TOD超高层办公楼水消防系统设计分析

摘要：TOD是新城市主义最具代表性的模式之一，其中超高层建筑已经成为TOD的重要组成部分，其往往具有体量庞大、用途广泛、功能复杂、设备繁多、人员密集、火灾危险性高等特点。一旦发生火灾，扑救困难，损失巨大，后果严重。因此，TOD模式下的超高层建筑要求配备比一般建筑更为安全可靠的消防水系统。本文以绍兴市某TOD超高层办公楼为案例，对整个设计过程中所总结的设计重点、技术难点和方案制定过程中具有代表性的问题进行全面深入分析比对，并对消防供水系统的选择、超压及减压措施及可靠性措施等设计要点进行了探讨，力求为今后超高层建筑的水消防系统建设积累经验。关键词：超高层办公建筑；消火栓系统；自动喷水灭火系统；减压TOD模式是指“以公共交通为导向的发展模式”项目。为通过土地使用和交通政策来协调城市发展过程中产生的交通拥堵和用地不足的矛盾，将商业、住宅、办公、酒店等设置在步行可达的公交、地铁、高铁范围内。本项目的TOD中超高层办公楼位于绍兴市绍兴北站以南，超高层办公楼总建筑面积10万m2，建筑高度1374m，形象高度14990m，共32层，也是本TOD项目中最高建筑物。本办公楼地下与TOD群中酒店、商业、高铁站换乘大厅、出租车上车区、地下车库等相连。因此，在TOD模式下的超高层办公楼比一般办公楼有更高的火灾危险性，一旦发生火灾，其影响大、范围广，势必会造成巨大损失。一、消防系统介绍和分析本超高层建筑共32层，共设置两个避难层，分别位于12层（建筑地面相对标高46.90m）和23层（建筑地面相对标高96.70m），消防系统包含室内外消火栓系统、自动喷水灭火系统、气体灭火系统和建筑灭火器配置。本文主要就消火栓系统和自动喷水灭火系统进行讨论。（一）消防水源超高层建筑消防系统是保证安全的关键，室内消防水源是消防安全的关键。本工程消防用水水源为市政给水管网，满足两路水源要求。市政给水管网供水最低压力为0.2MPa。消防水池位于地下一层，消防用水量见表1。消防用水全部储存于地下一层消防水池内，水池有效容积774m3。由于办公楼为TOD群中最高的建筑物，因此在办公楼屋面设置有效贮水容积为50m3的高位消防水箱，水箱间设稳压装置。消火栓、自动喷水系统共用高位水箱，稳压装置分设。消防水池、消防水箱最低报警水位设置在低于正常水位100mm处，以确保有效灭火水量，同时设置最高、最低、超低报警水位。（二）室内消火栓系统《消防给水及消火栓系统技术规范》[1]（GB50974-2014）第6.2.1条规定，下列情形的消防给水系统应进行分区给水：系统工作压力大于2.4Mpa；消火栓栓口处静压大于1.0MPa；自动水灭火系统报警阀处工作压力大于1.6MPa或喷头处工作压力大于1.2MPa。本工程辦公楼建筑高度为137.4m，对消火栓及喷淋系统都进行分区，超高层消火栓系统常用的分区方式有以下几种：水泵转输水箱串联供水；消防水泵并联分区给水方式；重力水箱+减压水箱供水。方式一为在地下消防泵房内设置一组消防主泵，将转输水泵与水箱安装在建筑中间避难层或者设备层，稳压水箱及水泵设置在屋顶。方式二是系统各分区均在地下消防泵房内设置独立的消防水泵为各区供水，该方式各分区消防供水相对独立，消防水泵集中设置，稳压泵及水箱设置在屋顶。方式三为常高压消防给水系统，此系统为在屋顶设置高位消防水池，火灾时由屋顶消防水池向建筑物内消防系统进行供水，高位消防水池容积满足一次火灾所需室内消防系统的总用水量。