超高层建筑消防给水系统的设计思路与要点分析

邹宝珍

中国核电工程有限公司上海分公司 上海 200135

当今，建筑科学技术的发展水平越来越高。在经济社会发展过程中，土地资源逐渐形成稀缺形式的背景下，建筑业进入了一个崭新的发展阶段，即从一般的高层建筑过渡到超高层建筑，我们希望能够最大限度地利用现有的土地和空间资源。然而，超高层建筑在设计期间，消防供水系统设计的实用性，施工阶段的建设难度与使用阶段的管理难度都可能成为巨大的难题[1]。我们有必要了解我国各种消防设备的供水特性，单一的加压供水系统可能无法达到超高层建筑消防给水的标准要求。因此，在超高层建筑的消防给水设计阶段，必须严格按照国家标准要求，灵活使用各消防联合供水系统，确保消防加压给水系统设计能够满足火灾期间的灭火需求，最大限度的减少火灾带来的损失，一旦发生室内严重火灾，超高层民用建筑尽可能依靠室内自动灭火系统及火灾初期应急灭火设施完成应急灭火，保障灾害用户生命财产和人身安全。

1 超高层建筑消防给水国家标准要求设计参数

超高层建筑物一般指的是建筑物的层高超过一百米的建筑物。而现在建筑工程的安全消防工作措施根据《建筑设计防火规范》GB50016-2014(2018年版)(下列又称'建规')的有关标准予以设计[2]。在“建规”5.1.1民用建筑的分类表中规定可见，建筑高度大于50m的公共建筑即视为一类高层民用建筑，'建规'第1.0.6条明文规定'建筑物层高超过二百五十米的建筑物,除应满足本标准的条件外,尚应结合实际情况采用更为严密的安全防火保护措施,其安全防火工程设计应提请国家政府消防技术主管机构专项调查、专家论证'。是以，本文拟讨论的100m~250m建筑可参照一类高层民用建筑相关设计要求进行消防给水系统设计。

根据《消防给水及消火栓系统技术规范》中规定，民用建筑在同一时间内的火灾起数应按1起确定，一起火灾所需消防用水的设计流量应由建筑的室外消火栓系统，室内消火栓系统，自动喷水灭火系统，固定消防炮系统等需要同时作用的各种水灭火系统的设计流量之和确定；两座及以上建筑合用消防给水系统时，应按其中一座设计流量最大者确定。建筑高度为100m~150m超高层民用建筑建筑体积大于5万m3的室外消防用水设计流量值为40L/s，室内消火栓给水设计流量为40L/s，自动喷水灭火的火灾危险等级为中危险级，最大净空高度≤8m时，设计喷水强度8L/(min·m2)，作用面积160m2，高大空间场所当最大净空高度在8至18m之间时，设计喷水强度范围为12 L/(min·m2)~20 L/(min·m2);当净空高度超过自动喷水灭火系统保护范围时，一般采取消防炮灭火系统，本篇暂不做相关讨论。

2 消防供水系统选择

当建筑高度超过100m时，高楼层部位着火，消防人员到达起火点所需的时间较长，因此，在这一类的高层建筑中，靠消防车扑救火灾困难极大，设计过程中，应充分考虑起火时的自救措施，而自救主要依赖于室内的消防给水系统，因此消防给水系统“水”的稳定性应该作为核心因素考虑。

目前，室内供水系统一般采取消防水池加给水加压泵加压供水的形式，消防水池储存单次火灾灭火所需的全部用水量，针对室内消火栓系统，当系统工作压力大于2.40MPa或消火栓栓口处静压大于100m时，室内消火栓系统须采取分区供水的形式；而当自动水灭火系统报警阀处的工作压力大于1.6MPa或喷头处的工作压力大于1.2MPa时，自动水灭火系统须采取分区供水的形式。减压分区主要分为减压阀减压分区、消防水泵转输水箱串联分区供水，减压水箱减压分区供水等形式。减压阀减压分区优点是不占用建筑的使用面积，但减压阀后的供水分区压力损耗较大；减压水箱减压分区供水须在每个分区设置减压水箱，消防给水由高位消防水池供给，虽供水方式可靠，但所有消防用水都需要输送至高位消防水池再向下层减压供水，能源损耗大，占据建筑面积也较大[3]。

综合上部所述，针对100~250m超过高层公共建筑消防给水系统设计，对于150m以下超高层建筑，选择消防加压水泵直供的方式，并使用减压阀减压分区；而对于150m~200m超高层建筑，则需要设置消防转输水箱，进行分区串联供水。

