建筑消防給排水設(shè)計(jì)的常見問(wèn)題思考

苑紹鵬

(北京北控京奧建設(shè)有限公司,北京 102100)

建筑消防給排水設(shè)計(jì)作為建筑安全的主要影響因素,需要根據(jù)建筑消防需求不斷改進(jìn),從而為人們的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全提供保障[1]。由于建筑結(jié)構(gòu)日漸復(fù)雜,使用的材料日漸豐富,加大了建筑消防給排水設(shè)計(jì)難度。在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的時(shí)代背景下,我國(guó)開發(fā)了自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng),作為建筑消防給排水的核心結(jié)構(gòu)[2]。該系統(tǒng)雖然引入了自動(dòng)化控制技術(shù),但是在流量、噴水壓力、儲(chǔ)水、水泵型號(hào)選取等多個(gè)方面的設(shè)計(jì)仍然存在問(wèn)題,當(dāng)前對(duì)于這些問(wèn)題的研究不夠深入,缺少針對(duì)性策略的提出[3]。本文通過(guò)整理大量文獻(xiàn)資料,結(jié)合建筑消防設(shè)計(jì)實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn),嘗試更為深入的探究。

1 建筑消防給排水設(shè)計(jì)的常見問(wèn)題

1.1 自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)流量設(shè)計(jì)不合理

目前,大部分建筑消防給排水自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,對(duì)流量問(wèn)題考慮比較少,采用區(qū)間設(shè)定方法,根據(jù)模擬火災(zāi)消防相關(guān)數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)系統(tǒng)噴水最大流量和最小流量[4]。當(dāng)火勢(shì)達(dá)到一定程度時(shí),將系統(tǒng)噴水流量提升至最大,計(jì)算滅火所需時(shí)間,此部分時(shí)間的計(jì)算結(jié)果顯示,可以為現(xiàn)場(chǎng)人員爭(zhēng)取更多逃生的機(jī)會(huì),同時(shí)對(duì)人身安全給予了一定保障。然而此部分模擬分析,忽略了系統(tǒng)噴水壓力、噴水強(qiáng)度等參數(shù)[5]。實(shí)際作業(yè)中,系統(tǒng)噴水流量與理論分析數(shù)值相差較大,當(dāng)噴水量達(dá)到最大點(diǎn)時(shí),未能達(dá)到預(yù)算的噴水覆蓋面積,導(dǎo)致系統(tǒng)功能沒(méi)有得到充分發(fā)揮,不利于現(xiàn)場(chǎng)消防指揮工作的開展[6]。當(dāng)前關(guān)于系統(tǒng)噴水流量最大點(diǎn)的計(jì)算研究不夠深入,缺少對(duì)建筑所有噴頭的流量需求進(jìn)行分析,導(dǎo)致流量最大點(diǎn)計(jì)算錯(cuò)誤。

1.2 自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)噴水壓力設(shè)計(jì)不合理

大量研究資料表明,為了加快建筑滅火工作的開展,很多給排水設(shè)計(jì)方案中將系統(tǒng)噴水壓力數(shù)值設(shè)置過(guò)大,希望能夠在短時(shí)間內(nèi)噴射出更多水資源[7]。然而這種想法的設(shè)計(jì),沒(méi)有考慮水壓過(guò)大對(duì)管道的影響,從當(dāng)前系統(tǒng)作業(yè)情況來(lái)看,由于水壓設(shè)置過(guò)大,導(dǎo)致部分管道出現(xiàn)了滲水、破裂情況,不利于消防工作的開展。

另外,系統(tǒng)噴水壓力與系統(tǒng)噴水揚(yáng)程密切相關(guān)。如果噴水壓力設(shè)置不合理,則很難達(dá)到預(yù)期的噴水距離。而噴水揚(yáng)程決定了系統(tǒng)噴水覆蓋面積,對(duì)噴頭設(shè)置合理性也會(huì)造成較大影響。在有限的建筑空間內(nèi),只有準(zhǔn)確計(jì)算噴水壓力與揚(yáng)程之間的關(guān)系,采取合理調(diào)節(jié)方法,才可以保證兩個(gè)參數(shù)數(shù)值變化不會(huì)發(fā)生矛盾,使其達(dá)到理想消防效果。然而,從當(dāng)前的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案來(lái)看,很少將揚(yáng)程列入分析列表中,所以制定的滅火噴水方案不合理。實(shí)踐應(yīng)用中也驗(yàn)證了方案的不合理之處。

