高层建筑中自动喷水灭火系统的可靠性分析

崔铁良　张鸥　姚礼杨　汪能

摘 要 随着我国社会经济的不断发展，城市中的高层建筑越来越多的出现，高层甚至是超高层建筑已经成为城市中的一道风景，高层建筑最大限度地利用了空间也为人们的工作和生活带来了便捷，但是另外一方面来说，高层建筑的这些特性也带来了另外一个问题，那就是消防安全，高层建筑增多带来了巨大的消防安全隐患，主要原因是高层建筑的楼层较多加上内部装修，火灾隐患很多，本文将结合高层建筑的特点和容易发生的火灾危险进行讨论，分析自动喷水灭火系统在高层建筑灭火中发挥的作用。

关键词 高层建筑 火灾隐患 灭火 喷水灭火系统

0 引言

随着我国城市化进程的不断推进，城市的规模在不断地扩大而城市人口也在呈爆发式增长，对于城市来说高层建筑起到的作用巨大，现代城市的发展离不开高层乃至超高层建筑，这是时代发展的要求也是现代社会多样化发展的必然结果。

每一项新生的事物都带有双面性，高层建筑的增多促进城市的发展，但是随之而来的消防安全问题也日益凸显，由于高层建筑楼层很多，其内部的装修十分复杂，另外一方面高层建筑内部人员密度非常大，各种管道密集集中，线路复杂，火灾危险性不言而喻，一旦发生火灾，蔓延的速度快和造成的危害巨大，有时候也会因为楼层过高给火灾的救援工作带来阻力，火势的蔓延得不到有效的控制会直接造成人员的伤亡和巨大的经济财产损失，这就要求高层建筑的消防灭火工作主要是以预防为主，建立完整的火灾扑救体系，尽最大可能在火灾发生的初期就把火扑灭，将火灾造成的危害降到最低。

1 高层建筑火灾特点

现代城市中高层建筑是不可或缺的一部分，它节省土地，提高效率，缓解城市用地压力，也成为城市靓丽的风景，但是高层建筑楼层高，体积巨大，内部的人员众多，每个高层建筑内部的组成复杂，一旦发生火灾危害程度要比普通的建筑大。总结高层建筑发生火灾后的危害特点如下：

（1）一旦发生火灾，蔓延迅速，火势较大且蔓延的方式和渠道很多难以把控，高层建筑发生火灾最容易形成烟囱效应，危害巨大，尤其是对人的生命安全。所谓的烟囱效应指的是，在高层建筑中一个楼层发生火灾之后，建筑物内部的楼梯间，管道间，电梯间，通风管道等等可能透风的通道在发生火灾的时候如果没有很好地进行分隔，这些垂直的竖井就会像一座高高的烟囱，产生很大的拔气，而火灾有了拔气作用燃烧剧烈，还有可能通过这些通道直接蔓延到其他的楼层进而造成更大的危害。通过科学的实验证明，火灾中的烟尘在拔气作用下扩散的速度能够达到每秒三到四米，也就是说，即使是在一楼发生火灾，100米左右的高层建筑仅仅25秒到30秒的时间烟气就能够顺着垂直通道直接扩散到顶楼，与此同时火势也会进一步扩大，而这种拔气效应在楼层越高的建筑物内越为明显，产生的危害也就越大。

（2）一旦发生火灾疏散较为困难。高层建筑为了更好地利用垂直空间，其垂直高度会尽可能加大，这样更空间利用率更高，但是一旦发生火灾在进行疏散的时候弊端就显示出来，如果一层发生火灾就需要疏散每一层的人员，极易发生拥堵，从建筑内部疏散到外部本身就需要很长的时间，在发生火灾的时候高层人员唯一能够借助的就是楼梯的消防通道，如果消防通道因人为疏忽封闭不严窜入浓烟或者也发生火灾就直接切断了高层人员疏散的通道，这样最容易产生重大的人员伤亡。

