中重大土木、水利和海洋工程地震破壞機理，提出安全控制措施，為防災減災和地震災害綜合防范提供重要支撐。

建設內容包括：實驗中心、仿真中心、室外工程。大型地震工程模擬研究設施外觀效果如圖1所示（項目位于天津）。

實驗中心地上為單層廠房，地下3層，局部2層，貼建輔房2層。總建筑面積約為5.46×104m2，其中，地上建筑面積為2.86×104m2，地下建筑面積為2.60×104m2。主體建筑高度36.90m。鋼排架/鋼框架/鋼-混凝土組合結構。功能分區見圖2所示。

3 給水系統的設計特點

水下振動臺區域有1座造波、造流蓄水池，從地下3層至±0.00m平面，蓄水量容積約5×104m3。通過萬噸水量模擬“驚濤駭浪”沖（撞、拍）擊結構模型，測得試驗數據，建立數學模型，獲取科研成果。如此體量大的蓄水不僅起試驗介質的角色，還用于大型振動臺工藝設備循環冷卻水，同時具有結構抗浮作用，所以，不論是為了節約用水，還是附屬的結構抗浮功能需求，這池水都不可避免地儲存在地下水庫中重復利用。試驗水池位于室內，每次大型振動臺試驗后的工藝循環冷卻水，經計算水溫最多提高1～2℃，再通過水下振動臺試驗，水溫可保持常溫。水下振動臺每年試驗次數約10次，在試驗過程中難免帶入浮沉雜質、銹蝕、油污等，水體會被輕度污染。故此儲水需水質凈化，以保證試驗用水水質。本工程擬采用砂濾+活性炭吸附+除油裝置工藝，設計能力200m3/h，水質凈化周期暫定為15d。補水量暫按100m3/d考慮，水質為自來水。

圖1 大型地震工程模擬研究設施外觀效果圖

圖2 實驗中心功能分區示意圖

4 屋面雨水系統設計流態的確定

實驗中心廠房采用輕型彩鋼板屋面，總匯水面積約為1.8×104m2，按照建筑屋面坡度方向，最大匯水面積單元約為5 000m2，根據GB 50015—2019《建筑給水排水設計標準》，工業廠房大型屋面雨水排水系統宜按滿管壓力流設計，以減少雨水懸吊管及落水管的數量【1，2】。設備廠家從屋面整體安裝匹配及材質規格，也極力推薦虹吸（滿管壓力流）雨水系統。但基于實驗中心屋頂設有大型吊車（500t/60t、60t/20t、20t/5t），根據以往大型工業廠房運行經驗，長時間運行其震動會將虹吸雨水系統的整體裝置破裂，漏水現象嚴重。同時，考慮到振動臺試驗震動的不確定性，存在安全隱患，故本設計采用重力流雨水排水系統，落水管利用建筑外立面的裝飾柱包封。

5 消防系統設計

5.1 工藝方案的演變及火災危險類別的定性

前期方案階段，工藝儲油罐位于地下建筑內，液壓油閃點不低于200℃，屬于丙B類液體。大型振動臺地下2層工藝設備區主要包括50m3儲油罐4座，油泵房、油管、蓄能器等設備；水下振動臺地下3層工藝設備區主要包括50m3儲油罐1座，油泵房、油管、蓄能器等設備。消防方案擬采用水噴霧+防護冷卻自動滅火系統。甲方率隊去成都、上海、重慶、北京等相關國家重點實驗研究所調研，有的實驗室除了滅火器，沒有其他消防設施；有的設置了室內消火栓；有的設置了室內消火栓及自動噴水滅火系統。

又經過幾輪專家會評審，均認為地下工程儲油量較大，發生火災易引起爆炸，風險太大，建議儲油罐移出建筑物直埋室外地下，并與建筑物間距滿足防火規范要求。由于試驗裝置的特殊要求，建筑防火分區、疏散距離、安全出口均突破規范，實驗中心屬于民建還是廠房？其火災危險類別認定的合理性、安全性、經濟性沒有法規支持，消防方案的確定舉步艱難。最終召開建設工程消防設計咨詢（論證）會，形成建設工程消防設計咨詢（論證）會紀要（以下簡稱“紀要”）。

