摘 要：本文綜合運用消防工程專業(yè)知識和現(xiàn)行消防技術(shù)標準，對具體建設工程自動噴水滅火系統(tǒng)消防設計進行審核分析，依照《高層民用建筑設計防火規(guī)范》、《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》、《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》等現(xiàn)行國家有關規(guī)范，對建筑的濕式自動噴水滅火系統(tǒng)的設計進行消防審核，并通過水力計算，對自動噴水滅火系統(tǒng)消防水泵揚程和流量選擇、消防穩(wěn)壓泵、氣壓罐進行了復核。針對水系統(tǒng)中最不利點噴頭工作壓力確定等問題進行分析討論，并深入分析討論了水力計算過程中公式的選擇以及方法選擇問題。

　　關鍵詞：自動噴水滅火系統(tǒng),水力計算

　　1 引言

　　1.1 地下建筑的現(xiàn)狀

　　在城市中，地下建筑是十分普遍的，隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，地下建筑不僅在數(shù)量上，而且在規(guī)模上越來越大，建筑也越來越復雜。近年來此類場所發(fā)生多起特別重大火災，尤其是高層地下建筑的安全越來越被人們重視，其中，消防安全也是十分重要的一部分。

　　1.2 地下建筑火災危險性

　　高層地下建筑建筑結(jié)構(gòu)功能復雜，建筑面積大、高度高、人員多且密集，功能復雜，設備繁多，用電量大，容易發(fā)生火災，豎向管道井多，而且撲救難度高。地下建筑內(nèi)雜物較多，可燃物較多，地下建筑中的餐飲、員工食堂等發(fā)生火災的可能性也較大。一旦發(fā)生火災，很容易造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

　　1.2.1 可燃燒物多，火災荷載大

　　地下建筑內(nèi)大量的裝飾、裝修材料和家具陳設都采用木材塑料等可燃燒材料，增加了建筑內(nèi)部的火災荷載。一旦發(fā)生火災，大量的可燃物將導致猛烈的燃燒，并且產(chǎn)生有毒氣體。建筑內(nèi)的墻、柱和樓板會因燃燒垮塌，造成更大的人員傷亡和火災損失。

　　1.2.2 火災溫度高、火勢蔓延速度快

　　地下建筑發(fā)生火災時，與地面建筑情況完全不同。火災時地面建筑約有70%的煙、熱是通過門窗排出，地下建筑只能通過地面連接的出入口排煙散熱，熱煙氣極易聚集和蔓延。

　　首先，地下建筑自然通風性差，火災時供氣不足，大量的物質(zhì)在燃燒情況下得不到充足的空氣，使燃燒速度與燃燒的充分性受到影響，陰燃時間較長，因而產(chǎn)生濃重的煙霧和大量的有毒氣體。其次，地下建筑的孔口面積小，排煙散熱性能差，因此發(fā)生火災時熱煙積聚不散，散熱緩慢，內(nèi)部溫度上升快，瞬間可達到800~900 ℃，甚至高達千度以上，人員吸入熱煙氣后會嚴重灼傷氣管，導致呼吸衰竭而亡[1]。再次，火災時地下建筑易較早出現(xiàn)“轟燃”現(xiàn)象，商場轟燃后空氣大量消耗，而外界補給困難，CO、CO2等有害氣體濃度迅速增加，易使人窒息而亡。

　　1.2.3 人員密集，疏散困難

　　高層地下建筑層數(shù)多，垂直距離長，不利于人員在短時間內(nèi)疏散到地面，發(fā)生火災時由于各種豎井拔氣力大，火勢和煙霧向上蔓延快，增加了疏散的難度，并且地下建筑內(nèi)人員密集，云梯車實施高層救人也會受到風向風速的影響，云梯車救援容量較小，無法作為火災中主要的疏散方式，所以安全疏散主要是依靠樓梯，而樓梯間一旦竄入煙氣，就會嚴重影響人員疏散;另外由于火災現(xiàn)場混亂，人的本能恐懼心理和逃生欲望會使得人們涌向安全通道，甚至出現(xiàn)人員跳樓的事件。大量的人流在樓梯間匯集后，極易發(fā)生擁擠堵塞，容易在疏散過程中發(fā)生混亂，從而影響安全疏散。

　　1.2.4 火災撲救難度大

　　地下建筑建筑處于封閉狀態(tài)，可供顧客占用的面積比地上建筑小，人員密度高于地上商場，發(fā)生緊急情況后人員疏散困難。

　　第一，地下建筑發(fā)生火災后，空氣流通不暢，供氣不足，并且地下空間出入口較少，使受困人員很難在短時間內(nèi)逃離火災現(xiàn)場。第二，地下建筑內(nèi)一般無自然采光，平時正常電源照明就比地面建筑的自然采光效果差。火災時電器照明線路的損壞，地下建筑中一片漆黑，必然出現(xiàn)慌亂的局面，顧客爭相逃命，難免有擁擠、踩踏等意外事故的發(fā)生。第三，地下建筑發(fā)生火災時，人員逃生方向與煙氣擴散方向相同，并且煙氣水平擴散速度能達到2 m/s，比人員步行速度要快，這也加大了人員緊急疏散的難度[2]。

