某丙二类自动化高架仓库的消防给水设计及思考

高 歌 （无锡市建筑设计研究院有限责任公司，江苏 无锡 214045）

1 前言

根据GB50016-2014（2018版）第2.1.5条，高架仓库是货架高度大于7m且采用机械化操作或自动化控制的货架仓库。

全自动化控制的无人货架仓库内部采用单排、双排和多排货架存储货物。仓库内的货物全靠自动堆垛机和传送带进出库，平时仓库内无人，仅控制室有若干控制人员值班。

仓库内货架层数多，货物数量大，单个货架上的货物布置紧密，货架与货架间的通道宽度小，仅能供堆垛机运动，而两条通道之间的货架则背靠背布置，只留管线布置空间，组成双排或多排货架形式。

由于其货物数量多且布置紧密，当发生火灾时，火焰极易沿垂直和水平方向快速蔓延，如不能及时制止火灾蔓延，将会造成极其重大的财产损失。

笔者近日参与了一座丙二类纸质印刷品自动化高架仓库（仓库危险级II级）的设计，负责其中的水系统设计。在设计过程中，遇到了一些问题，也有一些心得和疑惑，希望能与同行交流。

2 项目概况

本项目是一座单层丙二类自动化高架仓库，仓库的火灾危险等级为仓库危险级II级。仓库内平时无人，仅设一间控制室，有三名值班人员。

仓库室内最大净高为23.74 m，仓库内设有双排和多排货架，采用钢制货架和木制托盘存储纸质印刷品。货架层数为10层，货架每层间距为2.175m，货架储物的总高度为22.65 m。

货架沿仓库长边平行，两条双排货架靠仓库两侧设置，一条多排货架设于仓库中间，三条货架之间有两条自动堆垛机通道。平面布局见图1。

图1 项目平面布局

3 货架内消防通道和消火栓减压问题

自动化高架库房的室内消火栓设计一直是个难题。GB50974-2014第7.4.6条要求同一平面有两支消火栓的充实水柱能够同时到达任何部位。但货架与货架之间的通道仅供自动堆垛机工作使用，在其中设置消火栓和管道会妨碍堆垛机工作。很多高架仓库为了节约空间，货架和堆垛机通道往往紧密设置，连绵成片，货架和通道的长度极长，本项目的货架长度有66 m，货架区内没有空间可以设置消火栓。

3.1 货架下方不应设消防通道

由于通道端头的消火栓无法保护到通道中间的货架，有一种做法是将货架的最底层去掉一个货位，以供消防队员持消防水带穿越，具体布置见图2。

图2 货架内消防通道设置方式

高架库房火灾蔓延速度快，从初期火灾到轰燃不超过5-7分钟，而消防队员到达火场并救援的时间通常都超过这个时间。如果在消防队员到达前，自动灭火系统不能有效控制火势，室内消火栓也将成为摆设。

高架库房内通道狭窄，火灾时烟气弥漫，通道上又可能有火焰和杂物的干扰，身穿防火服的消防队员要在极短的时间内找到消火栓和预留通道，这对于消防队员是一个极大的挑战。

能成为消防通道的首要条件是能有安全的防火分隔，在货架底部预留空位形成的通道毫无疑问不能算作安全的消防通道，这种通道在火灾时被着火崩塌的货物堵塞的可能性很高。

本项目库房货架排数较少，仅需在最外侧货架底部预留通道。但某些库房货架排数很多，消防队员往往需要连续穿越多个预留通道才能到达货架区中间。在这过程中，如果消防队员身后货架崩塌，就会堵塞预留通道，导致消防队员无法撤离，消防通道反而变成了死亡陷阱。

《石油化工自动化立体仓库设计规范》（SH/T3186-2017）第 10.1.2 条规定：“库房内部，库房堆垛机运行端部墙体设置室内消火栓，消火栓间距不大于30 m，其他墙体仅在外墙的救援口旁设置室内消火栓。”