1.3 消防水池儲(chǔ)水量與用水量不符

消防水池作為建筑消防給排水設(shè)計(jì)的一部分,在很大程度上決定了消防給水需求能否得以滿足。由于火勢(shì)不同,對(duì)消防給排水的需求存在一定差異,所以消防用水量不是固定的,需要根據(jù)建筑當(dāng)前的火勢(shì)情況確定[8]。那么在現(xiàn)有的空間中,如何設(shè)置消防水池的儲(chǔ)水量參數(shù)成為了設(shè)計(jì)難點(diǎn)。目前,大部分設(shè)計(jì)方案中沒(méi)有具體提及消防水池儲(chǔ)水量的設(shè)定,而是直接給出的設(shè)計(jì)方案,此部分?jǐn)?shù)據(jù)設(shè)置不夠嚴(yán)謹(jǐn)。通過(guò)收集大量建筑消防給排水工作開展信息發(fā)現(xiàn),建筑內(nèi)部設(shè)計(jì)的消防水池尺寸不一,儲(chǔ)水量相差較大,并且存在建筑空間較小而消防水池占據(jù)空間較大、建筑空間較大而消防水池占據(jù)空間較小的情況,如此大的反差,造成了空間資源的嚴(yán)重浪費(fèi)和消防給水不足問(wèn)題,埋下了安全隱患[9]。設(shè)計(jì)中,應(yīng)該根據(jù)建筑所需的用水量來(lái)設(shè)計(jì)消防水池規(guī)格,使其儲(chǔ)水量與用水量相符。

1.4 消防水泵選型不合理

消防水量給排水主要受消防泵影響,如果消防泵型號(hào)選取不合理,那么勢(shì)必對(duì)消防系統(tǒng)噴水效果造成一定影響,包括系統(tǒng)使用壽命縮短、水資源噴射持續(xù)時(shí)間減短、增加栓口操作難度等問(wèn)題[10]。為了提高水資源利用率,盡可能的發(fā)揮消防系統(tǒng)作用,大部分設(shè)計(jì)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)部署情況,設(shè)計(jì)了不同的噴頭部署方案和壓力控制方案。這些方案的實(shí)現(xiàn),需要與之匹配的消防水泵搭配使用。然而,大部分設(shè)計(jì)方案未考慮此部分因素,而是采用統(tǒng)一規(guī)格配備消防水泵,導(dǎo)致實(shí)際作業(yè)效果與預(yù)期不符。

2 建筑消防給排水設(shè)計(jì)問(wèn)題解決策略

2.1 自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)流量設(shè)計(jì)新思考與優(yōu)化

《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中9.1.3 條規(guī)定:系統(tǒng)中流量的設(shè)計(jì),必須以最不利點(diǎn)作用面積內(nèi)噴頭同時(shí)作業(yè)噴水消耗的總流量來(lái)確定標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。然而,實(shí)際作業(yè)中最大流量區(qū)域并不是噴頭作業(yè)最不利點(diǎn)處作用面積。因此,當(dāng)前大部分的流量設(shè)計(jì)存在問(wèn)題,導(dǎo)致火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)噴水作業(yè)未能達(dá)到預(yù)期滅火效果。考慮到滅火系統(tǒng)作業(yè)期間,壓力的平方數(shù)值與噴水量之間存在正比關(guān)系,噴頭同時(shí)作業(yè)產(chǎn)生的流量是系統(tǒng)作業(yè)所需最小流量,而最大流量需要根據(jù)壓力參數(shù)數(shù)值進(jìn)行確定。一般情況下,系統(tǒng)作業(yè)流量最小點(diǎn)與壓力最不利點(diǎn)之間存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系,并且流量最大點(diǎn)與壓力最大點(diǎn)之間也存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。所以,為了滿足消防給排水需求,保證存水量能夠達(dá)到噴水持續(xù)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)保證噴水強(qiáng)度滿足作業(yè)要求,應(yīng)該按照流量最大處作用面積內(nèi)噴頭同時(shí)作業(yè)產(chǎn)生的噴水總流量展開設(shè)計(jì)。如圖1 所示為最不利點(diǎn)處作用面積。

圖1 最不利點(diǎn)處作用面積

按照“噴規(guī)”9.1.2 條中提出了如何劃分壓力最不利點(diǎn)的作用面積,根據(jù)此部分內(nèi)容的理解,整理出流量最大點(diǎn)作用面積的劃分方案:以矩形作為此部分面積劃分區(qū)域,即流量最大點(diǎn),要求配水管與矩形的長(zhǎng)邊保持平行,作用面積與矩形長(zhǎng)度的關(guān)系為1.2 倍作用面積平方根小于矩形長(zhǎng)邊長(zhǎng)度。假設(shè)噴頭全部開啟消耗水資源產(chǎn)生的流量數(shù)值為Qb,選取消防專用變流恒壓水泵為例,計(jì)算流量參數(shù)數(shù)值。其中,位于水泵出水口位置的噴水壓力保持不變,記為Hp,流量最大區(qū)域?yàn)锽,當(dāng)該區(qū)域與系統(tǒng)噴水作用面積相等時(shí),存在以下關(guān)系:

以上參數(shù)中TB可以用來(lái)描述噴水系統(tǒng)的輸水能力,關(guān)于此參數(shù)的計(jì)算,可以根據(jù)水壓力數(shù)值和位置N 處產(chǎn)生的流量求取,計(jì)算公式如下:

公式(2)中Q'N代表區(qū)域B 處的流量；H'N代表區(qū)域B 處的壓力。引入管道特性系數(shù)的求解方法,用來(lái)計(jì)算參數(shù)Q'N和參數(shù)H'N,對(duì)公式(1)進(jìn)行變換,可以確定系統(tǒng)流量。計(jì)算公式如下:

利用公式(3),計(jì)算系統(tǒng)作業(yè)所需最大流量數(shù)值。其中,參數(shù)QN和參數(shù)Hp直接影響到水泵的選型。

2.2 自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)噴水壓力優(yōu)化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)噴水壓力的設(shè)計(jì),應(yīng)該按照系統(tǒng)作業(yè)壓力最不利點(diǎn)展開設(shè)計(jì)。按照“噴規(guī)”9.1.2 條規(guī)定:關(guān)于水力的計(jì)算,應(yīng)該選擇矩形區(qū)域作為最不利點(diǎn)處面積,要求配水支管與矩形的長(zhǎng)邊保持平行,并且長(zhǎng)度與作用面積的關(guān)系應(yīng)該是大約等于1.2 倍作用面積平方根。所以,作業(yè)壓力最不利點(diǎn)面積的選取合理,能夠達(dá)到火災(zāi)噴水作業(yè)要求。如圖2 所示為系統(tǒng)管網(wǎng)示意圖。

圖2 系統(tǒng)管網(wǎng)示意圖

以系統(tǒng)作業(yè)壓力最不利點(diǎn)作為設(shè)計(jì)突破口,通過(guò)分析此處噴頭作業(yè)的噴水壓力,是此部分設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。其中,涉及到的參數(shù)有兩個(gè),其中一個(gè)參數(shù)為噴頭滅火保護(hù)面積As(按照單個(gè)計(jì)算),另外一個(gè)參數(shù)為噴水強(qiáng)度D。參數(shù)As數(shù)值的大小主要取決于噴頭位置的布設(shè),而參數(shù)D 數(shù)值的大小主要取決于建筑危險(xiǎn)等級(jí)。假設(shè)系統(tǒng)作業(yè)壓力最不利點(diǎn)的噴頭壓力值為Ps,該參數(shù)的數(shù)值可以通過(guò)噴頭處流量推導(dǎo)獲取,即利用以下公式計(jì)算求取:

滅火系統(tǒng)噴水壓力與揚(yáng)程密切相關(guān),為了滿足系統(tǒng)作業(yè)噴水壓力需求,必須合理設(shè)置揚(yáng)程。以壓力最不利點(diǎn)作為問(wèn)題分析區(qū)域,計(jì)算噴頭均切換到開啟作業(yè)狀態(tài)下的系統(tǒng)作業(yè)壓力。選定出水口壓力后,根據(jù)出口壓力特性,推導(dǎo)噴水總作用面積的流量和壓力值,最終確定系統(tǒng)噴水壓力數(shù)值。

2.3 消防用水量的確定及消防水池儲(chǔ)水量的設(shè)置

為了滿足消防給排水需求,消防用水量的計(jì)算應(yīng)該以最大流量作為參數(shù),開啟所有水泵共同作業(yè)下消耗水量就是最終的消防用水量,而消防水池儲(chǔ)水量需要與其保持一致,才能夠保證給排水作業(yè)實(shí)際情況達(dá)到預(yù)期效果。

按照“導(dǎo)則”5.4 和“導(dǎo)則”5.5 規(guī)定,分析建筑室內(nèi)與室外消防所需用水量。一般情況下,室內(nèi)消防所需用水量在20L/s左右,室外消防用水量更多一些,約為25L/s。確定消防用水量時(shí),需要綜合分析系統(tǒng)噴水壓力、噴水持續(xù)時(shí)間、噴水流量等參數(shù),最終確定用水量。根據(jù)噴水流量確定每秒用水量后,計(jì)算所有噴頭全部開啟條件下的用水量,與持續(xù)噴水時(shí)間最大值相乘,計(jì)算結(jié)果就是消防用水量。在滿足用水量的前提下,根據(jù)建筑空間結(jié)構(gòu),合理布設(shè)消防水池,要求此部分水量不低于消防用水量。