3 消火栓系统

针对超高层的工程建筑物,如果消防给水系统压力分区设计划分不恰当,通常会导致消火栓的栓口动压过大,室内消火栓一般情况下配置均为直流水枪，这种直流水枪的反作用力如果超过200牛，在灭火时，会产生很强的反作用力，一名消防人员难以独自操作其进行火灾扑救[4]。同时，如果消防系统分区设计压力过大,极易导致管路阀门或者管道破裂，所以，如果想要防止出现上文提及的状况,就需要在设计初期进行好消防供水压力确定，并做好消防给水系统的压力分区设计，设计计算过程中，消火栓栓口动压不应大于0.50MPa，当栓口动压大于0.70MPa时，必须设计减压装置，一般设计选用加压阀组分区供水及设置减压稳压型消火栓等方式控制消火栓栓口压力。

超高层建筑物中的消火栓,包括室内外消火栓。为了使二者在火灾事故中发挥作用,设计者有必要明确相关规范文件和消防要求,合理设置消火栓。其中,室外消火栓应沿超高层建筑均匀布设,并预留灭火作业场所开展作业。室外消火栓设计用水量按照超高层建筑的数量和容积合理计量 ,工程设计技术人员应当按照超高层建筑的数量和容积合理选用室内外消火栓设计参数。超高层建筑的室内外消防栓在工程设计过程中,应当严格地根据国加消防标准的要求加以设计与施工。

4 自动喷水灭火系统

自动喷水灭火系统是当今世界上公认的最为有效的自动灭火设施之一，是应用最广泛，用量最大的自动灭火系统，国内外的应用实践也证明，自动喷水灭火系统安全可靠、经济实用、灭火成功率高。自动喷水灭火系统由报警阀组，洒水喷头，水流报警装置及末端试水装置组成，布置洒水喷头是应注意洒水喷头须均匀分布，不应受建筑物或管道等障碍物阻挡，导致影响灭火效果。报警阀组应尽量设置于安全且便于操作的场所，设计中常将报警阀组设置于消防水泵房内，或单独设置报警阀间。每个报警阀控制的喷头数量不大于800个，供水范围的高程差不应大于50m[5]。在超高层建筑中，喷头设置保护范围的有效性极为重要，规范规定，除不宜用水扑救的场所外，均须设置喷头保护，在超高层公共建筑中，常见的高压配电间，IT机房，变电所等不采用自动喷水灭火系统，但仍须考虑设计气体灭火系统。在布置喷头时，设计尤其要注意的是自动扶梯的底部，楼梯间前室，卫生间清洁间等部位，此类部位在设计过程中极易被忽略，均需按要求设置喷头。在设置喷头保护时，每个防火分区及每个楼层均应设置水流指示器及信号阀，水流指示器处即视作每个防火分区或楼层的配水管道入口，配水管入口压力应控制在0.4MPa以下，故须设置减压阀组或减压孔板来均衡配水管入口的压力。每个报警阀组的最不利点处均应设置末端试水装置，其他防火分区及楼层设置直径25mm的末端试水阀门，末端试水装置由试水阀、压力表以及试水接头组成，末端试水装置的出水应采取孔口出流的方式排入排水管道，排水立管伸出建筑屋面进行伸顶通气。超高层建筑的喷淋末端试水承接管排水压力大，设计中须考虑使用耐压性高的静音管材及管件。

5 消防水泵接合器

建筑消防水泵接合器是建筑室外消防给水系统的重要组成部分，主要用于连接消防车，向室内消火栓给水系统，自动喷水灭火系统等设施供水。设置消防水泵接合器后，再消防员灭火时能更加有效的利用建筑内的消防灭火设施，大大的节省消防员需要进行登高作业以及铺设水带等灭火设施的时间。消防水泵接合器应设置在室外便于消防车使用和接近的地点，且应分散布置，距室外消火栓或消防水池的距离约15m至40m范围内。当室内消火栓系统、自动喷水灭火系统等的水泵接合器集中设置在同一区域时，应有明显的标志进行区分。

水泵接合器的设置方式可选用以下两种：低区水泵接合器和高区水泵接合器，这类设置方式一般在高度200m左右,竖向分区不大于4个，消防水泵“一泵到顶”建筑中多见，低区和中区系统按串联方式设1套水泵接合器,超过100m的”高区系统由消防车通过高区消防水泵接合器将市政水升压进入预设的接力系统，再由电力或柴油接力泵(设在地下消防泵房内)直接串联加压进入高区管网；低区水泵接合器和高区水泵接合器(中间消防水箱转输)这类设置方式在建筑高度200m左右，竖向分区不大于4个，在避难层/设备层设置中间消防水泵房的公共建筑多见，在此类系统中消防车通过水泵接合器进入接力水箱或高位重力消防水箱间接供水。