（3）发生火灾后扑救工作展开困难。如果火灾发生在较低的楼层的话，消防官兵或者救援人员能够在最短的时间内到达并实施灭火和营救，但是高层建筑发生火灾往往出现在较高的楼层，而就目前来说我国的最为先进的消防云梯的有效高度也仅为七十多米，一般配备的消防云梯高度为五十米左右，而城市中很多的高层建筑高度能够达到100米甚至更高，远远超出消防云梯所能够达到的高度，一旦超出云梯高度，发生火灾之后智能依靠建筑物本身的消防设施进行扑救工作，效率会大打折扣。

（4）起火因素多，扑救难度大。高层建筑内部的楼层多，人员多，内部的装修材料的原料使用大多是易燃品且多种多样，一旦发生火灾的时候很难根据普通的火灾情况进行处理，在燃烧的时候发生化学作用进而产生大量有毒的气体通过通道蔓延，对疏散人员造成重大的人身危害。

（5）内部构造复杂，潜在的隐患多。一方面随着城市的发展，城市用地变得越来越稀缺，另外一方面，建筑科技的进步使得高层建筑所具有的功能也越来越多，在寸土寸金的城市建设的高层建筑往往会竭尽可能地利用建筑物本身的功能，尤其是近年来，超高型建筑，大型高密度型建筑越来越多，高层建筑担负的社会功能越来越多，从工作到生活到娱乐，每一方面都有所涉及。内部包含大楼的供电设施，给排水设施，暖气设备，空调通道，电梯等的通道及设施错综复杂，一旦发生火灾，烟尘和火势可能随着其中任何一种或者多种通道设施进行蔓延，蔓延的火势会进一步危害到大楼内部人员和财产，另外一方面燃烧产生大量的有毒烟雾在内部扩散会直接造成人员的伤亡，有数据统计，造成高层建筑火灾伤亡的原因竟然不是火而是烟，建筑火灾中有将近百分之八十的伤亡是由于烟的中毒进而窒息而死，而浓烟也会严重阻碍救援工作的开展。

2 什么是自动喷水灭火系统

顾名思义，自动喷水灭火系统是一种能够进行火灾探测并在发现火灾状况的时候自动进行喷水作业的固定到建筑物内部的灭火相关设施，而且自动喷水灭火系统具有较为灵敏的感应技术，在火灾发生初期就能够感应到火灾并进行灭火，由于是采用喷淋的方式能够最大限度地降低辐射热，限制火灾的蔓延，也正是因为消防喷水灭火系统起到的作用比较明显，这种灭火系统正越来越多地应用到现代高层建筑的建设中，取代原来的消火栓灭火系统成为高层建筑主流使用的灭火系统，进而占据主导地位。

表1很明显地表明，高层建筑内部如果采用自动喷水灭火系统能够在火灾发生之初就能够触动警报并进行喷水灭火，第一时间进行灭火作业，降低燃烧物的燃烧热度和蔓延速度，很多时候能够在火灾之后就能灭火，有效避免财产损失和人员伤亡。

3 高层建筑自动喷水灭火系统可靠性探讨

可靠性探讨是近年来才逐渐被重视的一个课题，我国的此项研究也只是在近二十年才开始，每个行业都会有本行业的一些行业标准，国家也越来越重视一系列的可靠性标准。我国国内高层建筑给水排水系统工程方面比较具有代表性的就是徐祖信团队对给水管网的可靠性进行了较为深入的研究，提出了水分配系统要以可靠性为基础的线性优化模式，可以把消防系统当作给水系统的一部分。另外一个就是杨琦（华东建筑设计院）发表的《高层建筑消防水系统可靠性的研究》一文里介绍了怎样进行消防系统可靠性模型和可靠度的计算方法。