此条规范明确了在堆垛机通道中可以不设消火栓，在条文解释中亦说明了原因：“即使能将部分货架内的下部布置消火栓，也因整个货架没有耐火保护，加上火灾时烟雾、照明都不利于灭火人员使用，消防队员也不能深入仓库内部用消火栓灭火。”

考虑到预留通道的危险性，以及效果未经实践检验，本项目最终没有在货架下预留通道。

3.2 消火栓栓口压力应按0.7MPa控制

根据GB50974-2014第7.4.12.1条，栓口动压不应超过50m，超过70m时应减压。

本项目室内最大净高达23.74m，本单体底层消火栓栓口动压约为68m，据此计算，当着火点位于23.74m时，在栓口动压为68m的情况下，水枪倾角需要达到 63.6°，栓口流量 9.9L/s，充实水柱25.4m。此时，一支消火栓枪需要两名消防队员才能抱持。而如果将本项目的栓口压力减至50m以下，消火栓就无法扑救高处火灾。

这种丙类自动化高架库房中的可燃物密集，通道狭窄，消防队员进入后的危险性远远超过普通民用建筑和丙类厂房，而且库房内并无有爆炸危险的物品，作为自动化的库房亦无人员需要拯救。

当消防队员到达时，如果火灾没有被喷淋系统扑灭，已发生轰燃，消防队员再进入火场灭火已无必要；

如果火灾没有控制住，但还没发生轰燃，消防队员贸然进入也是一件非常危险的事情，笔者认为火灾未得到控制时，消防队员不应该贸然进入此类高危险性库房；

如果火灾已被喷淋系统扑灭，仅余零星余火。此时消防队员可以从容寻找消火栓扑灭余火。消火栓栓口保留较高水压，以用来扑灭高处余火是有必要的。

因此本项目最终未对室内消火栓减压。

市场上目前有一种消火栓名叫多功能消防水枪，根据产品介绍，此消防水枪能够削减部分后坐力，在水压较高时，仍能供单人使用。但此产品并未在规范和图集中出现，内部结构和削减后坐力的原理不明。因此本项目仅要求在消火栓箱处额外配置备用。

3.3 高架库房不应设置消防水炮

SH/T3186-2017第10.1.5条：“在库房堆垛机运行终端，正对货架通道位置宜设置智能消防水炮系统。”笔者猜测条文目的是利用智能消防水炮代替室内消火栓保护通道位置。

但货架通道长度动辄60m以上，水炮的射程并不能覆盖。即使通道两头均设置，通道内一处也只有一支水柱能保护到。由于水柱不能拐弯，智能水炮也不能保护到火灾危险性最大的货架。

如果将灭火效果不如喷淋的水炮设于屋顶，又与屋顶喷淋属于重复设置。

而水炮设于屋顶时，其保护范围中也存在大量死角，如果要消除死角，就需要将水炮布置到货架下层。但在通道内布置水炮会影响自动堆垛机运行，并不能为业主和高架库设备厂家接受。

水炮布置到货架下层时，需考虑水炮后坐力对货架的影响，要增加抵抗后坐力的设计，会增加较多成本。

同时，本项目货架内货物的重量不大，智能水炮的水柱近距离冲击力大，在灭火时，有可能将着火的货物冲击至其他尚未燃烧的货架，引燃其他货物。

因此笔者认为智能消防水炮并不适合在自动化高架库房内使用。

4 自动喷水灭火系统的水量计算

本项目的火灾危险等级为仓库危险级II级，仓库内采用钢制货架和木制托盘存储纸质印刷品。货架层数为10层，货架每层间距为2.175m。最大储物高度为21.6m。

仓库内的最大净空高度和最大储物高度均超过了GB50084-2017第5.0.5条的规定。查阅喷规第5.0.8条的条文解释：“规范不推荐采用顶板下布置ESFR喷头+货架内置喷头的布置方式。当最大净空高度或最大储物高度超过表5.0.5 的规定时，应按照本规范第 5.0.4条和本条的规定布置。”

