TOD超高層辦公樓水消防系統設計分析

摘要：TOD是新城市主義最具代表性的模式之一，其中超高層建筑已經成為TOD的重要組成部分，其往往具有體量龐大、用途廣泛、功能復雜、設備繁多、人員密集、火災危險性高等特點。一旦發生火災，撲救困難，損失巨大，后果嚴重。因此，TOD模式下的超高層建筑要求配備比一般建筑更為安全可靠的消防水系統。本文以紹興市某TOD超高層辦公樓為案例，對整個設計過程中所總結的設計重點、技術難點和方案制定過程中具有代表性的問題進行全面深入分析比對，并對消防供水系統的選擇、超壓及減壓措施及可靠性措施等設計要點進行了探討，力求為今后超高層建筑的水消防系統建設積累經驗。

關鍵詞：超高層辦公建筑；消火栓系統；自動噴水滅火系統；減壓

TOD模式是指“以公共交通為導向的發展模式”項目。為通過土地使用和交通政策來協調城市發展過程中產生的交通擁堵和用地不足的矛盾，將商業、住宅、辦公、酒店等設置在步行可達的公交、地鐵、高鐵范圍內。本項目的TOD中超高層辦公樓位于紹興市紹興北站以南，超高層辦公樓總建筑面積10萬m2，建筑高度1374m，形象高度14990m，共32層，也是本TOD項目中最高建筑物。本辦公樓地下與TOD群中酒店、商業、高鐵站換乘大廳、出租車上車區、地下車庫等相連。因此，在TOD模式下的超高層辦公樓比一般辦公樓有更高的火災危險性，一旦發生火災，其影響大、范圍廣，勢必會造成巨大損失。

一、消防系統介紹和分析

本超高層建筑共32層，共設置兩個避難層，分別位于12層（建筑地面相對標高46.90m）和23層（建筑地面相對標高96.70m），消防系統包含室內外消火栓系統、自動噴水滅火系統、氣體滅火系統和建筑滅火器配置。本文主要就消火栓系統和自動噴水滅火系統進行討論。

（一）消防水源

超高層建筑消防系統是保證安全的關鍵，室內消防水源是消防安全的關鍵。本工程消防用水水源為市政給水管網，滿足兩路水源要求。市政給水管網供水最低壓力為0.2MPa。消防水池位于地下一層，消防用水量見表1。

消防用水全部儲存于地下一層消防水池內，水池有效容積774m3。由于辦公樓為TOD群中最高的建筑物，因此在辦公樓屋面設置有效貯水容積為50m3的高位消防水箱，水箱間設穩壓裝置。消火栓、自動噴水系統共用高位水箱，穩壓裝置分設。消防水池、消防水箱最低報警水位設置在低于正常水位100mm處，以確保有效滅火水

量，同時設置最高、最低、超低報警水位。

（二）室內消火栓系統

《消防給水及消火栓系統技術規范》[1]（GB50974-2014）第6.2.1條規定，下列情形的消防給水系統應進行分區給水：系統工作壓力大于2.4Mpa；消火栓栓口處靜壓大于1.0MPa；自動水滅火系統報警閥處工作壓力大于1.6MPa或噴頭處工作壓力大于1.2MPa。本工程辦公樓建筑高度為137.4m，對消火栓及噴淋系統都進行分區，超高層消火栓系統常用的分區方式有以下幾種：水泵轉輸水箱串聯供水；消防水泵并聯分區給水方式；重力水箱+減壓水箱供水。

方式一為在地下消防泵房內設置一組消防主泵，將轉輸水泵與水箱安裝在建筑中間避難層或者設備層，穩壓水箱及水泵設置在屋頂。方式二是系統各分區均在地下消防泵房內設置獨立的消防水泵為各區供水，該方式各分區消防供水相對獨立，消防水泵集中設置，穩壓泵及水箱設置在屋頂。方式三為常高壓消防給水系統，此系統為在屋頂設置高位消防水池，火災時由屋頂消防水池向建筑物內消防系統進行供水，高位消防水池容積滿足一次火災所需室內消防系統的總用水量。三種方式的優缺點見表2。

余杰生[2]等研究表明，對于150m以下的超高層建筑，優先使用并聯分區給水方式；介于150m-250m的超高層，建議采用水泵轉輸水箱串聯分區給水方式；超過250m的建筑，應采用重力水箱+轉輸水箱供水方式。本工程消火栓系統采用臨時高壓并聯分區供水方式，該超高層辦公樓消火栓系統豎向分為一、二、三區；一區：-2層～12層，由地下一層泵房消火栓加壓泵組及泵房內的減壓閥組供水；二區：13層～23層，由地下一層泵房消火栓加壓泵組及23層避難層的減壓閥組供水。三區：24層～32層，由地下一層水泵房供水。此供水方式的優點為：系統簡單，水泵集中設置在地下，便于維護及管理；節省土建造價；噪聲污染小。一、二區各設置3個水泵接合器與地下一層的環狀管道連接；由于消防車供水壓力約100m，遠達不到超高層揚程要求，因此三區設置3個水泵接合器接入環狀輸水管上，并預留供手抬泵吸水和加壓的快速接口保證火災時滅火系統可靠性，供水壓力及分區。