　　地下建筑通風條件差，受火災情況下濃煙、毒氣、熱輻射等因素的影響，能見度低，消防人員的視線、呼吸和體力都受到極大限制，而高溫條件下的一些特種裝備會失去其應有的效能，導致?lián)尵缺焕藛T很困難。部分地下建筑內(nèi)道路曲折、狹窄，有些疏散通道上堆放有物品，不易鋪設水帶和調(diào)運消防器材，滅火行動不易全面迅速開展。再者，受地下建筑屏障效應的影響，無線通訊器材失去作用，指揮人員不能及時掌握地下情況，給正確、及時指揮帶來不便。

　　綜上所述，地下建筑火災嚴重危害人民的生命安全，并易造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，消防部門必須做好地下建筑防火設計，切實保證地下建筑的消防安全工作。

　　1.3 自動噴水滅火系統(tǒng)在火災中的作用

　　自動噴水滅火系統(tǒng)遇有火災時可自動啟動并噴水滅火，使火災在初期就能夠及時得以控制，從而最大限度的減少了火災損失。自動噴水滅火系統(tǒng)對環(huán)境無污染，滅火效率高，所以廣泛應用于民用建筑中，特別適用于人員密集、不易疏散、外部滅火和救生比較困難的高層地下建筑。

　　1.4 對自動噴水滅火系統(tǒng)監(jiān)督檢查的必要性

　　自動噴水滅火系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試驗收和日常的檢查維護是一套整體的過程，每一步都以確保系統(tǒng)正常運行為目的，監(jiān)督檢查更是在設施投入使用之后保證系統(tǒng)可靠性的主要方式，也是必不可少的基本措施[3]。

　　1.4 研究方法及內(nèi)容

　　1.4.1 研究方法

　　明確地下建筑火災特點、消防設計思路及內(nèi)容，收集地下建筑圖紙，參照相關設計規(guī)范，審核圖紙，針對其存在的問題進行消防安全設計。

　　1.4.2 研究內(nèi)容

　　1、根據(jù)《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》和《高層民用建筑設計防火規(guī)范》，確定該地下建筑的危險級別，綜合考慮吊頂、貨架、附屬倉庫和擋煙垂壁等對噴淋頭設置的影響，計算并設計自動噴水滅火系統(tǒng);

　　2、結(jié)合計算結(jié)果分析，提出提高該類型地下建筑消防安全的具體措施，為該地下建筑出示審核意見。

　　1.5 工程概況

　　該建筑總規(guī)劃用地面積11.99萬m2，規(guī)劃總建筑面積約441278.75 m2，其中地上359778.75 m2，地下8.15萬m2。分兩期建設，其中一期地上26.77875萬m2，地下7.0萬m2;二期地上9.9萬m2，地下1.15萬m2。由購物中心、酒店、寫字樓、商務酒店、室外步行街、及底商等組成。根據(jù)《高層民用建筑設計防火規(guī)范》(以下簡稱《高規(guī)》)第3.0.1條和第3.0.4條，建筑高度超過50 m，為一類高層建筑，耐火等級一級。

　　該建筑地下一層分為大超市部分和車庫部分，地下超市商品超過萬余種，主要經(jīng)營包括煙、酒、副食、生活用品等。

　　2 濕式自動噴水滅火系統(tǒng)的設計審核

　　2.1 場所火災危險等級

　　根據(jù)《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》以下簡稱《自噴》)第5.0.1條，民用建筑的設計參數(shù)如表2.1：

　　表2.1 民用建筑和工業(yè)廠房的系統(tǒng)設計參數(shù)

　　火災危險等級凈空高度

　　m噴水強度

　　L/(min·m2)作用面積

　　m2

　　輕危險級

　　≤84

　　160

　　中危險級Ⅰ6

　　Ⅱ8

　　嚴重危險級Ⅰ12260

　　Ⅱ16

　　注：系統(tǒng)最不利點處噴頭的工作壓力不應低于0.05MPa

　　該地下室的地下建筑部分和車庫部分均屬于中危險Ⅱ級場所。濕式自動噴水滅火系統(tǒng)的設計噴水強度為8 L/(min·m2)。

　　該建筑地下超市部分和車庫部分的自動噴水滅火系統(tǒng)的噴頭為閉式玻璃球噴頭，有吊頂?shù)牟课徊捎貌捎孟麓剐蛧婎^，型號為ZSTX15 DN15;無吊頂?shù)牟课徊捎弥绷⑿蛧婎^，型號為ZSTZ15 DN15，噴頭流量系數(shù)K=80;噴頭動作溫度68℃(廚房93℃)。自動噴水系統(tǒng)管道采用內(nèi)外熱浸鍍鋅鋼管，地下室自動噴水滅火系統(tǒng)管道工作壓力為1MPa。

