浅谈高层建筑给排水中的消防设计

◎ 杭州恒元建筑设计院有限公司 魏 群

杭州天元建筑设计研究院有限公司 陈 华

自动喷水灭火系统是宾馆、高级住宅、车站候车室、图书馆等人群密度较大场所中常用的消防给水系统。随着社会主义现代化事业和经济的发展，旅游事业的兴起，体现城市时代特征的高层民用建筑和多层工业建筑亦进入繁荣发展阶段，越来越多的多功能建筑屹立于现代化都市之中。火灾事故与重特大火灾越来越多，火灾损失也越来越大。建筑消防的形势越来越严峻，为了提高消防系统的可靠性，建筑消防系统逐渐由高效率、高自动化设计为基准，文章通过自喷灭火系统加以阐释高层建筑给排水消防设计理念。

1 自动喷水灭火系统的概述

自动喷水系统一般是由供水设施、管道、水流报警装置、报警阀组、洒水喷头，火灾探测器等几部分组成。这些部件的作用就是在发生火情时，及时吸收火场中的热量，尽快打开喷头，把水均匀的喷洒在可燃物的表面和周围，最终达到灭火目的。对于自动喷水灭火系统，其设计的基本要求是：系统具有可靠的火灾自动报警系统，且喷头能在尽可能短的时间内扑灭保护区的火灾。而自喷系统管网的管道内径和粗糙度、喷嘴的孔径、管道的安装等都会影响系统的设计后果。

自动喷水灭火系统的喷头类型，可以根据喷头的流量系数热敏指数RTI和布水曲线等指标分类。通常在建筑设计中根据火灾危险性、保护空间的建筑构造、自动喷水灭火系统本身的特点来选择适合该建筑的喷头。最常见的是一种闭式喷头，喷头平时被热敏元件堵住，遇到火灾使喷头环境温度上升，超过了原定的极限温度，热敏元件就爆破，喷头被打开喷水出来灭火。闭式喷头里面的红色表示，在室温达到68℃时就爆开喷水。如果是橙色，就表示到57℃时喷水。喷头均匀分布，使火灾发生时，建筑内处处都有喷水喷头的保护。

2 自动喷水灭火系统的水力计算方法

在自动喷水灭火系统设计中，力求遵循系统基本原理和技术特点，使系统充分发挥自动扑救初期火灾的作用。水力计算将决定系统投入灭火的水量及对灭火水量的分配，是关系到系统可靠性、合理性和经济性的一项重要设计内容。

2.1 我国现行的水力计算方法

1）面积节点法

面积节点法，首先选定最不利作用面积在管网中的位置，此作用面积的形状宜采用正方形或长方形，当采用长方形布置时，其长边应平行于配水支管，边长宜为作用面积平方根的1.2倍(即1.2扛)，仅在作用面积内的喷头才计算其喷水量，且每个喷头的喷水量至少等于规定的喷水强度，作用面积后的管段流量不再增加，仅计算管道的水头损失。对轻、中危险等级建筑物的计算时可假定作用面积内每只喷头的喷水量相等；对严重危险级，按喷头处的实际水压计算喷水量。

2）逐点法

逐点法计算，从系统最不利点喷头开始，沿程计算各喷头的水压力、流量和管段的累计流量、水头损失，直到管段累计流量达到设计流量为止；在此后的管段中流量不再增加，仅计算沿程和局部水头损失。在上述计算中，每个喷头流量按特性系数法计算，其流量随喷头处压力变化而变化。此计算特点是在系统中除最不利点喷头以外的任一喷头的喷水量或任意4个喷头的平均喷水量均超过GB50084-2001《自喷灭火系统设计规范》(以下简称《喷规》)第4.1.1条规定，系统计算偏于安全。

3）“矩形面积一逐点法”计算方法

(l)矩形面积的确定

确定最不利作用面积在管网中位置(必要时可由水力计算确定)，作用面积的形状为矩形，其长边平行于配水支管，其长度不小于作用面积平方根的1.2倍，喷头数若有小数就进位成整数。当配水直管的实际长度小于边长的计算值时，作用面积要扩展到该配水管邻近支管上的喷头。

