高层建筑消防给水系统及优化设计研究

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摘要:主要以高层建筑消防给水系统为研究对象，从高层建筑消防给水及自动喷水灭火系统分别详细介绍了高层建筑消防给水系统的优化设计。

关键词:消防;优化;给水;高层建筑;消火栓

建筑分类是确定消防安全要求的基础。伴随经济的全球化发展，高层建筑如雨后春笋拔地而起，作为首选的消防给水系统也逐步被人们所重视。高层建筑指超过一定层数或高度的建筑，具有火情难发现、火灾蔓延快、人们疏散困难等特点，因此利用科学技术手段对其消防给水系统进行优化设计，消除其存在的弊端，使高层建筑消防给水系统更可靠、更安全、更经济，给住户的人身财产安全带来更放心的保证，就显得尤为必要。

1高层建筑

高层建筑的起点高度或层数，各国规定不一。在中国，主要指住宅建筑高度大于27m和高度大于24m的非单层建筑。高层建筑可以带来明显的社会经济效益，如使人口集中，能使大面积建筑的用地大幅度缩小，可以减少市政建设投资和缩短建筑工期等。高层民用建筑的火灾危险分为一、二类及轻、中、严重三级。

2高层建筑消防给水及自动喷水灭火系统

2.1高层建筑室内消火栓给水系统

2.1.1给水方式消火栓给水系统给水方式主要受其制约因素限制，建筑高度是首要的。按建筑高度分不分区和分区给水方式消防给水系统［1］。其中，分区给水方式较为常见，尤其高层建筑消防给水系统应分区供水。一般情况下，在系统工作压力大于2.40MPa、出水压力大于0.5MPa时、消火栓栓口处静压大于1.0MPa等时，消防给水系统应分区供水，且消火栓处应设减压装置，具体可采用消防水泵并行或串联、减压水箱和减压阀减压形式。减压水箱分区供水时水箱的有效容积不小于18m3，且宜分为两格，并满足消防给水系统所需消防用水量的要求;减压阀减压分区供水时每一分区应设不少于两组减压阀，且为了强化防止管道、阀门、管件等薄弱部位出现问题，每组减压阀组宜设置备用减压阀(见图1)。图12.1.2给水设备高层建筑消火栓给水与自动喷水灭火系统均需设置消防水泵，其型式选择与可靠性、消防供水设计流量和总压力有关系［2］。同时，为了能保证在必要时有足够的消防灭火能力，在高度＜54m的住宅、室外消防给水设计流量≤25L/s建筑等情形下，必须配工作性能与工作泵一样的备用泵。消防泵可以以串联和并联的形式，消防水泵的吸水可以自灌式吸水、非自灌式吸水。一组消防水泵吸水管≥2条，吸水管通常是明杆闸阀蝶阀，管径大于DN300，其穿过消防水池时其接触面必须有柔性材料支撑。一组消防水泵与给水环状管网相连的输水干管必须多于两条，消防水泵手动启停和自动启动相联合。消防供水管道应布置成环状或支状，消防给水管道的设计流速小于2.5m/s。室内消火栓竖管检修不能同时关闭2根及以上。高层建筑必须要设置水泵接合器，水泵接合器设计流量在10L/s和15L/s之间(见图2)。消防水箱供应不了系统最不利点所需水压时，应增设增/稳压设备。稳压泵的设计流量不小于系统自动开启流量，能提供系统自动启动。系统应设置采用双向供水的消防水池，火灾时消防水池能够连续补水，补水时间通常小于48h。消防水池不能共用出水管，为了保证在必要时的消防能力，两座水池连接管应在有效最低水位之下。此外，使用临时高压消防给水系统时，高层建筑应有高位消防水箱。

