關(guān)于民用建筑消防給水系統(tǒng)流量、壓力的計算分析

宋明巖 劉仁濤 于景洋

0 引言

自《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB50974-2014）、《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB50084-2017）、《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB50016-2014）（2018）、《〈消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范〉圖示》15S909頒布以來，業(yè)內(nèi)反響強烈。

關(guān)于消火栓系統(tǒng)與自動噴水滅火系統(tǒng)中的流量與壓力計算問題，一直是從業(yè)人員探討較多的一個話題，關(guān)于消火栓系統(tǒng)流量的計算，由于近些年來合建建筑較多，規(guī)范及手冊中僅對其進行了一些總體的概述，很難做到面面俱到，導(dǎo)致實際應(yīng)用中，“擦邊球”設(shè)計和“保守派”設(shè)計的出現(xiàn)；對于自噴系統(tǒng)流量的設(shè)計，《建筑給水排水設(shè)計手冊》（第三版）[中又分別給出了“作用面積法”和“按加壓供水情況”計算方法等，兩者計算的方式各有優(yōu)缺點；對于消火栓系統(tǒng)和自噴系統(tǒng)，兩者供水壓力的計算，規(guī)范中，仍以“海澄-威廉”公式，“舍維列夫”公式，“達(dá)西”公式等為依托，擇優(yōu)選取，而無論哪種方法，都體現(xiàn)了其計算的復(fù)雜性，于是，各種估算的經(jīng)驗公式悄然流傳，其適用度及注意事項是設(shè)計人員尤為需要關(guān)注的問題。本文對相關(guān)問題進行簡要闡述，供行業(yè)人員分析選用。

1 關(guān)于消火栓系統(tǒng)的流量設(shè)計

民用建筑消火栓系統(tǒng)的設(shè)計流量選取，相對比較容易，理論來說確定建筑需設(shè)置消火栓后，按文獻[1]第3.3 節(jié)和第3.5 節(jié)直接選取即可，但對于合建建筑仍有部分模糊地帶令設(shè)計人員感到迷茫，經(jīng)查閱大量的相關(guān)資料，現(xiàn)將部分疑難問題及處理相關(guān)問題主體思路表述如下，供設(shè)計人員參考。（注：部分地區(qū)有特殊規(guī)定，應(yīng)按當(dāng)?shù)匾?guī)定執(zhí)行，常規(guī)設(shè)計步驟不在此贅述）

1.1 消火栓系統(tǒng)的設(shè)置原則

建筑物是否需要設(shè)置室外消火栓應(yīng)按文獻[3]第8.1.2 條執(zhí)行，建筑物是否需要設(shè)置室內(nèi)消火栓按文獻[3]第8.2 節(jié)相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，這個對于初入行業(yè)的設(shè)計者來說容易存在一個誤區(qū)，不是設(shè)置了室內(nèi)消火栓的建筑就一定要設(shè)置室外消火栓；也不是設(shè)置了室外消火栓的建筑就一定要設(shè)置室內(nèi)消火栓。

1.2 室外消火栓系統(tǒng)流量的計算原則

對于合用建筑，室外消防設(shè)計流量，應(yīng)直接計算整個建筑物整體體積，如建筑含地上部分和地下部分時，無論地上部分與地下部分是否連通，均應(yīng)體積加和考慮，按整體體積計算室外消防設(shè)計流量。

1.3 室內(nèi)消火栓系統(tǒng)流量的計算原則

對于合用建筑，室內(nèi)消防設(shè)計流量，應(yīng)分別把整個建筑整體體積當(dāng)作各功能建筑，查文獻[1]第3.5.2 節(jié)表格內(nèi)容，計算室內(nèi)消火栓設(shè)計流量，對于帶有地下室的建筑，當(dāng)?shù)叵率遗c地上部分有連通時，應(yīng)按圍合總體積分別按不同功能計算流量取大值；當(dāng)?shù)叵虏糠峙c地上部分完全分隔無任何連通時，地上部分與地下部分應(yīng)分別計算各自體積。此處單獨提出，是因為對于“室內(nèi)消火栓設(shè)計流量”與“室外消火栓設(shè)計流量”的體積計算方式并不相同，這也是設(shè)計者容易混淆的一個地方。