6 消防水池及高位消防水箱

在室内消防系统设计中，消防水池及高位消防水箱的设计占据重要地位。消防水池用于储存室内消防用水的全部用水量，一般设置于建筑的一层或地下层。消防水池与消防水泵房联合设计，消防水泵由消防水池吸水加压后供给至各消防用水点[6]。设计中，消防水池的最低有效水位须能保证消防水泵的自灌式吸水，即消防水池的最低有效水位须不低于立式多级消防泵的出水管中心线，不低于卧式消防泵的水泵放气孔；消防水池须设有溢流水位，高报警水位，高（常）水位，低报警水位，最低有效水位。水位信号须就地显示并传送至消控中心。消防水池应在给水管附近设置检修人孔，便于管线及阀门等相关附件的检修。

设置临时高压消防系统的建筑应设置高位消防水箱，消防给水及消火栓系统技术规范中规定，一类高层公共建筑，高位消防水箱有效容积不应小于36m3，当建筑高度大于100m时，高位消防水箱有效容积不应小于50m3，当建筑高度大于150m时，高位消防水箱有效容积不应小于100m3。高位水箱的设置位置应高于其所服务的水灭火设施，一般情况我们将高位消防水箱设置于建筑群中最高一座建筑的屋顶。

7 消防供水系统中的其他问题

7.1 管道井

超高层建筑设计中，建筑往往具有使用功能多样性，空间布置复杂交错等特点，加之避难层以及建筑防火疏散要求，各专业的管井等多有无法上下贯通，需要错位设置的情况。因此在消防给水主立管设计时，需要充分考虑管道在平面布置上的合理性，避免主干管经过管线密集空间狭窄的通道等位置，从而影响建筑净高要求，必要时，须连同建筑、电气、暖通等各专业协同设计，以确保管线设置不影响建筑使用功能。

7.2 隔震降噪

超高层建筑避难层常设置设备机房，引起噪声与振动问题。尤其当避难层的上下楼层为酒店客房、高档办公等有较高安静要求的使用功能时，水泵等机械设备、管路水流等的噪声与振动对工程品质影响极大。除按要求采取减震隔声措施外，适当以减压阀替代串联水泵进行分区、设置减压孔板等，均可在保障系统压力安全的同时，有效控制噪声影响。

7.3 避难层

根据建筑内部具体的划分标准,在耐火级别、安全性疏散、防火安全距离、灭火设备、消防分区等几个方面,建筑面临着必然的差异,这就必须针对这种差异提供不同的建筑设计条件。这么做的优点是既可以让超高层建筑的消防安全大大地提高,又同时减少了投入的资金。按照建筑物的使用特性、失火的风险、避难时间和防火的难度来加以分类的话,超高层建筑物应当归于第一类高层建筑,地下室的防火级别与建筑物的主体部分同为第一类,而裙房的防火级别则不得少于二类。针对一些超高层的公共建筑来说,例如酒店、办公室或是综合楼,避难楼层的建筑设计也是必要的。这些避难楼层的设计刚好可以用作消防供水转输水箱的设计位置，这样既不影响建筑功能，又能够保证消防供水的稳定性。

7.4 灭火救援

目前世界最高的消防云梯最大有效高度已达一百零一米,不过这还远远没有赶上超高层建筑物发展的高度,加之台风的影响,使得高空作业者具有相当的风险。当超高层建筑物达到了消防云梯的极限高度时,高喷车和长射程的移动水炮车等都很难从室外垂直打到高一百多米以上的起火部位。因此，灭火救援不能只依赖于专业消防救援人员赶到现场之后再实施救助，设计之初就应立足于自救，依靠自动灭火系统以及灭火器、消火栓箱内及分散设置的轻便消防水龙等扑灭初期起火点。

8 小结

综上所述，在我国新经济时期城市经济发展的背景下，超高层建筑已发展成为现代工程建设领域的标杆类项目。但是超高层建筑消防救援难度大，人员疏散困难，发生火灾后将造成严重的生命财产损失，因此，超高层建筑的消防设计尤为重要，而在超高层建筑的消防设计当中，消防给水系统设计占据着重要的地位。本文从超高层建筑消防给水国家标准要求设计参数、消防供水系统选择、消火栓系统、自动喷水灭火系统、消防水泵接合器、消防水池及高位消防水箱以及设计要点及难点分析这几方面进行分析，找到超高层建筑的消防设计思路，希望能为相关企业提供更多的有效信息。