（三）自動噴水滅火系統

本建筑除不能用水撲救的場所外，其余均設有自動噴水滅火裝置。超高層辦公樓共設12個濕式報警閥，各報警閥處的系統工作壓力均不超過1.6MPa，負擔噴頭數不超過800只（不計吊頂內噴頭），且噴淋管道的工作壓力不大于1.2MPa[3]。本項目的噴淋泵揚程經計算選取了190m，將部分濕式報警閥組提升至12層、23層避難層滿足了規范不超過1.60MPa的要求，在超壓防火分區主干管上、遙控信號閥后水流指示器前設置減壓孔板來保證配水管入口壓力不超過0.4MPa。

自動噴水滅火系統供水與消火栓系統供水形式相同，采用減壓閥組分區供水方式，共用屋頂消防水箱與地下一層消防水池。供水系統采用臨時高壓系統，在地下消防泵房設置一組噴淋泵，豎向分2區：一區：-2層～12層，二區：13層～32層；噴淋水泵出水環管上接出兩根噴淋管經減壓閥組減壓后供一區自噴系統用水，二區自噴系統用水直接由水泵出水環管上接出兩根主立管分別接至12F及23F報警閥間。

二、水消防系統設計重難點討論

（一）減壓閥組設置

目前比較常用的減壓方式有減壓閥減壓、減壓孔板、減壓穩壓消火栓等。減壓孔板通過減小過流面積形成較大的局部水頭損失，但只能用來減動壓。減壓閥可分為比例式減壓閥和可調式減壓閥兩種，比例式減壓閥構造簡單、安裝方便、不需要人工調節；可調式減壓閥構造復雜、體積大、價格較高，但可調節壓力[4]。比例式減壓閥只能減動壓，可調式減壓閥可減靜壓。

本工程消火栓及自噴系統均是分別由一組消防水泵供水，采用減壓閥組進行并聯分區。栓口動壓超0.5MPa的消火栓采用減壓穩壓消火栓。自噴系統超壓樓層在配水管入口設置減壓孔板進行減壓。此減壓分區方式既保證減壓系統的可靠性，又節省管道、減少閥門、增加系統穩定性[5]。

消火栓或者自噴系統低區僅通過比例式減壓閥減壓達不到閥后的壓力要求，僅設置可調式減壓閥，經計算需要的數量較多，因此就需要組合設置。例如：消火栓系統低區減壓閥組設置在消防泵房內，按照減壓閥組前壓力為P1=1.9MPa計算，低區最不利消火栓栓口與消防泵出水口高程差△H1為53.1m=0.531MPa，按照低區最不利消火栓栓口壓力0.25MPa進行計算，減壓閥組要減壓P1-△H1-0.25=0.869MPa。按規范要求考慮使用比例式減壓閥，該類減壓閥減壓比[6]一般為2∶1，3∶1，3∶2，首先選用3∶2的比例式減壓閥，閥后壓力為1.27MPa，未達到壓力值要求，因此需要再串聯一個先導式減壓閥作為二級減壓閥，二級閥后壓力為1.0MPa，共減壓0.9MPa，閥后壓力1.0MPa。

（二）水泵參數的選擇

消防水泵揚程計算公式如下：

P=K2（∑Pf+∑Pp）+0.01H+P0

其中：P為消防水泵或消防給水系統所需要的設計揚程或設計壓力（MPa）；∑Pf+∑Pp為沿程水頭損失與局部水頭損失之和；K2為安全系數；P0為最不利點水滅火設施所需的設計壓力（MPa），取0.35MPa。本項目基本采用了一泵到頂的設計方式，消火栓系統及噴淋系統的水泵揚程均為190m，《消防給水及消火栓系統技術規范》GB50974-2014第5.1.6節規定了水泵的選擇在零流量時壓力不應大于設計工作壓力的140%。目前設計工作壓力為190MPa，如果按零流量時1.4倍的壓力選泵，那么壓力為266MPa，超過了上述規范第6.2.1條系統工作壓力不大于2.4MPa的規定，因此在泵組參數上需要注明要求水泵零流量時的壓力不大于設計工作壓力的1.3倍，即可滿足規范要求。