1.4 關(guān)于爭議性問題的探討舉例

對于住宅與車庫合建的建筑，多層公共建筑與車庫合建的建筑，規(guī)范中存在的爭議性問題相對較多，其主要源自于規(guī)范中以下幾句話：

（1）文獻[3]中，第5.4.10-3 條指出“住宅部分和非住宅部分的室內(nèi)消防設(shè)施配置，可根據(jù)各自的建筑高度分別執(zhí)行”。

（2）文獻[1]中，第3.5.2 條表下注釋指出“當(dāng)多層建筑有多種使用功能時，室內(nèi)消火栓設(shè)計流量應(yīng)分別按不同功能計算，且應(yīng)取最大值”。

（3）文獻[4]中，第3.5.2 條指出對于室內(nèi)消火栓設(shè)計流量要求“地下室的汽車庫按《汽車庫、修車庫、停車場設(shè)計防火規(guī)范》GB50067-2014 執(zhí)行”。

問題舉例，地下車庫與多層公共建筑合建的建筑，且有連通時，其室內(nèi)消防用水量是否按整體體積考慮？還是車庫與公建的體積分開考慮？對此，并未找到規(guī)范中的明確示意，如果多層公共建筑與車庫合建，室內(nèi)消防設(shè)計流量按整體考慮，其設(shè)計值更為安全，但這樣做，容易使設(shè)計流量偏大，例如：“一個體積6 000m的III 類地下車庫與一個體積8 000m的多層商店合建時，當(dāng)?shù)厣吓c地下采用非消防電梯連通，僅為平時使用方便，而非著火時逃生疏散使用時”，如整體考慮，消防設(shè)計流量將會大很多。作為保守的設(shè)計者，通常會對模糊地帶采取偏大值設(shè)計，整體按商店考慮，流量為最大，取25L/S，然而，應(yīng)當(dāng)采取的設(shè)計方案是，室內(nèi)消火栓設(shè)計流量，車庫與多層公建功能組合，即便上下有電梯連通，但滿足“火災(zāi)時”各自疏散達(dá)到要求時，各自應(yīng)單獨計算設(shè)計流量，整體設(shè)計時，流量取15L/S 即可，但對于這種方式，并未在規(guī)范中找到有力支撐，在此提出該問題，供行業(yè)人員思考及專家再次修訂規(guī)范時，作為參考。

2 關(guān)于消火栓系統(tǒng)的壓力設(shè)計

消火栓系統(tǒng)選取水泵揚程壓力的方式，在文獻[1]中已明確給出，其計算公式為：

對于室內(nèi)外的輸配水管網(wǎng)，

各字母所代表的物理量詳見文獻[1]第十章節(jié)。

對于采用該公式的計算，其中稍為復(fù)雜的，就是比摩阻i的計算，往往設(shè)計人員在初步設(shè)計時，不好確定管道的具體走向，長度，導(dǎo)致不好選取水泵的揚程，從而無法在設(shè)計前期給各專業(yè)提資。對此，設(shè)計人員常采用估算法計算。

2.1 第一種估算方法

計算公式：

其中：P —供水壓力（單位：KPa）；N —供水層數(shù)

（公式（4）的適用條件：層高不大于3.5m 的民用建筑）。

關(guān)于公式（4）的使用，有幾點觀點需要闡述：

（1）該公式的具體出處來源，目前已較難考證得知，據(jù)了解，該公式使用的普及率，也并不是很高。

（2）關(guān)于該公式的使用，公式中的數(shù)據(jù)應(yīng)根據(jù)實際情況做相應(yīng)調(diào)整，即N 的取值，并非要嚴(yán)格按照層數(shù)取值，如層高較高時，可按3～3.5m 的公式理論層高對實際層數(shù)進行折算。如一棟層高均為4.5m 的商場，總層數(shù)為6 層，其N 取值可為6×4.5÷3=9 層，即N=9。