三种方式的优缺点见表2。余杰生[2]等研究表明，对于150m以下的超高层建筑，优先使用并联分区给水方式；介于150m-250m的超高层，建议采用水泵转输水箱串联分区给水方式；超过250m的建筑，应采用重力水箱+转输水箱供水方式。本工程消火栓系统采用临时高压并联分区供水方式，该超高层办公楼消火栓系统竖向分为一、二、三区；一区：-2层～12层，由地下一层泵房消火栓加压泵组及泵房内的减压阀组供水；二区：13层～23层，由地下一层泵房消火栓加压泵组及23层避难层的减压阀组供水。三区：24层～32层，由地下一层水泵房供水。此供水方式的优点为：系统简单，水泵集中设置在地下，便于维护及管理；节省土建造价；噪声污染小。一、二区各设置3个水泵接合器与地下一层的环状管道连接；由于消防车供水压力约100m，远达不到超高层扬程要求，因此三区设置3个水泵接合器接入环状输水管上，并预留供手抬泵吸水和加压的快速接口保证火灾时灭火系统可靠性，供水压力及分区。（三）自动喷水灭火系统本建筑除不能用水扑救的场所外，其余均设有自动喷水灭火装置。超高层办公楼共设12个湿式报警阀，各报警阀处的系统工作压力均不超过1.6MPa，负担喷头数不超过800只（不计吊顶内喷头），且喷淋管道的工作压力不大于1.2MPa[3]。本项目的喷淋泵扬程经计算选取了190m，将部分湿式报警阀组提升至12层、23层避难层满足了规范不超过1.60MPa的要求，在超压防火分区主干管上、遥控信号阀后水流指示器前设置减压孔板来保证配水管入口压力不超过0.4MPa。自动喷水灭火系统供水与消火栓系统供水形式相同，采用减压阀组分区供水方式，共用屋顶消防水箱与地下一层消防水池。供水系统采用临时高压系统，在地下消防泵房设置一组喷淋泵，竖向分2区：一区：-2层～12层，二区：13层～32层；喷淋水泵出水环管上接出两根喷淋管经减压阀组减压后供一区自喷系统用水，二区自喷系统用水直接由水泵出水环管上接出两根主立管分别接至12F及23F报警阀间。二、水消防系统设计重难点讨论（一）减压阀组设置目前比较常用的减压方式有减压阀减压、减压孔板、减压稳压消火栓等。减压孔板通过减小过流面积形成较大的局部水头损失，但只能用来减动压。减压阀可分为比例式减压阀和可调式减压阀两种，比例式减压阀构造简单、安装方便、不需要人工调节；可调式减压阀构造复杂、体积大、价格较高，但可调节压力[4]。比例式减压阀只能减动压，可调式减压阀可减静压。本工程消火栓及自喷系统均是分别由一组消防水泵供水，采用减压阀组进行并联分区。栓口动压超0.5MPa的消火栓采用减压稳压消火栓。自喷系统超压楼层在配水管入口设置减压孔板进行减压。此减压分区方式既保证减压系统的可靠性，又节省管道、减少阀门、增加系统稳定性[5]。消火栓或者自喷系统低区仅通过比例式减压阀减压达不到阀后的压力要求，仅设置可调式减压阀，经计算需要的数量较多，因此就需要组合设置。例如：消火栓系统低区减压阀组设置在消防泵房内，按照减压阀组前压力为P1=1.9MPa计算，低区最不利消火栓栓口与消防泵出水口高程差△H1为53.1m=0.531MPa，按照低区最不利消火栓栓口压力0.25MPa进行计算，减压阀组要减压P1-△H1-0.25=0.869MPa。按规范要求考虑使用比例式减压阀，该类减压阀减压比[6]一般为2∶1，3∶1，3∶2，首先选用3∶2的比例式减压阀，阀后压力为1.27MPa，未达到压力值要求，因此需要再串联一个先导式减压阀作为二级减压阀，二级阀后压力为1.0MPa，共减压0.9MPa，阀后压力1.0MPa。