超高层建筑消防给水系统浅谈

李 韵

中国建筑上海设计研究院有限公司 上海 200062

1 引言

随着城市规模的不断扩大，经济的迅速发展，超高层建筑已从最初的凤毛菱角逐渐普及开来。《民用建筑设计统一标准》（GB50352-2019）3.1.2条中第3条规定建筑高度大于100m的民用建筑为超高层建筑[1]。超高层建筑存在楼层数多，具有多种用途，内部电气设备多，较容易造成火灾。其火灾特点：火灾负荷大，人员疏散困难，火灾救援难度大，火灾蔓延迅速，因此超高层建筑的消防系统显得尤为重要。

2 超高层建筑与一般高层建筑消防给水系统的比较

就消防的基本措施而言，超高层建筑与普通建筑均需设置消火栓和自喷系统，但具体的消防给水系统还要视建筑性质（如建筑高度、是否有大空间等）和建筑类型（如建筑具体的功能）而定。总体来说，消防给水系统的主要区别如下：

普通高层建筑通常因高度不是很高，为达到消防给水分区的要求，因此采用一泵到顶的消防给水形式；超高层建筑因高度较高，消防给水系统通常需要分区，常采用垂直串联消防给水的形式。根据《民用建筑水灭火系统设计规程》（DGJ08-94-2007）6.1.8条规定：当建筑高度大于120m时，消防给水竖向分区宜采用多台消防泵直接串联或设中间水箱转输的串联消防泵给水系统[2]。

普通高层建筑因其高度在消防车供水能力范围内，因此可以通过消防车接水泵接合器供水灭火，而超高层建筑高度超过100m，一般举高消防车云梯升高为50m，个别可达80m，因此高区消防系统已超过消防车供水能力范围，根据《消防给水及消火栓系统技术规范》（GB50974-2014）（后文简称消水规）中5.4.6条规定，超高层建筑在消防车供水能力（高度）范围内的区域，应在室外对各分区分别设置水泵接合器，超过消防车供水能力（高度）范围的区域，应在设置将吸水和加压接口设置于方便操作的地方，如避难层或设备层，该吸水和加压接口用以共给抬泵或移动泵接力供水。

3 超高层建筑消防分区供水形式与控制原理

超限高层建筑的分区应根据系统压力、建筑用途功能和特征、水源条件、重要性、技术经济性和安全可靠性等综合因素确定[4]。根据现行消水规6.2.1条的规定，消防给水系统当满足以下任意一个条件时需要分区供水，即当系统工作压力大于2.40MPa、消火栓栓口处静压大于1.0MPa、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[5]。超高层建筑消防分区供水形式大体可分为三种：并联加压供水方式、串联加压供水方式、以及高位水池重力供水方式。

3.1 并联加压供水方式

并联加压供水方式又称一泵到顶供水方式，该供水方式是在地下室设置消防水池与分区消防水泵，各分区消防水泵的供水压力满足该区楼层的供水要求；通过减压阀来实现对于消防系统的分区，各区在屋面层及中间设备层分别设置高位消防水箱及稳压泵。该系统设计计算较易，控制系统较简单，但占地面积大，水泵台数较多，加大了设备维修和管理的工作量，高区水泵工作压力高，用电负荷较大，投资也较大[6]。因此，该系统适用于建筑高度小于120m的建筑。

3.2 串联加压供水方式

串联加压供水方式又可分为水泵直接串联系统和消防水泵、转输水箱串联系统。该系统在地下室设置消防水池与转输泵，中间楼层（设备层）设置转输水箱与消防泵。串联加压供水方式经济性较高，安全可靠性相对较差，适用于建筑高度120m～200m高度的建筑。

3.2.1 水泵直接串联系统

对于多台消防泵直接串联的供水系统，该系统地下部分设置有低区消防给水泵和消防水池，低区消防给水泵从消防水池吸水，同时低区消防给水泵可以兼做高区的转输泵；系统中间避难层或设备层内设置有低区稳压水箱及稳压消防设备以及高区消防给水泵，高区消防给水泵从低区消防给水泵上接力供水；系统屋顶设置高区消防水箱及稳压消防设备。消防水泵直接串联的消防给水系统控制的原理是：流量开关或压力开关信号，转输泵由下至上依次启动，供水泵后启动。该系统的优点是可以减小设备层占地面积，缺点是低区设备、阀门及管道在某些特殊情况下可能遭到损坏，如高区消防泵后设置有止回阀，当该止回阀出现问题时，高区的压力会传导至低区消防系统，从而造成损坏。同时该系统水泵的联动控制要求高，水压不稳定，初期水量较小或者测试时容易超压。