3.1 自喷系统主要组件的可靠性分析

3.1.1 报警阀

报警阀主要起到的作用包含三个方面，即全面体现系统的可靠性，在发现火灾的时候自动启泵，及时报警提醒楼内人员进行疏散。水力警铃报警装置的一种，它的工作原理就是利用水流冲击发出一定的响声，在发现初起火灾的时候在报警阀进行报警的同时，进行喷水灭火。水力警铃的装置一般是安装在楼宇内部的公共通道上或者是楼宇值班室的附近的外墙上，一般的材质采用镀锌钢管，长度如果在六米以内的话管径应该是十五毫米，管道的长度超过二十米，官大的直径要达到二十毫米，需要注意的是在装的时候要预留检修和测试的阀门。这种报警方式效果很好，但是水力警铃这种报警装置一般会安装在泵房里，高层建筑的泵房往往又被设立在地下并且常常是无人看守，这样一来即使是发生了火灾且报警也很难有人发觉，警铃形同虚设，为了避免这种情况的发生，在进行水力警铃设计的时候就应当考虑到要把警铃引到有人值守的值班室，但是要注意信号管的长度要控制在二十米以内。如果高层建筑内部有专门的消防广播设施，水力警铃只是起到辅助作用，如果没有相应的广播设施就应该以水力警铃为主进行设置，让流动人员能够在第一时间听到报警铃声。

我国国产的湿式报警阀ZSZ系列的最大工作压力是1.2Mpa，另外一个系列ZSS最大的工作压力是1.6MPa，举例来说，一栋高度为一百米左右的高层建筑，内部的自动喷水灭火系统工作压力很可能已经超过了其最高的工作压力，主要应对策略就是分区措施，根据实际的工作压力值结合楼层进行移位，保证报警阀能够在正常的压力范围内进行工作报警。

3.1.2 信号阀门

在给排水系统中有一个比较重要的部位就是信号阀门，一般都需要配置信号阀的部位为报警阀组控制阀、水流指示器前的分区控制阀和报警阀组环状供水的检修用控制阀，信号阀必须能够在消防控制只会中心显示开启或者关闭的状态，这样就能够及时发现因操作失误或者忘记打开阀门造成的配水管道而产生事故。

3.1.3 末端试水装置

所谓的末端试水装置就是手动检验装置的一种，可靠性很高，主要是设置在一些具有联动要求的自动喷水灭火系统上面。其原理是通过末端试水装置来模拟单个喷头的放水流量，通过测试来观察压力表的数值变化是否稳定来判断整个的喷水灭火系统的放水流量能否达到相应的标准，还有一点就是测试系统能不能在起火后离火源最近的喷头在释放喷水之后还能不能进行正常的报警，报警阀，压力数值，水力警铃都能够不受影响正常的工作，也就是说在喷淋泵启动的时候无论是哪个喷头在工作，系统都能够联动运行。还有需要注意的就是，在进行末端试水装置试水的时候其K值应当与区域里最小的流量喷头的K值是一样的才行，测试用的压力表应当尽量靠近相应的试水口，这样做的原因是，只有靠近试水口测出的压力值才能准确反映试水口的出水量。

3.1.4 喷头

喷头是整个喷水灭火系统的最终端，灭火动作是通过喷头实现的，布水作业直接由喷头完成，也就是说喷头的选用好坏或者选型是否恰当会直接影响到灭火效率和效果，十分重要。所以在选用喷水喷头的时候要切实做到从实际出发，也就是说要根据使用此喷头的场所的火灾危险性特点相结合，结合建筑物内部的空间构造，还有就是整个消防系统自动喷水灭火的特点进行选择，比较核心的参数就是喷头的流量系数和热敏指数，进而确定喷头的安装密度和保护面积。

喷头的选用关系到整个喷水灭火系统的可靠性，所以要进一步考虑到喷头所处的特殊场合状况，每个不同的场合选用不同的喷头，最先要考虑率到喷头的灵敏度即反应的快慢，是否能够在最初发现火灾的时候进行喷淋作业而又不会因为过于灵敏出现误喷的现象。

在实际的使用过程中，对于一些中轻危害级别的场所，如住宅，娱乐场所，医院，学校，养老院等人员密集活动的地方要采用快速反应的喷头，在发现火灾情况的第一时间就会做出反应，报警，最大程度地争取疏散逃生的时间，降低人员伤亡。而在一些严重危险的场所突然发生火灾的时候，要考虑到，发生火灾之后火速蔓延较快，并且同时释放大量的热量，如果同样采取快速反应喷头会造成同时触发的喷头数量过多，相应的水压不能达到，喷头开启数量虽多但是强度不够，很难取得良好的灭火效果，这也就是为什么一些严重火灾场所要降低喷头灵敏度的原因，热度高的时候数量不是决定性因素而是强度。