对于在走道内设置单排喷头的闭式系统，其作用面积应按最大疏散距离所对应的作用面积确定。系统设计流量按系统的有关规定计算。干式系统的作用面积应按《喷规》表5.0.1规定值的1.30倍确定。雨淋系统中每个雨淋阀控制的喷水面积不宜大于《喷规》表5.0.1中的作用面积。

(2)系统设计流量计算

系统的设计流量，应按最不利点处作用面积为喷头同时喷水的总流量确定：

式中：Qs——系统设计流量(L/S)；

qi——最不利点处作用面积内各喷头节点的流量(L/min)；

n——最不利点处作用面积内的喷头数；

pi——矩形面积内喷头处水压(MPa)；

K——喷头的流量系数。

4）逐点法水力计算

轻、中、严重、及仓库危险等级均按逐点法进行水力计算，即矩形面积每个喷头喷水量按该喷头处的水压计算确定，具体方法如下：

(1)首先假定最不利点处水压，求该喷头的出水量，以此流量求喷头之间管段的水头损失；最不利点水压一般为0.IMPa，最小不应小于0.05MPa。

(2)以第一喷头处所假定的水压加喷头①一②之间管段的水头损失，作为第二喷头处的压力，以求的第二喷头的流量。此两个喷头流量之和作为②一③喷头之间管段的流量，以求该管段中的水头损失。以后依次类推。计算至作用面积内的所有喷头和管道的流量和压力。

(3)两管段交点处的计算水压不同时，应按式(3)对交汇点处低水压一侧的管段流量进行修正。

式中：q1——低水压侧管段的修正流量(L/s)；

q2——高水压侧管段的计算流量(L/s)；

hl——低水压侧管段的水压(KPa)；

h2——高水压侧管段的水压(KPa)。

由水力学原理可知，式(3)仅在配水支管组成完全相同的条件下成立，所以特性系数法只适用于如图1所示的“规则布置”情况。然而，在实际工程中，由于被保护范围并非规则的矩形，或为满足喷头与障碍物最小净距的要求而调整个别喷头的位置，管路及喷头在大多数情况下呈“不规则布置”(见图2)，导致特性系数法的应用存在困难。为满足工程设计的实际需求，有必要寻求更为完善的水力计算方法。

2.2 管道和报警阀的布置

在保证消防安全的前提下，即在保证满足设计流量的前提下，如何确定一个比较合理的流速，达到合理选用管径的目的，以做到安全可靠和经济合理的统一。1）配水管道的工作压力不应大于1.20MPa，2）系统中直径等于或大于100mm 的管道，应分段采用法兰或沟槽式连接件(卡箍)连接。水平管道上法兰间的管道长度不宜大于20m；立管上法兰间的距离，不应跨越3个及以上楼层。净空高度大于8m 的场所内，立管上应有法兰。3）配水管道的布置，应使配水管入口的压力均衡。轻危险级、中危险级场所中各配水管入口的压力均不宜大于0.40MPa。4）配水管两侧每根配水支管控制的标准喷头数，轻危险级、中危险级场所不应超过8 只，同时在吊顶上下安装喷头的配水支管，上下侧均不应超过8 只。严重危险级及仓库危险级场所均不应超过6只。5）短立管及末端试水装置的连接管，其管径不应小于25mm。6）干式系统的配水管道充水时间，不宜大于1min；预作用系统与雨淋系统的配水管道充水时间，不宜大于2min。报警阀的数量应根据以下两个原则来确定：一是《喷规》6.2.3 条要求，一个报警阀组控制的喷头数应符合湿式系统、预作用系统不宜超过800 只，干式系统不宜超过500只。《喷规》6.2.4条要求，“每个报警阀组供水的最高与最低位置喷头，其高程差不宜大于50 m。”关于报警阀的设置，有集中布置和分散布置两种形式。但这两种布置形式各有利弊，应该根据工程的实际情况，在满足有关规范要求的前提下合理进行选择。

图1 适用于特性系数法的系统布置

图2 不适用于特性系数法的系统布置