高層建筑消防給水系統設計探討

文／李澤光 中機國際工程設計研究院有限責任公司 湖南長沙 410000

引言：

隨著社會經濟的發展，并且建筑開發用地日漸緊張，高層建筑如雨后春筍般發展。高層建筑人口集中，內部功能復雜、高能耗、高頻率下使用，火情隱患多，需要有完善的消防設施保障。對此，必須科學開展高層建筑消防給水系統設計工作，包括合理的消防系統選擇、準確的系統計算、合理的管道及消防設施的布置等，切實保證整個建筑運行更可靠、更安全。

1、高層建筑火災特點

高層建筑數量持續增多，其造型、結構、功能以及建筑材料類型也逐漸豐富。此種情況下，高層建筑的起火和救援方面難度越來越大，其火災特點主要可歸納如下：

（1）蔓延快。高層建筑用戶上下樓借助電梯通行，出行便捷、高效。但在發生火災時，電梯井會成為火勢失控的“幫兇”。起火后，高層建筑內的各類管道井都會成為火災蔓延通道，所以一旦發生火災必會出現火勢大、蔓延快的情況。

（2）疏散慢。高層建筑火災發生后嚴禁使用電梯，人員疏散只能通過樓梯。高層建筑中人員密集、全員撤離火場時間較長，而且高層建筑內常常出現消防通道被堵、踩踏擁擠事件，都會嚴重降低疏散效率。

（3）撲救難。高層建筑火災撲救難度高，其根本原因在于內部結構復雜、建筑高、層數多，超出普通消防設備的可用范圍；而且高層建筑內的可燃性物質和水平通風管道多，極容易讓防火分區功能受損，進而干擾撲救進程。

（4）傷亡重。由于人員密集、撤離難且撲救難度大，因此在高層建筑火場中常常發生意外，許多被困者因人為或火災因素受傷無法支撐到消防員到來。與普通建筑相比，高層建筑火災的傷亡相對較重，且傷亡成因也較為復雜。

2、高層建筑消防給水系統分析

在高層建筑中，消防系統主要分為兩種：其一是消防給水系統，其二是氣體滅火系統，相比較而言前者的實用性大于后者，普及度和成熟度也相對更高，下文著重圍繞高層建筑消防給水系統展開分析。

2.1 消火栓給水系統

高層建筑中室內消火栓給水系統最為常見，主要由以下幾部分組成：（1）消防水池：高層建筑消防立足自救、一般情況下消防水源均需自備，儲存一次火災消防滅火所需用水量，常采用自建消防水池為火場救援供水，用于保證供水穩定性和持續性，在實際應用環節，“消防水池+生產貯水池”的組合應用較為常見，并保證有消防水平時不被動用措施，二者能否組合的關鍵在于供水水質要求；（2）消防泵：為消防系統提供水量及壓力的供水設備，高層建筑一般每個消防系統，分別獨立設置消防泵；（3）消防水箱：大部分高層建筑的消防水箱都位于屋頂，起火后水箱內的存水可用于初期滅火，根據實踐經驗，規范規定不同類型建筑中消防水箱的儲水量，應滿足初期火災消防救援消防水量；（4）消防管道：高層建筑消火栓管系統一般為獨立環狀供水管網，并有兩條及以上的消火栓泵供水管與環狀管網相連；（5）消火栓設備：以消火栓箱方式存在，箱內設有水槍、水帶（特殊建筑還需加配消防卷盤）及消防報警信號按鈕；（6）水泵接合器：高層建筑火災發生后，當內部消火栓系統無法滿足滅火所需水量水壓時，可從外部消防車內或室外消火栓取水，此時需利用水泵接合器有效連接室內外消防系統、實現加壓送水；（7）系統控制啟停組件，通常為高位水箱出水管上的流量開關、消火栓泵出水管上的壓力開關，其信號可直接控制啟動消火栓泵。

室內消火栓位置應合理、醒目，且便于取用。在實踐中，高層建筑的室內消火栓都放置在樓道的醒目位置，且箱體表面涂刷紅色文字以達到提示作用。而且，消防電梯前室必須設置消火栓。需要注意的是，高層建筑內部裝飾裝修工程中，必須杜絕偽裝消火栓的情況。為保證高層建筑中的室內消火栓供水可靠，設計必須嚴格按照規范控制消火栓的保護間距，在開展單排布置的前提下，保證火場供水時實現“二沖一”，即保證任意位置都有兩股水柱同時到達。在設計環節，設計人員應根據建筑物的性質、體積、建筑高度，合理選擇室內外消防水量，計算消防水池及消防水箱有效容積，計算系統最不利點消火栓出口所需流量、壓力，核實消防泵的供水揚程、供水流量，仔細復核消火栓的布置是否滿足其服務半徑，保證消火栓供水方案先進、管路及消火栓布置合理，不超規范要求，保證高層建筑室內消防栓給水系統的實用性。