另外，还有一些地方应采用快速反应喷头，主要从使用场所上分别，如仓库，也就是不易捕捉热量的地方，要采用快速反应喷头，一般来说，像仓库这些火灾危害性较高的地方都会采用专用的喷头，也就是有过相关认证的喷头，常见的有早期一直快速反应喷头，效果良好，但是并不适用于非常大的空间场所，不然极易产生误喷。

3.2 自动喷水灭火系统水泵启动控制方式的可靠性分析

在实际的应用过程中，自动喷水灭火系统有未能灭火成功的案例，通过对这些案例的分析，我们发现，引起未能成功灭火的原因中，供水中断的比列达到百分之三十五，供水量不足占到百分之十，两者合计能够达到百分之四十五，这个数据充分的证明一点——供水系统不可靠对喷淋系统效果的影响很大，建立完善的独立的供水系统很有必要且十分重要。

3.2.1 探测器控制

探测器控制的主要工作原理就是设立探测器控制点，以点为单位向统一的只会中心发射报警信号，在经过消防控制中心对信号进行辨认处理之后再启动消防阀门，这种方式在使用之初就出现了很多问题，如探测器误报，远程控制不能保证喷头是否打开，还有就是由于处理不及时造成火灾蔓延过快等等，所以后来就渐渐地退出了市场。

3.2.2 水流指示器控制

这种控制方式是通过水流指示器的信号传送来提示控制中心，也就是说终端反馈，经过延时证实之后在进行消防水泵的启动。这种方式不是直接判断火情而是判断管网中的水流动情况进行判断是否有火情，因为系统中的水量是固定的，一般出现大体积的流动肯定是出现了什么状况，有一定的实际意义，但是在实际的应用中也会因其他原因如空气压缩等出现误报情况。

3.2.3 压力开关控制

这种控制方式最为常见，应用最为广泛，又可细分为单压开关控制及双压开关控制。

（1）单压开关控制。将压力开关设在延时器后，如图2所示。在发生火灾险情的时候，喷头会自动打开进行喷淋灭火作业，而系统管网中的水发生流动的时候，水流指示器发出报警信号，水流把报警阀打开，启动消防水泵，这种控制方法效率高且有效，应用十分的广泛。

1—屋顶水箱；2—自动排气阀；3—信号控制阀；4—水流指示器；5—压力开关；6—水力警铃；7—湿式水力报警阀；8—消防水池；9—消防水泵接合器；10—喷淋泵

（2）双压开关控制。将两只压力开关均设在水力报警阀之后，如图3所示。这种控制方法采用两台稳压泵设置在稳高压消防给水系统里，使整个系统都随时处在有压力的情况下。每个压力开关都有相应的最高压力及最低压力出点。

这种控制方法的另外一个好处就是，如果主泵因为某种原因不能正常的运转，管网的压力逐渐下降到一定的数值就会启动备用的消防泵，即有了双层的保险。

3.2.4 控制方式的分析与比较

实践证明，在之前提到的这几种控制方式里，探测器和水流指示控制有可能会出现误触或者误报的情况，出现浪费资源的情况，特别的探测器控制，有时候并不可以完整地反映真实情况，实际的工程运用效果也不是很好，而两种方式都不能自动停止主泵，所以现在采用得比较少。

而单压力开关控制方式虽然要经过二十秒到三十秒的延时之后才能启动水泵但是其信号的可靠性是有保证的，这种控制方式避免了误触，较为可靠。

1—屋顶水箱；2—自动排气阀；3—信号控制阀；4—水流指示器；5—压力开关；6—水力警铃；7—湿式水力报警阀；8—消防水池；9—消防水泵接合器；10—喷淋稳压泵；11—喷淋泵

双压开关控制方式是应用最为广泛的方式，直接根据水压进行水泵控制，能够最为直接的反映整个系统的情况。双压力开关通过控制管网水压变化平衡了水泵和电机之间的关系，使得供水更为可靠。