采用该系统的建筑消防泵、转输泵宜按系统分开设置，所有消防泵、转输泵需要同时供电，应单独配置消火栓系统、喷淋系统等的消防给水泵，不应合用，上下级消防泵应自上而下联锁启动，即转输泵先启动，再联锁启动上部供水泵，两个泵启动的时间间隔不应大于20s；该系统联动控制调试较困难，串联级数不宜超过2级，否则很难调试成功，建议仅用于120m～200m高度的建筑。

3.2.2 消防水泵、转输水箱串联系统

设中间水箱的串联消防泵给水系统。在地下部分设置消防水池、低区消防泵、高区转输泵，在中间的避难层内设置转输水箱、高区消防泵，屋顶设置屋顶消防水箱及稳压消防设备[7]。

对于消防水泵、转输水箱串联系统，消水规中有如下规定：

采用消防转输泵串联分区供水时，宜采用消防水泵转输水箱串联供水方式，并应复核下列规定：1、当采用消防转输泵串联分区供水时，转输水箱的有效储水容积不应小于60m³，转输水箱可座位高位消防水箱。2、串联转输水箱的溢流管宜连接到消防水池。3、当采用消防水泵直接串联时，应采取确保供水可靠性的措施，且消防水泵从低区到高区应能依次顺序启动[5]。

该系统各区消防用水依靠转输泵转输到分区转输水箱，转输泵一旦开启需要手动关闭。一般转输泵按消防系统分开设置。分区内各类消防系统所需流量、压力由分区消防泵供水。转输泵需要同时供电，消防泵至少需要相邻两区同时供电；有消防信号时，消防泵先开，转输泵由上至下逐级开启；消防控制柜或控制盘应设专用线路直接启动消防泵、转输泵。相较于水泵直接串联的消防给水方式而言，因为设置中间转输水箱，当高区消防水泵后设置的止回阀出现问题时，高区的消防压力会在转输水箱处被消纳，不会传至低区，进而对低区设备、阀门及管道造成损害，但该系统在设备层设置了中间转输水箱，因此占地面积相对较大。现实应用中由于水泵直接串联系统引起的超压问题，很难精准掌控，水泵串联级数不宜超过2级，因此，提倡使用转输水箱转输再由水泵提升的间接串联给水方式。

高区转输泵有两种信号源的联锁方式，一种是高区消防泵直接联锁高区转输泵，该种方式在平时消防检测或消防水量较低的情况下，高区转输泵均可联锁启动，系统具有较好的运行连贯性。不过当转输水量大于实际消防末端出水量的情况发生时（如消防水量较小或定期消防检查时），转输水箱会出现大量消防水溢流出水箱，而此时如果溢流管设计没有预留充足的的尺寸时，转输泵房中设备运行的安全性将收到影响。

第二种方式中低区转输泵的启动不由高区消防供水泵联动，低区转输泵的启动是由转输水箱的水位变化发出的信号而联锁启动。此方式当高区存在较小的消防水量或者平时消防检测时将不再有消防水溢出，可弥补第一种方式的缺点，但出于对转输泵房水泵安全运行的考虑（无论水箱补水采取生活给水补水或是高区转输泵补水方式），仍需要考虑预留大尺寸的溢流管，以满足溢流管溢流能力大于消防转输水量的要求。

在平时消防检测时，高区转输泵反应时间较长。因转输泵功率均较大，因此为避免水泵启动时对用电负荷产生较大冲击，电气控制均采用软启动模式，单次启动时间约1、2分钟，高区消防水量较小时会导致转输泵频繁启停，对水泵电机造成损害，因此采用这种联锁方式需要控制转输泵启停的水位间留有足够的调蓄容积。需要注意的是，如果转输水箱的补水管从水泵的转输管上直接接出使用时，运行时会造成转输水泵的自动停泵，因此转输水箱的自动补水管应单独设置。

3.3 高位水池重力供水方式

超高层建筑在城市建设中的扮演着重要的角色，考虑到目前我国消防车供水高度的局限性，许多超高层建筑通常采用高位水池重力供水系统，这种系统立足于火灾时自救，相较于之前两种临时高压给水系统而言更加安全可靠。高位水池重力供水系统在火灾时，地下消防水池与高位消防水池双向供水，无论是否发生火灾，该系统均可以保证消防系统处于工作压力的状态，因此更加安全、可靠。