2.2高层建筑自动喷水灭火系统

自动喷水灭火系统分为闭式和开式，前者又分为湿式、干式及预作用系统，后者又分为雨淋系统和水幕系统［3］。其中，湿式系统是最常用的，其准工作状态时配水管充满有压水，喷头第一时间能灭火，适宜环境温度在4～70℃之间，因为温度太低或者太高的水可能影响状态，无法满足灭火要求。干式系统适宜环境温度﹤4℃或﹥70℃的地方，准工作状态时配水管道是有压气体，系统无污染。预作用自动喷水灭火系统准工作状态时配水管道内没有水，该系统主要体现的是预作用，主要在有寒冷冰冻气候、高温环境和平常不能有水渍等场所，火灾时由火灾自动报警系统联动开启雨淋报警阀转换为湿式，从而快速完成对火灾的扑灭。洒水喷头可以按结构、安装方式、热敏元件分，喷头分布在梁或其它障碍物的下方，与顶板的间距﹤300mm。根据闭式自动喷水灭火系统分类，报警阀组分为湿式、干式和预作用报警阀组。报警阀组设置高度宜为1.2m，湿式系统、预作用系统少于800只，干式系统少于500只。安装报警阀的地方不能有积水。自动喷水灭火系统的竖向分区应该与消火栓系统基本符合。配水管道的工作压力应小于1.20MPa。每个楼层、每片防火分区均有水流指示器。管网的末端和每层的最不利点处均应设置末端试水装置。

3高层建筑消防给水系统的优化设计

3.1高层建筑给水消防设计特点

高层建筑尤其高层民用建筑住户较多，人口集中，内部多个系统高消耗、高频率状态下使用，火情隐患颇多。同时，高层建筑建筑层数较高，需要较大的消防给水压力，消防难度高，合理地进行管道布置、准确计算供水量、管道承压十分重要。可以说，高层建筑火情隐患颇多，具有一定的复杂性，给水消防设计必须科学设计，且安全系数要求大，安全性要必须匹配［4］。

3.2高层建筑消火栓系统的优化设计

3.2.1消防水池设计首先，消防用水池和生活用水池需合建分建。消防用水量很大，且消防用水需要保证水质，合建式储水池容量要求必然大，水质容易变坏，并且工作人员需要区分水源，进行消防检测十分不便。消防用水池和生活用水池合建分建，可以用园林绿化保洁等用水来补充，既保证消防水源，同时通过设置导流墙、进出水管对置，还可以保证水质。此外，高层建筑群之间共用消防水池，可以保证水源，节约投资(见图3)。其次，消防储水池应科学设计。不同的建筑结构、不同的需求等都是影响容积的因素，高层建筑建筑内所有灭火系统全部动作的概率几乎不可能的，应结合概率进行科学的测算评估消防用水量。总需水量要依据灭火时间、消防水泵的规模等计算。按照有关规定，在室外给水管网能充分供给室外消防用水量下，除了需要满足灭火要求，还要尽可能的降低成本，火灾延续时间内室内消防总用水量要小于消防水池的有效容积;反之，要大于室内消防用水量和室外消防用水量不足部分之和。第三，火灾延续时间与消防补水量应合理估算。火灾延续时间是火灾发生耗时的基础上假定的一个时间，影响的因素有火灾荷载、建筑物装修材料燃烧等级等。补水量依据市政供水管路情况结合火灾延续时间进行确定。为减小消防水池的容积，也可加粗引入管。3.2.2消火栓布置消火栓布置合理与否直接影响火灾的控制及扑救。根据《高层民用建筑设计防火规范》(GB50016—2014)，消火栓应设在走廊与楼梯等易于取用的明显地点，并应准确计算消火栓参数，设置减压稳压装置，防止超压。同时，消火栓的间距需保证两个水枪充实水柱覆盖同层任何部位，并适当把平面功能布局及隔断功能的因素归纳其中。3.2.3高位消防水箱储水量的设计根据《高层民用建筑设计防火规范》(GB50016—2014)，一类公共建筑高位消防水箱的消防储水量大于18m3。并且，如果初起火灾发生充分燃烧后，稳压泵控制水量不能满足当前灭火要求，会直接启动消防泵，甚至启动生活泵并连续补水。3.2.4消防水泵设计首先，需优化水泵房设计细节。高层建筑消防给水设系统中，水泵房用水量需要准确，同时结合用水量的需求对水泵房面积的合理处理。对于其他设计细节而言，主要包括把导流墙装配在消防水池里，用循环水泵提供消防水池里的循环动力，尽量选取较大功率的水泵，给予水泵房适当的配件等。其次，需要选择合适的消防水泵。为保证在发生紧急情况的时候能够有充裕的消防用水，应设置一个扬程不应过大的消防增压泵，可以利用提前设计规划水箱高度去稳定水压，最终到达最高层消火栓或喷头的静压力值。第三，采用变频调速水泵供水方式。考虑到电能耗损及过多的设备投资维护费用，高层建筑一般采用水箱水泵联合消防供水方式，并设置减压装置，同时用变频调速水泵直接供水，避免电机开启次数多，降低电能耗损。此外，还需要科学设置室外、室内消火栓水泵及自动喷淋水泵等;以“变量不变压”为基本条件，根据工程实际情况，通过选择使用多台水泵分层控制、安全阀泄压、采用变量恒压泵、利用特性曲线选择水泵等措施，防止消防水泵超压，造成管道接头、阀门、消火栓等薄弱环节损坏程度加速等问题［5］。3.2.5高层建筑消给水方式选取对于并联分区、减压阀减压分区、串联分区给水系统而言，其有各自的特点。具体的，并联分区给水系统各分区系统简约、各自独立，有利于系统维护;减压阀减压分区给水系统减少了一组消防供水泵组，大大降低了投资维护费用;串联分区系统增设了转输供水系统，设备分散，前期投入和后期管理的要求较高。相比较而言，并联分区给水水泵扬程和系统的承压大小有限，减压阀分区供水系统取消各分区的独立供水设备，串联分区给水系统安全性较高。为此，三者的适用情况不尽相同，并联分区给水一般不用于建筑高度大于180m的高层建筑，减压阀分区供水的方式不适宜功能性复杂的高层消防供水，串联分区供水系统适合于建筑高度高于180m的超高层建筑。