（三）加強可靠性的措施

超高層建筑外部消防救援比較困難，其滅火設計立足于自救，自動噴水滅火系統是有效的滅火系統，最基本的是提高自噴系統內各組件的可靠性。提升可靠性的措施可分為兩類：一是提高組件的可靠度或增加備用量。二是將組件的不安全影響控制在一定范圍內，對風險進行控制[7]。在此基礎上，本項目通過以下幾方面來加強其可靠性。首先，本工程不僅報警閥間前端管道設置為環狀，且連接報警閥組的管道也設置為環狀，此方式可減少因某一報警閥組故障或檢修而導致無法供水的概率；其次，本工程所有用于自噴系統的閥門均采用遙控信號閥或自身帶鎖具，且報警閥組后除水流指示器后的遙控信號閥外不再設置其余閥門，此方式可避免因閥門人為誤關對系統產生的嚴重影響；再次，本工程設計中將所有末端試水裝置集中位置設置，并接入專用排水斗內，便于集中管理與維護。最后，辦公大堂屬于2層挑高區域，其凈空高度約9.4m，大堂的自噴噴頭由立管上直接引出干管連接，并在挑高區域內單獨設置水流指示器，噴頭采用快速響應噴頭。

（四）水泵接合器與手抬泵的設置

《消防給水及消火栓系統技術規范》（GB50974-2014）規定消防給水為豎向分區供水時，在消防車供水壓力范圍內的分區應分別設置水泵接合器；當建筑高度超過消防車供水高度時，消防給水應在設備層等方便操作的地點設置手抬泵或移動泵接力供水的吸水和加壓接口。水泵結合器的作用是發生火災時室內消防泵無法使用或室內消防水量不足的情況下，需要消防車向室內消防管網補充用水。噴規對水泵接合器的描述中要求超高區的壓力不足時可通過設置接力水箱和接力泵來滿足最不利點所需的壓力和流量。

我國普通消防車供水高度為80～120m，手抬泵的揚程通常在60m～80m[8]，對于150m以下的超高層建筑會設置兩個及以上的避難層，一般在第一個或第二個避難層設置手抬泵接口即可；對于150m以上的超高層建筑，僅設置一級手抬泵進行接力無法將消防車內水送至最不利區域，而設置級數越多越要求其工作的統一性和可靠性越高，因此此類超高層可設置備用柴油泵作為接力泵，避免設置手抬泵接力次數太多的弊端。本工程總高度不超150m，設置方式相對簡單，所有區水泵結合器接口均設置于首層室外，在第二避難層設置手抬泵接口，通過手抬泵二次加壓將水送至高區消防系統。

結語

TOD模式下的建筑消防設計是工程設計的重中之重，對于消防系統的選型應綜合經濟、合理、可靠及可維護性等多方面因素來確定，不同建筑高度范圍的超高層選擇不同的供水方式；超高層建筑室內消防系統采用減壓措施時，應充分考慮各類型減壓閥、減壓穩壓消火栓及減壓孔板的適用范圍及使用特性，確保可靠的基礎上謹慎采用，提高超高層消防系統的承壓能力，保障消防供水安全；考慮到超高層建筑高度超過消防車供水高度，需根據不同建筑高度來選擇不同的水泵接合器及手抬泵設置位置，同時針對自噴系統提出加強系統可靠性的措施，為類似的工程作設計參考；此外，建議在以后規范修訂中針對超高層排水消能、手抬泵設置等細則等做進一步闡述，以確保設計實施的統一性和安全性。

參考文獻

[1]GB50974-2014， 消防給水及消火栓系統技術規范[S].中華人民共和國建設部，2014.

[2]余杰生.超高層建筑消防給水系統的可靠性應用研究[D].華南理工大學機械與汽車工程學院，2013.

[3]GB50974-2001，自動噴水滅火系統設計規范[S].中華人民共和國建設部，2005.

[4]陳少林，王愷.超高層建筑消防系統的減壓閥常見問題分析及改進措施[J].給水排水，2021（57）：362-365.

[5]吳前飛，童自明.某超高層建筑消防系統設計探討[J].給水排水，2015（10）：88-92.

[6]許前衛，逢煥東，唐志高.比例式減壓閥在高層建筑消火栓供水中的應用[J].山東工程學院學報，2001，15（04）：70-73.

[7]楊琦，桂佳，朱磊.超高層建筑自動噴水滅火系統提升可靠性的措施[J].給水排水，2018（7）：94-97.

[8]陳新宇.淺析手抬泵與超高層建筑室內消防系統的連接方式[J].給水排水，2018，54（09）：96-98.

作者簡介：張旭（1992- ），女，漢族，山西臨汾人，碩士研究生，工程師，研究方向：建筑給排水與消防、市政給排水設計。