因此，采用货架方式储物的仓库危险I至III级高大净空仓库，在最大净空高度或最大储物高度超过表5.0.5规定时，应在顶部和货架内均采用标准覆盖面积洒水喷头。

4.1 屋顶的水量计算

根据规范，本项目屋顶喷淋系统的喷水强度为20L/min·m，作用面积为200m。

某些类似项目在设计时，屋顶的喷淋系统设计流量是如此计算的：Q=1.3×20×200÷60=87 L/s，系统采用 K=115标准覆盖面积喷头，最不利点工作压力定为0.10 MPa。

笔者认为这个计算结果仅是理论数据，而实际的喷淋系统设计流量与最不利点工作压力和洒水喷头布置间距息息相关，设计时还应根据实际的喷淋布置复核。

当喷头流量系数为115，且最不利点工作压力为0.10MPa时，为了满足最不利点的喷水强度不小于20L/min·m，根据GB50084-2017第7.1.2条的条文解释中提供的计算方式，末端四个喷头以正方形布置时，四喷头围合面积不能大于 5.75m²，正方形边长不能大于 2.4 m，但实际布置时很难以保证以2.4m间距来布置喷头。

此类仓库的屋顶通常为钢结构坡屋顶，其中屋脊处应设置一排喷头。屋顶钢梁高度较高，参照GB50084-2017第7.2.1条可知，作为障碍物的钢梁同样会影响喷头布置。这种情况下，很难保证喷头间距控制在2.4m以内。当喷头间距大于 2.4m 时，0.10MPa 的工作压力是不能够保证喷水强度的。

从成本角度考虑，喷头布置间距越小，使用的喷头和管道就越多，系统造价就越高。而通过提高最不利点工作压力来满足喷水强度的话，则可以加大喷头间距，降低喷头管道用量。此时水泵设计扬程提高不多，对系统造价的影响也比较小。因此提高最不利点工作压力，加大喷头布置间距是比较经济的。

本项目的屋顶喷头采用K=115喷头，布置见图3。在这样的布置方式下，计算出的喷淋系统设计流量为91 L/s，大于上述理论计算值。

图3 屋面洒水喷头最不利区域的布置

在图3中，值得注意的一点是：最不利点工作压力为0.1MPa时，虽然按最不利处四喷头围合面积计算出的喷水强度是大于20L/min·m的，但此时作用面积内上游虚线方形框内，围合面积较大的四个喷头的喷水强度却小于20L/min·m。

为保证本项目每一处的喷水强度都满足规范要求，经计算，将最不利点处的最小工作压力定为0.16 MPa。

4.2 货架内水量计算

货架内喷淋计算较为简单，根据规范，按最高两层各开放7个喷头计算。规范给了K=80，P=0.2 MPa和K=115，P=0.1 MPa两种参数选择。本项目由于屋顶最不利喷头处压力为0.16 MPa，屋顶喷头与最高层货架内喷头高差大于4 m，加上业主有节约成本的需求，因此采用了 K=80，P=0.2 MPa 的参数。货架内喷淋设计水量乘以1.3系数，最后计算结果为35 L/s。

根据货架设备厂商提供的资料，每层货架并无实心隔板，只有三根平行方钢架，方钢架上是木制通透托盘，托盘上才是货物。自动堆垛机存取货物时，货物连同其下的木制托盘一起被放入或取走。

据高架库设备厂家介绍，目前的自动化库房内的货架大部分都是这种结构。货架中并不存在密闭货板，而当货物与托盘被取走时，货架内喷头上方更是毫无遮盖，不能满足规范要求。

因此笔者与厂家协商，在货架喷头上方的方钢架下边缘增加一块薄钢板，钢板厚度参照挡水板厚度定为1mm，见图4。此薄钢板并无承重作用，仅作为货架实心层板，阻挡上方水流对下方喷头的影响，防止下方火焰快速上窜至上层货架，同时起到积聚烟气，促使喷头动作的作用。

