高層建筑消防給水系統優化設計

劉志恒

（中外建工程設計與顧問有限公司，北京 100050）

0 引言

隨著城市的發展，中心城區的建筑物十分密集，為提高土地的商業價值，建造了大量的高層建筑、超高層建筑，這些建筑物為人類的居住或者商業活動提供了空間，也是城市財富集聚的場所，對防火的要求非常高，否則極易造成經濟損失[1]。另外，高層建筑不斷往垂直方向上發展，延緩了消防人員達到火災發生點的時間，增加救援滅火的難度和建筑物內人員的逃生難度，因此容易造成人員傷亡。為了將火災控制在發展初期，提供足夠的水源和滅火設備是有效的救援手段[2]。在高程建筑消防給水系統設計時應考慮用水的特殊性，充分滿足消防用水需求。

1 工程概況

北京市某商業安居小區高層建筑采用消火栓環狀管網，小區共由5 棟建筑物組成，編號分別為A1#~A5#，各層建筑物的結構特征見表1。

表1 高層建筑各層結構特征

小區共設置1 層地下室，設有地下泵房以供消防系統給水泵使用，地下室層高為4.20 m，結構形式為框架結構，上覆土層厚度為2.5 m。所有建筑的消防給水系統采用臨時高壓給水系統，地下室按中危險II 級設置火災危險等級，建筑內每個消防栓均設置消防按鈕，在使用時間扭開按鈕即可提供足夠的水源。另外，建筑物各層室內均配備了閉式自動噴水滅火系統，以提供火災發生早期的消防需求，設計噴水強度為6 L/（min·m-2），噴頭工作壓力為0.1 MPa。

2 高層建筑用水規律分析

對研究區某高層建筑的每日用水量進行監測，監測時間為2022 年8 月1 日—2022 年9 月14 日，共45 天。水量監測采用的是基于傳播時差法的超聲波流量計，其流量計算原理如公式（1）所示[3-4]。

式中：V為水流量，m3；θ為超聲波與水流運動方向的夾角，°；M為超聲波在水體內部直線傳播的次數；D為水管的內直徑，m；Tu為超聲波順水方向的傳播時間，s；Td為超聲波逆水方向的傳播時間，s。

高層建筑對接的市政給水管網水壓為0.2 MPa，監測時段內，高層建筑每日耗水量監測結果見表2 和圖1。從圖1中可以看出，高層建筑在2022 年8 月10 日出現最大每日耗水量，達到215.46 m3，在2022 年9 月3 日出現最小每日耗水量，達到103.95 m3。

圖1 高層建筑每日耗水量監測曲線

表2 高層建筑每日耗水量監測結果

為了更加可靠地對高程建筑的消防給水系統進行優化設計，對最不利工況的每日用水量進行分析，即對2022 年8月10 日（每日耗水量最大）的全天用水量進行研究，結果如圖2 所示。從圖2 中可以看出，隨著時間的增加，高層建筑的每小時耗水量呈現不同程度的波動，并出現3 個波峰和3 個波谷，波峰出現的時間在早上8:00、下午14:00 和晚上18:00，小時耗水量分別為11.84m3、10.44m3和11.82m3。波谷出現的時間在凌晨2:00、上午10:00 和下午16:00，小時耗水量分別為2.15m3、7.77m3和6.98m3。

圖2 高層建筑每小時耗水量監測曲線

3 高層建筑消防給排水系統優化設計

為了滿足不同樓層的用水壓力需求，按照建筑樓層高度進行給水系統豎向分區，當樓層小于3 層（低壓區）時按市政管網水壓直接供水，而3 層以上樓層（高壓區）則通過配備加壓設備的方式二次供水，以優化消防給排水的供水方式[5-7]。對于配置水管中的水壓大于0.2 MPa 的用水器具來說，由于水壓力過大會造成水錘現象，同時在用水點開啟閥門時，水流在高水壓作用下流速過大，產生水化噴濺現象，不僅會損壞用水管道，而且會浪費水資源，給使用者造成不便，因此可以采取降壓措施，以滿足器具的工作壓力要求。

在消防系統優化設計中，火災延續時間3h，當用水量標準為20L/s 時，室外消防栓給水系統一次消防用水量為216m3，火災延續時間3h，當用水量標準為40L/s 時，室外消防栓給水系統一次消防用水量為432m3，火災延續時間1h，當用水量標準為35L/s 時，自動噴水滅火系統一次消防用水量為126m3，因此，高層建筑總的消防用水量為774m3，可以得到室內總消防水池儲水量和自動噴水系統儲水量，如公式（2）、公式（3）所示[6]。

按照進水流速1 m/s 計算，得到3h 內消防水池的補水量，如公式（4）所示[7]。

由此得到消防水池的有效容積，如公式（7）所示[8]。

在消防系統改造設計中，第19 層的消防栓為最不利消防栓，需要采用增壓穩壓設備，該研究采用ZWL-I-XZ-10立式增壓穩壓設備，質量為2312 kg，穩壓水容積為86 L，立式隔膜氣壓罐規格為SQL1000×0.6，壓力比為0.65，消防儲水容積為450 L，配用水泵信號為25LGW3-10×4。

為了比較高層建筑消防給水系統增設增加穩壓的優化設計效果，對各個樓層的增壓穩壓前后各樓層的水流量進行監測分析，結果見表3 和圖3。從圖3 可以看出，當未增加增壓穩壓設備時，各樓棟的水流量在樓層豎向方向上呈現明顯的分區現象，當樓層小于6 層時，其水流量變化范圍在40 L/s~60 L/s，隨著樓層的增高，水流量均呈現顯著的近線性降低，在8 層以上已不滿足火災延續時間1h，用水量標準為35 L/s 的用水需求，而在24 層以上已不滿足火災延續時間3 h，用水量標準為20 L/s 的用水需求。在采用增壓穩壓設備后，各個樓層的水流量曲線呈現不同程度地波動，但是這種波動變化趨勢表現出一定的穩定性，即隨著樓高度的增加，水流量的波動范圍也保持在40 L/s~60 L/s，由此說明，采用增壓穩壓設備可以很好地控制高層建筑消防給排水系統的水流量。

圖3 高層建筑增壓穩壓優化前后各樓層水流量曲線

表3 高層建筑增壓穩壓優化前后各樓層水流量分布

4 結論

該文以北京市某商業安居小區高層建筑為研究對象，分析高層建筑每日用水量和每小時用水量的用水規律，按照建筑樓層高度進行給水系統豎向分區，采用增壓穩壓設備優化供水方式，研究增壓穩壓設備優化前后各樓層的用水量變化關系，得到以下2 個結論：1）在監測各高層建筑每日用水量時間段內，每日用水量表現出不同程度的波動性，對最不利每日用水量工況分析表明，隨著時間的增加，高層建筑的每小時耗水量呈現不同程度的波動，并出現3 個波峰和3 個波谷。2）當未增加增壓穩壓設備時，各樓棟的水流量在樓層豎向方向上呈現出明顯的分區現象，當樓層小于6 層時，其水流量變化范圍在40 L/s~60 L/s，而隨著樓層的增高，水流量均呈現顯著的近線性降低。在采用增壓穩壓設備后，各個樓層的水流量曲線呈現出不同程度的波動，隨著樓層的增加，水流量的波動范圍也保持在40 L/s~60 L/s，由此表明，采用增壓穩壓設備對高層建筑消防給排水系統的水流量起到良好的控制作用。