根據《科研建筑設計規范（征求意見稿）》條文說明第5.2.10條，科研建筑雖不同于一般工業廠房，但在材料與構造的耐火性能以及火災的火勢形成、發展與擴散等基本特性方面，兩者都基本一致。故“紀要”將實驗中心歸類為工業廠房。振動臺基礎坑區域與地上有結構連通，振動臺基礎坑區域試驗過程中有含油裝置，生產的火災危險類別按丙類考慮，故此實驗中心定性為丙類廠房。

5.2 水消防方案的確定

大型振動臺實驗廠房跟水下振動臺實驗廠房連通，建筑高度36.90m，建筑定性為單層丙類廠房；貼建輔房為地上2層，為民用建筑。

地下工程的工藝設備區（油壓系統區域）采用閃點不低于200℃液壓油，實驗次數每年約10次。工藝設備區試驗時充油，平時無油（液壓油儲存在室外直埋油罐）。管路及油箱配置壓力報警裝置，保證油壓穩定，油滲漏、溢出引起壓力值波動便會報警，緊急停機停止試驗。管路及油箱配置油溫保護裝置，液壓油在工作溫度下不分解，最高溫度不超過63℃，溫度值異常停機停止試驗。工藝設備自身采取智慧消防措施，并與消防控制中心聯動。大型振動臺基坑為密閉免維護工藝設備區，不在本設計范圍。

基于工藝設備區的設備運行、檢測、監測、控制、日常維護等狀況，認為地下工程可燃物雖然為丙B類液壓油，但均在高壓設備及壓力管道內，高壓設備及壓力管道不得滲漏，否則試驗不能進行，因此可燃物與空氣難以相互接觸。液壓油工作溫度不高于63℃，遠遠小于液壓油的燃點。所以，設備、管路內的液壓油不具備燃燒條件，發生燃燒概率非常低。地下實驗室除了工藝設備及管路內的液壓油外，沒有其他可燃物。電氣專業采用感煙、感溫火災探測器、線性光束感煙探測器等火災報警裝置。除檢修人員能進入地下實驗室外，其他人員一律嚴禁入內。故此地下實驗室火災危險性跟剛開始接觸項目時的認識相差甚遠，再結合相關實驗室的調研情況，認為本設計應根據實驗中心使用功能出發，既要為建筑物提供最合理的防火保護，又可以最大限度地降低建筑成本。從概率風險分析法看，火災風險為各種火災發生的概率Pi與其火災所造成的危害數值Ci的乘積，即火災風險=∑PiCi，Pi值非常低，則地下室火災風險性很低。故此確定以下水消防方案【3～5】。

1）地上實驗廠房，建筑定性為單層丙類廠房，設置室內消火栓系統。

2）地下工程，建筑定性為丙類廠房，設置室內消火栓系統、自動噴水滅火系統，自動噴水滅火系統按中危險級Ⅱ級考慮。

3）貼建輔房，建筑定性為民建，設置室內消火栓系統。2層有送回風道（管）集中空調系統，在2層設置自動噴水滅火系統，按中危險級Ⅰ級考慮。

4）因水下振動臺中間實驗水池跨度大（約75m），室內消火栓又僅能設置在水池兩邊，消火栓布置間距不能滿足規范要求。考慮到實際運行過程中，實驗水池試驗時充滿了水，沒有試驗時會被放空，池內無可燃物，不具備燃燒條件，故此消火栓設置間距按實際狀況布置。

5）大型振動臺基坑為密閉免維護工藝設備區，自帶智慧消防措施，不在本設計范圍。

上述水消防方案，建設工程消防設計咨詢（論證）會原則同意。

5.3 消防水量的確定

本工程建筑功能復雜，根據火災危險等級、建筑規模，以及“紀要”、GB 50016—2014《建筑設計防火規范》（2018年版）（以下簡稱“建規”）、GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統技術規范》（以下簡稱“水消規”）、GB 50084—2017《自動噴水滅火系統設計規范》（以下簡稱“噴規”），主要建筑消防用水量如表1所示。本工程最不利消防對象是地下建筑，一次消防用水量為972m3。市政給水可為本工程提供2路進水，管徑、壓力均可提供室外消火栓消防系統的水量及水壓，所以，本工程室外消火栓消防系統利用市政給水壓力，采用低壓消防。室內消防為臨時高壓消防給水系統。