（3）關(guān)于該公式的使用，此值略比文獻[1]中的計算值偏大，但屬于合理，可以推廣使用。

2.2 第二種估算方法

計算公式：供水壓力=豎直高度+末端消火栓栓口壓力+估算沿程損失

關(guān)于該公式的使用，仍有幾點觀點需要闡述：

（1）該方法與規(guī)范中的方法基本相同，不同之處在于沿程水頭損失采用了估算法，相對于豎直高度而言，一般建筑長度不是很大的建筑，豎向高度遠(yuǎn)大于沿程水頭損失，設(shè)計人員甚至有時暫時忽略沿程水頭損失，直接選取水泵時，水泵的壓力參數(shù)與設(shè)計壓力的少許出入值直接作為沿程損失。需注意的問題是，一般如果水泵直接設(shè)置在建筑主體下方且建筑物不太高時，管道沿程阻力及局部阻力損失的數(shù)值可以這樣近似選取，但如果水泵房設(shè)置位置較遠(yuǎn)時，應(yīng)按規(guī)范步驟，逐步計算其沿程及局部水頭損失。

（2）對于末端消火栓栓口壓力的計算，按文獻[1]第7.4.12-2 條規(guī)范原文的要求應(yīng)分別按不同建筑選取0.25MPa 滿足10m 充實水柱或0.35MPa 滿足13m 充實水柱要求，但該條的條文說明中指出，10m 充實水柱的壓力值一般0.21MPa 即可達(dá)到，而13m 充實水柱的壓力值一般0.251MPa 即可達(dá)到，此處也是專家人員產(chǎn)生爭議較大的地方，此處考慮過多的未見因素，擴大末端壓力，并不是很好。但此處建議，在規(guī)范未修訂前，設(shè)計人員仍按大值選取。

3 關(guān)于噴淋系統(tǒng)的流量設(shè)計

3.1 部分從業(yè)人員設(shè)計現(xiàn)狀

實際工作中，從業(yè)人員經(jīng)常會遇到先給建筑專業(yè)提資，確定消防水池有效容積，但從實際水量確定角度來說，這樣并不合理，設(shè)計行業(yè)人員之所以按此提資，很多為估算值，估算方法為按文獻[2]第5 節(jié)“設(shè)計基本參數(shù)”中相關(guān)數(shù)據(jù)，用“噴水強度×作用面積÷60”作為標(biāo)準(zhǔn)水泵流量選擇依據(jù)，再根據(jù)工程實際特點，在此基礎(chǔ)上，擴大一定系數(shù)，1.2～1.3 倍左右。同時，建筑有吊頂或為干式系統(tǒng)、預(yù)作用系統(tǒng)時，噴頭的噴水強度再按相關(guān)規(guī)定擴大相應(yīng)倍數(shù)。對于上述設(shè)計方法，實際使用時會存在設(shè)計流量過大或過小問題，而嚴(yán)格的流量設(shè)計步驟，應(yīng)結(jié)合文獻[2]第9 節(jié)的計算步驟，結(jié)合噴頭壓力，噴頭間距等計算完成。

3.2 設(shè)計思路方法簡述

自噴系統(tǒng)流量的計算有“作用面積法”，“按加壓供水情況方法”等，其中“作用面積法”較為簡潔，按此計算方法，筆者基本操作方法如下：

確定好單個噴頭設(shè)計流量后，按文獻[2]中第9.1.3 條公式：

框選最不利噴頭處“作用面積”內(nèi)所有噴頭數(shù)，用單個噴頭流量與作用面積內(nèi)總噴頭個數(shù)的乘積作為消防水泵的設(shè)計流量。

關(guān)于該種計算方法，有以下幾點觀點，供設(shè)計行業(yè)人員參考：

（1）對于框選最不利噴頭處作用面積問題，規(guī)范對此要求為“最不利點處噴頭”，從水力計算角度來說，最不利點噴頭應(yīng)為整個系統(tǒng)設(shè)計的最末端，也即為設(shè)置末端試水裝置的地方，但如果該處的噴頭設(shè)置與該系統(tǒng)其他處相比間距過大，就會出現(xiàn)按此處噴頭選取的水泵流量偏小，無法滿足實際運行時的最不利狀況，因此建議設(shè)計行業(yè)人員，如實際設(shè)計時，噴頭疏密程度不均勻時，應(yīng)按噴頭較為密集處確定噴淋設(shè)計流量。

（2）規(guī)范中，第9.1.2 條規(guī)定，最不利點處噴頭作用面積宜為矩形，此處尚應(yīng)結(jié)合實際情況，如所選取的位置外圍護結(jié)構(gòu)或有噴頭覆蓋處的外圍本身不為矩形，或為不規(guī)則圖形，則應(yīng)按實際面積框選。