最高处设置的是满足一次全部消防用水量的消防水池，而消防水泵转输水箱串联系统最高处只是按照消水规设置的满足初期火灾消防水量的高位消防水箱，而这两个系统都含有地下消防水池、转输泵、转输水箱，同时，由这两个系统也可以看出，高位水池重力供水系统，除最高区采用高区消防水泵供水的临时高压系统，下面的分区都是由消防水池、消防水池与减压阀联合作用，或消防水池、减压阀与减压水箱联合供水的常高压系统，而消防水泵转输水箱串联系统整个系统都是通过消防泵供水的临时高压系统，由此可以看出，高位重力消防水池系统更为安全可靠，但该系统也有一定的缺点，水泵及阀门的联锁控制较复杂，需要占用较大的设备层面积，高位消防水池不同于高位消防水箱，其有效容积储存一次全部消防用水量，因此相应的结构荷载较大，系统投资高。

在一定意义上来讲，高位消防水池重力供水时消防水泵、转输水箱串联系统的一个加强模式。根据转输水箱与减压水箱是否分别设置，又可以分为转输与减压水箱合用系统，转输与减压水箱分开系统。减压、转输水箱分用的高位水池重力供水系统。它单独设置了减压水箱，导致机房面积的增加，但是其更为清晰明了的控制逻辑，是很多项目采用该方式的重要原因。

4 高低区临界楼层消防供水问题

超高层建筑又细分为高度超过250m的超高层建筑以及250m以下的超高层建筑。超高层建筑高度超过250m的超高层建筑，建筑高低区临界楼层与其他楼层之间的消防供水并不存在差异，因为规范规定，当超高层建筑高度超过250m时必须采用地下消防水池与高位消防水池联合供水的双向供水方式，这种方式可以保证火灾发生时，地下消防水池、高位消防水池与转输泵等联合供水可满足建筑任意部位的消防用水量。

对于250m以下的超高层建筑而言，须考虑高、低区临界层发生火灾时，高、低区消火栓加压泵、自喷加压泵、消防转输泵等同时投入灭火的可能性，消防电力负荷及备用电源的设计也须与之相对应[8]。

对于消火栓系统而言，常规设计思路只考虑一处发生火灾的可能性，因此当低区正常楼层发生火灾时，启动低区消火栓加压泵（由低区对应的高位消防水箱出水管上消火栓的流量开关或低区消火栓加压泵上压力开关联锁启动），当高区正常楼层发生火灾时，启动高区消火栓加压泵（联锁启动信号来自高区的高位消防水箱出水管上消火栓对应的流量开关，或高区消火栓加压泵上的压力开关），以及高区的消火栓转输泵。但临界楼层发生火灾时可能存在跨区借用消火栓的可能，当这种情况发生时，会出现高、低区消火栓加压泵以及高区消火栓转输泵（串联系统）或高、低区消火栓加压泵（并联系统）同时工作的工况，进而造成电力负荷过大，严重时会引起总开关跳闸，影响整栋大楼的消防救援工作。

对于自喷系统的常规设计同样是按照一处发生火灾的可能考虑，并不考虑上下层同时开启喷淋的情况，常规工况下，当低区正常楼层发生火灾时，启动低区自喷加压泵（联锁启动信号来自低区的高位消防水箱出水管上自喷对应的流量开关，火灾发生时楼层的水流指示器信号，所对应的湿式报警阀处的压力开关或低区自喷加压泵上的压力开关），当高区正常楼层发生火灾时，启动高区消火栓加压泵（联锁启动信号来自高区的高位消防水箱出水管上自喷对应的流量开关，火灾发生时楼层的水流指示器信号，所对应的湿式报警阀处的压力开关或高区自喷加压泵上的压力开关），以及高区的自喷转输泵。但当低区最不利楼层发生火灾时，由于喷头未全部投入灭火、窗口可燃物的存在等因素，容易造成上下层“串火”的问题，从而导致高区最低楼层发生火灾，此时高、低区自喷加压泵以及高区自喷转输泵（串联系统）或高、低区自喷加压泵（并联系统）将同时工作，同样造成电力负荷过大。

需要注意的是，在不设置转输水箱的串联供水系统中，当高区消火栓加压泵从低区加压管网直接吸水，而不单独设置转输泵时，将不存在临界楼层消防的潜在风险。

对于临界楼层消防给水的问题，可以通过增加消火栓及自喷系统的电力负荷供应来解决，还可以根据项目的具体情况，在临界楼层设置电动阀控制系统、增设消防环管的方式来加以解决[8]。

5 结语

超高层建筑发生火灾时将面临蔓延快、疏散难、供水难、登高难等问题，工程之处做好消防给水系统的设计，可确保后期无因设计缺陷导致的消防事故的发生。设计单位需要根据实际工程了解消防给排水设计的相关内容及要求，结合常见问题，合理选取消防给水系统，切实提升超高层建筑消防给水设计的安全性和高效性，为人民生命财产安全提供可靠保障。