2.2 自動噴水系統

自動噴水系統在高層建筑中逐漸普及，為提高滅火質效、保證火場供水穩定奠定了堅實基礎。

為保證自動噴水系統的實用性，確保其充分發揮火場供水能力，相關工作人員需要事先做好設備選用和安裝。通常來說，高層建筑的自動噴水系統由如下裝置組成：（1）自動感應噴頭：此類閉式噴頭的熱敏元件處于封閉，但當室內溫度異常上升后，該元件會在受熱后熔化脫落，則噴口打開自動噴水滅火。（2）報警閥組及系統控制啟動閥件：自動噴水系統的啟閉需要以報警閥開關為基準，發生火災時噴頭因溫度上升融化自動開啟噴水，濕式報警閥組的水力警鈴報警、其壓力開關動作，報警閥組可接通或關斷報警水流，噴頭動作后報警水流將驅動水力警鈴和壓力開關報警、自噴泵出水總管上的壓力開關與屋頂水箱消防出水管上的流量開關同時作用啟動自動噴水泵。實踐中報警閥類型十分豐富，設計人員可結合實際需求選型；（3）噴淋泵：該裝置是實現供水系統供水加壓的消防水泵，保證自動噴水滅火系統的流量及壓力要求，位于水泵房內；（4）消防水池（水箱）：高層建筑中的自動噴水系統主要依靠消防水池供水，通常會與消防栓系統共用水池；（5）水流報警裝置：以“水力警鈴+水流指示器+壓力開關”組合形式存在，報警及顯示火災區域為其主要功能；（6）末端試水裝置：該裝置為檢驗系統可靠性而存在，主要測試系統的可用性及正常運行時的流量、壓力，開啟該裝置可測定系統最不利點流量、壓力是否滿足規范，消防設備以及報警設備是否可以正常使用。

3、案例分析高層建筑消防給水系統設計要點

3.1 工程概況

本項目是一座按五星級標準設計的酒店綜合體項目。此建筑地下1層，地上19層，總建筑面積為40307.33m，其中地下建筑面積11518.74m，地上建筑面積為28788.59m。本工程為一類高層公共建筑，建筑高度（消防高度）81.15m，建筑主體高度101.00m。主要功能如下，地下室為酒店管理辦公室、健身娛樂中心、廚房加工間、員工食堂、設備機房、汽車庫等。1層為酒店大堂、自助餐廳、多功能廳、廚房等；2層為多功能廳、廚房等；3層為包廂、特色小館等；4～19層為客房，共有217間客房。

3.2 消防給水系統設計要點

3.2.1 消防水源

室外消火栓系統由市政給水管網直接供水，分別由兩條市政道路各引入一路DN200給水接口，市政供水水壓0.3MPa，區內連成環狀管網，供室外消火栓用水。室內消火栓系統由消防水池、消防泵房及屋頂消防水箱聯合供水，消防水池補水來自市政給水管網。

3.2.2 消防水量

本工程消防用水量詳見表1。本工程消火栓系統火災延續時間按高層公共建筑中的高級賓館：取3h。因此消防儲水量較大。消防水池儲水量按一起火災滅火室內用水量之和，按需要同時作用的室內消火栓和自動噴淋用水量之和計算，用水量詳見表1，室內消防用水量合計為594m。本次設計消防水池有效容積為600m，分成大致均等的兩格，以便水池檢修、清洗時仍能保證消防用水的供給。

表1 消防用量

本工程為一類高層公共建筑，建筑高度不大于100m，屋頂設置有效容積為36m高位消防水箱一座，供初期火災滅火使用。消防泵房內設置消火栓泵兩臺，自動噴淋泵兩臺，均一用一備設置。由于消防水箱設置高度不滿足最不利點消防壓力要求，因此消火栓系統和自動噴淋系統在屋頂消防水箱間各設置一套增壓穩壓設備。消防泵選型見表2。

表2 消防設備表

3.2.3 消火栓系統

（1）方案比選。本項目南側及西側為同一建設方建設的住宅工程，酒店為建設方自持有工程。工程設計時酒店周圍僅有一路市政供水管網，因此，第一種方案如果室外消防管網如果獨立設計，僅有一路市政供水，不滿足市政管網直接供水的條件；第二種方案酒店項目與住宅項目室外消防管網統一設計。當采用第一種方案時，室外消火栓系統將采用臨時高壓給水系統，因此消防水池需要額外存儲432m的消防水量，泵房內也需要補充一套消防加壓設備，因此消防泵房及水池的占地面積將有所擴大。對于原本使用面積就緊張的地下室來說，是不可接受的。當采用第二種方案時，酒店項目與住宅項目室外消防統一考慮，由西側市政道路引入另一路市政供水，酒店項目與住宅項目同時滿足兩路市政供水，室外消火栓系統采用的是常高壓給水系統。消防泵房及消防水池的占地面積同時減小，節約地下室使用面積。最終經過建設單位、酒店管理單位、住宅物業管理單位及設計院等多方共同協商，采用酒店項目與住宅項目室外消防管網統一設計的方案。