（3）該種計算方法存在的一個缺點是，理論上來說，管網(wǎng)系統(tǒng)越靠近末端，噴頭的壓力越小，而管段的起始端壓力較大，導(dǎo)致噴頭的流量實際并不均衡，但如果按實際考慮，分別計算各噴頭流量（即按“加壓供水流量法”），雖然計算結(jié)果更為精確，但計算較為繁瑣，并不很適合設(shè)計者，且由于管段起始端的壓力較大，將導(dǎo)致實際管段起始端的噴頭間距也可以放大，如不放大，更將導(dǎo)致管段起始端作用面積內(nèi)的總流量大于末端的總流量，對此問題，文獻[2]在8.0.7 條，第9.1.5 條做了具體規(guī)定，即輕中危險等級的場所各配水管入口壓力不宜大于0.4MPa，設(shè)計流量應(yīng)保證任意作用面積內(nèi)的平均噴水強度不低于規(guī)范規(guī)定值。

4 關(guān)于噴淋系統(tǒng)的壓力設(shè)計

4.1 計算公式的對比

在文獻[2]出版以前，舊的《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范GB50084-2001（2005 年版）》計算公式看似簡單，但實際著手操作計算較為復(fù)雜，主要體現(xiàn)在公式中“沿程阻力i 的計算”，“舊規(guī)”中，沿程阻力i 的計算值與管道流速有關(guān)，而作為設(shè)計人員，去計算各分管段內(nèi)的流速，是個較大的工作量，于是，在實際應(yīng)用時，又出現(xiàn)了許多設(shè)計人員總結(jié)出的經(jīng)驗公式，而這類經(jīng)驗公式存在的問題就是“適用性”與消火栓系統(tǒng)總結(jié)出的經(jīng)驗公式相比，更為不好統(tǒng)一。

文獻[2]正式實施以后，這類問題得到了解決，文獻[2]第9.2.4 條，水泵揚程設(shè)計公式：H=（1.2～1.4）ΣP+P+Z-h較文獻[7]相比，補充了當(dāng)從“城市市政管網(wǎng)直接抽水時”的計算要求，同時，在管道沿程阻力水力計算時，管道比摩阻i 的計算，雖然也較為復(fù)雜，但相對于文獻[7]的計算公式來說，已較為方便，忽略了不好計算的流速v，而直接采用管道設(shè)計流量q進行計算。計算公式如下：

采用該公式計算比摩阻時，管道的設(shè)計流量q可按該管段所控制的噴頭數(shù)確定，依次累加，當(dāng)q值達(dá)到所選水泵的設(shè)計流量時，不再累加，后續(xù)管段均按水泵設(shè)計流量值確定。對于管道比摩阻的選取，可采用Excel 表格輔助編制完成。

4.2 關(guān)于管道沿程水頭損失的計算

（1）經(jīng)查閱相關(guān)資料，管道的沿程及局部水頭損失計算，應(yīng)僅計算最不利噴頭處至水泵處的沿程及局部水頭損失，而非作用面積內(nèi)的所有噴頭支管道的沿程及局部水頭損失。

（2）自噴系統(tǒng)由于彎頭，變徑管較多，其局部水頭損失不可忽略計算或簡單擴大系數(shù)“1.1～1.2 倍”。

（3）此處并未推薦經(jīng)驗公式，是因為自噴系統(tǒng)管路設(shè)計相比消火栓系統(tǒng)而言，管路相對復(fù)雜，沿程及局部水頭損失不好把握，因此，適合各類形式的自噴系統(tǒng)經(jīng)驗公式尚不成熟。

5 結(jié)論

以上，是對消防給水流量與壓力的確定的相關(guān)闡述。在現(xiàn)行規(guī)范的背景下，消火栓流量的設(shè)計選取，要嚴(yán)格按照規(guī)范及地方規(guī)定執(zhí)行，對于規(guī)范中的模糊地帶，建議合理把握。對于自噴系統(tǒng)的流量計算，建議采用“作用面積法”較為方便。對于消火栓管網(wǎng)壓力的計算，規(guī)范中的公式法與文中所述的經(jīng)驗法，只要掌握其要領(lǐng)，均比較可行。對于自噴系統(tǒng)的壓力計算，更建議采用規(guī)范方法，按步驟進行。由于能力有限，文中觀點如有不當(dāng)之處，望各位專家及同仁批評指正。