2.4 消防水泵型的合理選取方案

考慮建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)中,每一個(gè)區(qū)域?qū)τ谙烙盟康男枨蟠嬖谝欢ú町?需要根據(jù)噴水壓力、噴水用量、噴頭布設(shè)角度等,分析消防水泵為建筑消防提供的噴水作用力需求,以分析結(jié)果中最大需求為標(biāo)準(zhǔn),為各個(gè)區(qū)域分配不同的消防泵。例如,某建筑空間結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,將噴淋設(shè)備不均勻的分配在不同區(qū)域,劃分為區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3、區(qū)域4、區(qū)域5,這5 個(gè)不同區(qū)域因噴淋設(shè)備部署情況不同,水用量存在差異,需要為其配備性能不同的水泵。在滿足作業(yè)需求的情況下,選擇價(jià)格比較低的設(shè)備作為消防系統(tǒng)部署材料,能夠起到成本控制作用,優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

3 案例分析

3.1 工程概況

本工程為某公園瞭望塔項(xiàng)目,建筑占地面積為6850m2,規(guī)劃用地面積80235m2,位于市區(qū)東北部。該建筑主要由3部分構(gòu)成,分別是塔冠、塔身和塔座。由于該建筑結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,對(duì)消防給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了較高要求。

3.2 建筑消防給排水設(shè)計(jì)

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)綜合消防系統(tǒng),系統(tǒng)給排水結(jié)構(gòu)部署如圖3 所示。

圖3 建筑消防給排水設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中,分為室外滅火系統(tǒng)、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)、室內(nèi)消防系統(tǒng)、固定式消防炮系統(tǒng)。本次研究以自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)作為重點(diǎn)分析對(duì)象,設(shè)置用水量108/m3,持續(xù)噴水1h。根據(jù)用水需求,1 號(hào)塔身21m 層位置部署高位水箱,儲(chǔ)水量為18m3；塔座-10m 層位置部署消防儲(chǔ)水池,儲(chǔ)水量為578m3；1號(hào)塔冠232m 層位置部署高位水箱,儲(chǔ)水量為18m3。

關(guān)于消防泵的配置,選擇一級(jí)和二級(jí)消火栓加壓泵、一級(jí)和二級(jí)自動(dòng)噴水加壓泵、增壓穩(wěn)壓設(shè)備作為系統(tǒng)消防泵,根據(jù)參數(shù)QN和參數(shù)HP計(jì)算結(jié)果合理部署。例如,1 號(hào)塔身102m 層,QN為40L/s,HP為150m,此處部署二級(jí)消火栓加壓泵。

3.3 應(yīng)用效果模擬分析

本研究采用模擬分析的方式,檢驗(yàn)工程建筑給排水設(shè)計(jì)方案可靠性,對(duì)水流量、水壓力、噴射作用范圍、消防用水量的供給合理性進(jìn)行模擬測(cè)試。本次測(cè)試要求噴水持續(xù)2h,各個(gè)區(qū)域噴頭作業(yè)范圍能夠達(dá)到覆蓋標(biāo)準(zhǔn),并且噴水流量可以達(dá)到設(shè)定值標(biāo)準(zhǔn),從而為滅火給排水系統(tǒng)的正常作業(yè)給予保障。

模擬測(cè)試結(jié)果表明,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案能夠滿足建筑滅火系統(tǒng)作業(yè)需求,當(dāng)前噴水覆蓋面積超出標(biāo)準(zhǔn)范圍的0.2 倍左右,消防泵型號(hào)選取較為合理,能夠保證各個(gè)區(qū)域噴頭流量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值。因此,該設(shè)計(jì)方案可以作為建筑消防給排水設(shè)計(jì)方案改進(jìn)參考依據(jù)。

結(jié)束語(yǔ)

本文圍繞建筑消防給排水設(shè)計(jì)的常見問(wèn)題展開探究,通過(guò)整理大量文獻(xiàn)資料可知,當(dāng)前設(shè)計(jì)方案在自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)流量設(shè)計(jì)、噴水壓力設(shè)計(jì)、消防水池儲(chǔ)水量與用水量設(shè)計(jì)、消防水泵選型設(shè)計(jì)方面存在較為顯著的問(wèn)題。受這些問(wèn)題影響,系統(tǒng)給排水實(shí)踐應(yīng)用未能達(dá)到預(yù)期的滅火效果。針對(duì)這些問(wèn)題,本文按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范和導(dǎo)則,提出了各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算方法,確定了系統(tǒng)流量、噴水壓力、消防水池儲(chǔ)水量與用水量數(shù)值,優(yōu)化了防水泵選型方案。工程模擬分析結(jié)果表明,本文提出的給排水設(shè)計(jì)方案可行。