图4 货架内喷淋布置剖面图

4.3 钢平台下水量计算

如图1所示，仓库右侧有一钢平台，钢平台标高为4.70m，平台下为自动化设备和货物传送带，并非储物区，自动化设备和货物总高度为3.15m。钢平台下与货架区之间并无分隔墙，与仓库为同一空间。

考虑到这是仓库建筑，而传送带与其上货物类似于堆垛，笔者将其定为堆垛性质的仓库危险级II级。经查喷规表5.0.4-2 可知，其喷水强度为 8L/min.m，作用面积160m²。

由于钢平台下总面积只有90m²，因此作用面积最终确定为90m²。笔者认为钢平台下喷淋的持续喷水时间应与屋顶喷淋和货架内喷淋保持一致，也定为2小时，最不利点处最小工作压力0.05 MPa，喷头流量系数K=80。经理论计算和实际布置后的复核计算，最终钢平台下喷淋设计流量为22 L/s。

此处设计遇到的难题是钢平台下喷淋设计流量是否需要与屋顶喷淋和货架内喷淋设计流量叠加。

根据 GB50974-2014 第 3.6.1 条：“一起火灾灭火用水量应按需要同时作用的室内外消防给水用水量之和计算。”也就是说，是否需要叠加，应考虑钢平台下喷淋与其他部位喷淋是否会同时作用。

常规设计中，某些障碍物下增设的喷头的用水量并不会与顶板下喷淋用水量叠加，比如宽度大于1.2m的风管下增设的喷头。

但笔者经思考后最终决定叠加水量，理由是钢平台下区域宽度大，面积又只有规范要求的作用面积的56%。同时此区域与货架紧邻，无防火分隔，此区域一旦发生火灾，很容易蔓延至货架区。此区域和屋顶的喷淋用水量同时发生的可能并不低。

最终本项目喷淋系统总用水量为91+35+22=148 L/s。

5 项目设计中的疑问和思考

本项目的消火栓布置和钢平台下的喷淋布置的规范依据均不充分。

高架仓库的消火栓布置一直是个难题，在货架底层去掉一个货位形成消防通道是否可行尚未可知。而如果不设这个通道，那消火栓布置必然无法满足规范。这个两难情况一直困扰着设计人员。

由于自动化高架库房内平时无人，自动堆垛机通道内只有设备检修时才可能有人。笔者认为，这种自动化库房应该削弱室内消火栓的作用，货架区内部应该允许室内消火栓保护空白的存在，同时加强喷淋设计要求，以自动灭火设施为主。

自动高架库房内自动传送带和设备较多，有的库房为了充分利用空间，会将设备区分为上下两层，下层同样需设喷淋保护。但设备区的火灾危险性应如何定性，如何确定设计参数，水量是否应该与屋顶喷淋叠加，在规范上找不到明确依据。

出于运营成本的考虑，部分建设方比较倾向于建设此类高架库房。但此类仓库货架密布，巷道间距较小，整个防火分区中可燃物品的密度极高，火灾时，火焰的水平和竖直蔓延速度都很快。

由于缺少自动化高架库房的规范，建筑专业设计此类库房时，参照的都是建筑设计防火规范，因此此类库房净高和规模都很大。

对于此类火灾危险性远大于普通仓库的高架库房，相关的土建和机电的消防要求是否应比普通仓库更严格？

我国目前关于高架库房的全尺寸火灾试验数据较少，现有的消防能力相对于此种规模的高架库房来说也偏弱。

虽然SH/T3186-2017可作为参考，但毕竟不是通用规范，因此希望能有通用的自动化高架库房规范。笔者也建议在相关规范中对此类高架仓库的净高和规模做出限制，避免此类仓库建筑的净高和规模过大。