然而，每一种控制方法都有各自的特点，可以表1自动喷水灭火系统控制方式比较。这里需要注意的一方面就是除了自动灭火控制强调的自主外还要可以手动进行启动。

3.3 报警阀前环状供水管道的可靠性分析

自动喷水灭火系统的使用能够让人们在最大程度上将火灾控制在产生危害之初，是降低火灾危害财产及人身安全的重要方法，所以其安装标准不能低于消火栓系统。我国已经有相关的立法规定，《喷规》第10.1.4条规定：“当自动喷水灭火系统中设有2个及以上报警阀组时，报警阀组前宜设环状供水管道。”这样做的目的就是保证双向供水在发生火灾的时候能够保持供水系统的稳定。

按照环状供水示意图（图4），当阀1、阀2之间环管检修时，所有的报警阀均停止供水，失去了环状供水作用。而且在一般情况下环状供水管道不长，设置阀1及阀2意义并不大。另外，当阀3检修时，自动喷水泵便无法使用，系统供水的安全性也大打折扣。

经过修改的环装供水管道如图5，水泵出水管和环状供水管道不长时，可取消图4中的阀1、阀2。按图5设置的阀门，如果在进行某段的管道检修时收影响的报警阀组只有一个，图5中任意某个阀门或某段管道检修时都不影响水泵向系统供水，显然，图5供水可靠性比图4有较大的提高。

3.4 自动喷水灭火系统喷头布置对系统可靠性影响

3.4.1 喷头布置间距

规范中很详细地规定了不同危险程度场所所应当布置的喷头之间最大与最小的距离，有科学的数据研究结果表明，一般喷头开启的热量来自热对流，当热空气流经喷头的时候才会传达给感应器，喷淋才能开启，但是在实际的火灾现场，起火点的火势是呈辐射状不断向周围扩散的，只有起（下转第175页）（上接第153页）火点上方才会有较为明显的热对流引起喷淋动作，为了能够让喷头喷淋的时机正好，就需要明确规定出各个喷头之间的最大距离，而如果喷头间的距离过小也会因为相邻的喷头已经开启而降低了气流的温度不能开启，所以间距过大或者过小都不行需要科学的计算。

另外一方面，各个喷头之间所布置的间距对整个系统的水力计算影响也是很大的，喷头布置的密度高低直接关系到喷水的强度和喷头本身的损失。最为科学的布置方式是根据系统的喷水强度、喷头流量系数和工作压力进行计算所得出的结果，一般喷头的布置都是采取最大间距的矩形布置，这样布置的好处就是重复喷水面积很少，喷头的喷水得到了有效的利用。

《喷规》规定了喷头布置的最大间距和最小间距具有一定的科学性，但是在实际的建筑施工过程中并不能完全按照规定执行，要根据建筑物的实际情况来设置喷头，以喷头不受阻挡为主要原则。

为了不影响使用功能，并且能够与建筑内部的装修一致，有一个规则需要遵循，那就是喷头应按柱网或房间开间内均匀布置，这样一来无论是在大型商场还是一般建筑中都能够满足相应的规范要求。

3.4.2 喷头与顶板间距离

它们之间的距离应该在七十五毫米到一百五十毫米之间，如果离得太近不易于安装和后期的维护，而且一旦出现洒水也会受到影响，而太远了也会因为喷头周围的烟气升温速度相对较慢使得喷头不能及时的打开，《喷规》之所以规定距离就是要给出相应的规范，但是在实际的安装过程中有很多建筑不按此规定进行安装，一旦发生火灾危害巨大，一定要把这项规定落到实处。

3.4.3 喷头布置均匀性

喷头布置均匀能够达标的话，一旦发生火灾会取得良好的灭火效果，但是实际布置中可能会因为建筑物的内部构造特性，受到管道，梁的硬性分布不均匀，这在所难免，但是一定要保持在《喷规》所规定的范围之内。喷头布置不均匀的话，一旦发生火灾，如果布置较少的位置发生火灾，喷头数量较少会直接影响到么灭火效果，如果过于密集很容易在较短的时间内就把系统用水用完了。

总之，高层建筑的防火灭火工作是一项涉及方面众多的工作，喷水灭火系统是一种有效的方法，但是要找到科学有效的控制方法和布置方法才能最大限度的发挥喷水灭火系统的作用，提高其可靠性。

参考文献

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