表1 消防用水量

6 設計中遇到的問題與建議

6.1 專業間的配合需加強

1）在消防論證中，給排水專業提供的方案，地上實驗廠房及貼建輔房1層不需設自動滅火系統，2層因有送回風道（管）的集中空調系統，設置自動噴水滅火系統。消防評審專家也認可，認為地上實驗廠房本身是丁、戊類機加工廠房，因跟地下工程設備基坑連通，才提高了生產火災危險性級別，定為丙類廠房，根據“建規”，單層丙類廠房不需設自動滅火系統。貼建輔房1層不采暖，幾乎被變配電所等電氣用房占用，不宜用水滅火。不設自動滅火系統，建筑防火分區面積亦滿足“建規”要求。但建筑專業遞交的消防論證文件中，陳述貼建輔房設自動噴水滅火系統比較籠統，故此，施工圖設計審查中要求按照建筑專業的條文執行，為此，水消防設計在位于1層輔房的零零散散工具間、衛生間、走道補充預作用自動噴水系統。

2）本工程由于設備荷載很大，結構設計復雜，邊設計、邊研討、邊論證。在各專業協調中，結構專業提供±0.00m樓板為無梁樓板，厚度至少1m。根據天津地區最大凍土深度（0.69m），地下1層位于±0.00m樓板下的給水管道應不會被凍裂，不需考慮防凍保溫設施。但在施工圖設計交圖會審時發現，結構形式發生變化，采用井字梁，梁高0.81～1.0m，板厚0.5m。梁板結構形式變化影響自動噴水滅火系統的噴頭布置，如圖3所示，根據“噴規”，噴頭距樓板底間距在75～150mm，井字梁結構形式會造成噴頭支管凍裂的可能。故此，地下1層自動噴水滅火系統將原有濕式系統改為預作用系統，消防控制方式隨之改變。

圖3 不同厚度樓板噴頭布置示意圖

6.2 需結合工程特點將設計精細化

1）本工程非常規，振動臺試驗時的振動強度對管道系統等配套設施是否有影響？影響多大？沒有經驗可鑒。經與結構專業溝通，其也一直在研究探索。筆者考慮到振動強度的不可預見性，以及結構樓板的厚度比較大，要求當管道穿池壁、墻體、樓板時均需在主體結構施工中預埋柔性防水套管，明設管道采用彈性支吊架，以預防不可預見的振動產生的結構位移或沉降。

2）基于地上廠房振動臺與地下工程連通區域，地下有火情時有竄出火的可能，故此在連通區域加密消火栓布置間距。

6.3 消防水泵房設置位置的利與弊

消防水泵房位于水下振動臺北側，利用水庫作為消防蓄水池，常規認為節省空間。但在與甲方聯絡中發現該方案有利有弊，節水節約空間是有利的一個方面。但本工程有2棟建筑，其中仿真中心建筑體量小，方案成熟，建設速度快，按照施工周期，2a內就要竣工使用。但實驗中心地下工程非常復雜，施工周期比仿真中心要長很多，地下水庫、消防水泵房的建設、安裝、充水能否趕上仿真中心竣工、消防驗收存在很多不確定性。另外，在設計過程中發現實驗中心結構復雜，工藝要求高，消防配套設施應盡可能減少跟工藝要求高的主體結構相關聯，振動臺試驗帶來的震動對消防水泵房影響也不好判斷，故此在施工圖階段建議甲方將消防水池及水泵房移出實驗中心，另行建設或置于仿真中心，但幾經溝通未果。這或許成為本設計遺留下來待檢驗的課題。

7 結語

大科學設施項目在使用功能上具有許多不確定性及前瞻性，專業設計師需要時刻跟進項目，領悟科學家們的想法及對土建、機電設計的要求，由于建設成本的控制，在設計上能否實現要給予專業判斷及反饋。很多大科學設施項目具有唯一性，需把握其特色，用心、耐心做專項設計，以保障大科學設施項目順利展開。