3.3髙层建筑自动喷水灭火系统的优化设计

1)给水方式。其与消火栓给水系统可共用高位水箱，节省空间，管理方便;2)设备选择。喷头喷水要考虑覆盖面积和喷头附近的环境，配水管入口的减压设计应该通过对水泵的扬程进行计算，稳定泵设计考虑其出水压力与水源供应之间的基本要求，报警器设计应综合考虑信息传递与审美需求;3)数值计算。采用有限单元法进行管网数值计算，具体要求包括依据火灾危险等级确定最不利喷头参数，根据管网水力计算的结果来确定管网中各个管段的管径等;4)自动喷水系统的进化。高层建筑使用小水量细水雾系统，可减少储存消防水容积，还可降低水对电器设备所造成的损害。由于其具有水绝缘性，还可用于机房等电器设备的监控等。

4结语

综上所述，高层建筑消防给水设计要根据建筑楼层房屋结构及高度等，可考虑设置生活、消防共用水池，设置消防增压泵、高水位水箱稳压或者气压水罐增压等措施。高层建筑消火栓给水形式要能对系统安全性进行有效保障，要按照经济型以及科学性等原则进行选择。自动喷水灭火系统可靠性设计要从多方面考虑，要做好高层建筑消防给水的减压泄压，从而减少因为火灾造成的损失。

参考文献:

［1］高层民用建筑设计防火规范GB50016－2014［S］.北京:中国计划出版社，2014.

［2］刘剑，孙大伟.消防泵房位置及室内消火栓管网的优化设计研究［J］．山西建筑，2015(5):102－103.

［3］蹇洪.高层建筑消防给水系统设计要点研究［J］．中国高新技术，2017(5):10－11.

［4］鲁欣.分析高层建筑给排水消防设计方法［J］．商品与质量，2016(5):338.

［5］付翃，师前进.某超高层住宅群消防给水系统的AHP设计［J］．中国给水排水，2016(20):55－57.

作者：张海玲 单位：张太原市城乡规划设计研究院