（2）室外消火栓系統。采用常高壓給水系統，由市政管網直接供水，室外消火栓管網布置成環狀管網，向室外環狀消防給水管網供水的市政引入管為2根，當其中一條發生故障時，另一根引入管仍能滿足消防給水設計流量。室外消火栓選用地上式消火栓，接至室外消防環網。室外消火栓沿消防車道設置，且沿建筑周圍均勻布置，其間距不高過120m。

（3）室內消火栓系統。采用臨時高壓給水系統，火災初期由屋頂消防水箱及消防穩壓設備供水，待到消防泵啟動后，室內消火栓由消防泵加壓供水。由于消火栓栓口處靜壓大于1.0MPa，消火栓系統采用分區供水形式。系統設置兩個供水分區：-1～3層為低區，由消火栓泵組減壓后供水；4～19層為高區，由消火栓泵組直接供水。本建筑3層4層之間設置有管道夾層，因此消防分區選擇以夾層為界，3層一下為低區，4層及以上為高區，客房層消火栓環狀管網不占據客房走道的空間，有利于提高走道的凈高，增加舒適度。經計算4～19層為高區時，該區最低處消火栓靜壓不超過1.0MPa，因此，按此層數分區滿足規范要求，見圖1。水泵接合器按分區設置，消防水泵接合器的給水流量按每套15L/s計算，每消防分區設置SS150水泵接合器3套。水泵接合器應設在室外便于消防車使用的地點，且距室外消火栓距離控制在15～40m之間。

圖1 消火栓系統圖

3.2.4 自動噴淋滅火系統

本工程自動噴淋滅火系統火災危險等級為中Ⅱ級，設計噴水強度除酒店大堂外均采用8L/min.m，作用面積為160m，設計流量為38L/s。酒店大堂為超過8m的中庭，設計噴水強度為12L/min.m，作用面積為160m，設計流量為45L/s。因此自動噴淋系統設計流量按45L/s計，火災延續時間為1h。除不適宜采用水作為滅火劑的場所外，其余場所均設置了自動噴水滅火系統。自噴系統設置兩個供水分區：-1～11層為低區，由減壓后低區報警閥組供水；12～19層為高區，由高區報警閥供水，報警閥設消防泵房內，消防報警閥組前供水管為環狀。水泵接合器按分區設置，每個消防分區設置SS150水泵接合器3套。

在滿足消防安全及規范要求的情況下，適當考慮客房噴頭布置對裝飾的影響，因此設計時酒店客房選用邊墻型擴大覆蓋面積灑水噴頭，其他部位可采用吊頂型噴頭。根據《自動噴水滅火系統設計規范》GB50084-2017，客房火災危險等級為中危險Ⅰ級，可以采用邊墻型噴頭。當采用邊墻型擴大覆蓋面積灑水噴頭時，其保護尺寸為5900mm×4300mm。噴頭型號為ZSTB-20（壓力0.2MPa）,因其工作壓力加大、導致單個噴頭流量加大，作用面積內噴頭總數流量之和為35L/S；地下車庫部分因不吊頂按直立型噴頭設計，噴頭型號為ZST-15，考慮結構梁對噴頭布置影響、噴頭有適當加密，作用面積內噴頭數總設計流量38L/S。其它部分按有吊頂設計，選用吊頂型噴頭，噴頭采用感溫玻璃球噴頭，溫度等級為68℃，廚房部分噴頭的溫度等級為93℃。

3.2.5 設計中有待探討的問題

設計中，水箱的設置高度受建筑造型限制，其最低有效水位不能滿足滅火設施最不利點處的靜水壓力，在屋頂高位消防水箱出水管上，消火栓系統及自動噴水系統分別設置一套消防穩壓供水設備。但消防標準圖集中有將穩壓設備置于地下消防泵房內，從消防水池吸水供水穩壓。作者認為這種穩壓供水方式雖然與屋頂穩定供水方式起到的效果基本一樣，但屋頂水箱前期水壓還是不能滿足規范要求，除非從屋頂水箱單獨引下一根出水管供地下泵房穩壓設備吸水，這種方案只有在屋頂沒有消防穩壓設備位置時。

結語：

綜上所述，高層建筑火災極具破壞力，一旦發生必然會對人們的生命財產安全以及社會安定造成嚴重威脅。對此，高層建筑消防給水設計十分重要，必須根據建筑物的用途功能、火災危險性，分析火災特點，正確理解和使用設計規范，科學設置消防水池、消防增壓泵、高水位水箱等，優化消火栓系統、自動噴水滅火系統設計工作，確保消防給水系統滿足規范且安全可靠。