（二）水泵参数的选择消防水泵扬程计算公式如下：P=K2（∑Pf+∑Pp）+0.01H+P0其中：P为消防水泵或消防给水系统所需要的设计扬程或设计压力（MPa）；∑Pf+∑Pp为沿程水头损失与局部水头损失之和；K2为安全系数；P0为最不利点水灭火设施所需的设计压力（MPa），取0.35MPa。本项目基本采用了一泵到顶的设计方式，消火栓系统及喷淋系统的水泵扬程均为190m，《消防给水及消火栓系统技术规范》GB50974-2014第5.1.6节规定了水泵的选择在零流量时压力不应大于设计工作压力的140%。目前设计工作压力为190MPa，如果按零流量时1.4倍的压力选泵，那么压力为266MPa，超过了上述规范第6.2.1条系统工作压力不大于2.4MPa的规定，因此在泵组参数上需要注明要求水泵零流量时的压力不大于设计工作压力的1.3倍，即可满足规范要求。（三）加强可靠性的措施超高层建筑外部消防救援比较困难，其灭火设计立足于自救，自动喷水灭火系统是有效的灭火系统，最基本的是提高自喷系统内各组件的可靠性。提升可靠性的措施可分为两类：一是提高组件的可靠度或增加备用量。二是将组件的不安全影响控制在一定范围内，对风险进行控制[7]。在此基础上，本项目通过以下几方面来加强其可靠性。首先，本工程不仅报警阀间前端管道设置为环状，且连接报警阀组的管道也设置为环状，此方式可减少因某一报警阀组故障或检修而导致无法供水的概率；其次，本工程所有用于自喷系统的阀门均采用遥控信号阀或自身带锁具，且报警阀组后除水流指示器后的遥控信号阀外不再设置其余阀门，此方式可避免因阀门人为误关对系统产生的严重影响；再次，本工程设计中将所有末端试水装置集中位置设置，并接入专用排水斗内，便于集中管理与维护。最后，办公大堂属于2层挑高区域，其净空高度约9.4m，大堂的自喷喷头由立管上直接引出干管连接，并在挑高区域内单独设置水流指示器，喷头采用快速响应喷头。（四）水泵接合器与手抬泵的设置《消防给水及消火栓系统技术规范》（GB50974-2014）规定消防给水为竖向分区供水时，在消防车供水压力范围内的分区应分别设置水泵接合器；当建筑高度超过消防车供水高度时，消防给水应在设备层等方便操作的地点设置手抬泵或移动泵接力供水的吸水和加压接口。水泵结合器的作用是发生火灾时室内消防泵无法使用或室内消防水量不足的情况下，需要消防车向室内消防管网补充用水。喷规对水泵接合器的描述中要求超高区的压力不足时可通过设置接力水箱和接力泵来满足最不利点所需的压力和流量。我国普通消防车供水高度为80～120m，手抬泵的扬程通常在60m～80m[8]，对于150m以下的超高层建筑会设置两个及以上的避难层，一般在第一个或第二个避难层设置手抬泵接口即可；对于150m以上的超高层建筑，仅设置一级手抬泵进行接力无法将消防车内水送至最不利区域，而设置级数越多越要求其工作的统一性和可靠性越高，因此此类超高层可设置备用柴油泵作为接力泵，避免设置手抬泵接力次数太多的弊端。本工程总高度不超150m，设置方式相对简单，所有区水泵结合器接口均设置于首层室外，在第二避难层设置手抬泵接口，通过手抬泵二次加压将水送至高区消防系统。结语TOD模式下的建筑消防设计是工程设计的重中之重，对于消防系统的选型应综合经济、合理、可靠及可维护性等多方面因素来确定，不同建筑高度范围的超高层选择不同的供水方式；