　　建筑同一配水支管上噴頭的最大間距為3.4m,相鄰配水支管的最大間距為3.4m，符合《自噴》第7.1.2條的規(guī)范要求。地下室最大凈空高度為5.8m，小于8m，符合《自噴》6.1.1條的規(guī)定。

　　2.2報警閥組確定

　　《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》第6.2.3條第1款規(guī)定，1個濕式報警閥組控制的噴頭數(shù)不宜超過800個。該建筑共有6個濕式報警閥組，見表2.2。

　　顯然，該建筑所有濕式報警閥組控制的噴頭數(shù)均未超過800個，符合規(guī)范要求。

　　2.3水流指示器

　　該地下室的每個防火分區(qū)都設有水流指示器，并且每個水流指示器都配有信號閥，符合《自噴》第6.3.1條和第6.3.3條的規(guī)定。

　　2.4末端試水裝置

　　該建筑地下一層共有35個防火分區(qū)，每個防火分區(qū)內(nèi)距相應立管最遠的噴頭都連接末端試水閥，末端試水裝置設有壓力表。以上符合《自噴》第6.5.1條的規(guī)定。

　　2.5水力計算

　　本建筑的危險等級為中危險Ⅱ級，故噴水強度為8 L/(min·m2)，作用面積為160m2。如圖所示，取最不利點作用面積162.34m2，共18個噴頭。

　　所選最不利點處作用面積為矩形，長邊為25.2m，短邊為6.8m;長邊平行于配水支管，1.2× =15.29m<25.2m。符合《自噴》第9.1.2條的規(guī)定。

　　水力計算：

　　最不利噴頭的保護面積：162.34÷18=9.02m2

　　最不利點處噴頭流量：

　　q1=D·AS (2.1)

　　=8×9.02

　　=72.16(L/min)

　　式中D是噴水強度，L/min·m2;AS是最不利點噴頭保護面積，m2。

　　最不利點噴頭工作壓力：

　　(2.2)

　　=(72.16/80)2/10

　　=0.081(MPa)

　　式中K是噴頭流量系數(shù);q是噴頭流量L/min;P是噴頭工作壓力MPa。

　　計算得最不利點噴頭工作壓力大于規(guī)范規(guī)定0.05 MPa的要求，因此P1按0.081MPa進行計算。

　　按下式進行作用面積內(nèi)噴頭流量的計算：

　　(2.3)

　　式中q是噴頭流量，m3/s;K是噴頭的流量系數(shù);P為噴頭處的水壓，MPa。

　　通過管道的計算內(nèi)徑和流量，按(2.4)式計算管道的水力坡度。

　　(2.4)

　　式中i是管道的水力坡度，MPa/m;C為管道的材質(zhì)系數(shù)，本建筑為鍍鋅鋼管，取C=100;dj為管道的計算內(nèi)徑，m，取值應按管道的內(nèi)徑減1mm確定;qg為管道內(nèi)流量，m3/s。

　　管道的水頭損失分為沿程損失和局部損失兩部分，分別為水力坡度乘以實際管道長度和當量長度：

　　h=i (L+L0) (2.5)

　　式中h是管道的沿程損失或節(jié)點的局部損失，MPa;i是管道或節(jié)點的水力坡度，MPa/m;L為管道長度或當量長度，m;L0是管道局部損失的當量長度。

　　泵的總揚程按(2.6)式計算：

　　式中H是泵的總揚程，MPa; 是水頭損失，MPa;Z是最不利點處噴頭與消防水池的最低水位之間的高度水頭，MPa;P1為最不利點處噴頭工作壓力，MPa。

　　如圖所示：

　　取報警閥組0.04 MPa，水流指示器0.02 MPa，

　　求得泵揚程：

　　=0.04+0.02+0.4231+4.6×0.01+0.081

　　=0.6101(MPa)

　　流量QD=0.04628 m3/s =46.28(L/s)

　　對以上水力計算結(jié)果進行復核：

　　(1)地下室自噴給水系統(tǒng)為臨時高壓系統(tǒng)，地下室消防泵房內(nèi)設有自噴給水加壓泵Q=40L/S,H=60m,N=45KW，三臺，二用一備，向自噴給水系統(tǒng)供水。通過最不利處噴頭作用面積計算得出的水泵流量要求為46.28 L/s，揚程為0.6101 MPa，流量與揚程未達到標準，故水泵型號不符合規(guī)范要求。

　　(2)水泵接合器，按照系統(tǒng)水力計算的流量要求Q=46.28 L/s，每個水泵接合器按10~15 L/s計，應當設置至少4個水泵接合器，實際設計中為4個SQS100-A型水泵接合器與室內(nèi)自動噴水管網(wǎng)相連，符合規(guī)范要求。

　　(3)噴水強度復核：

　　最不利點附近4個噴頭，取噴頭1，2，18，16。其總作用面積為4.05 6.8=27.54(m2)，四個噴頭的總流量為：

　　=72+77.4+83.6+84.5

　　=317.5(L/min)

　　噴水強度D=317.5/27.54=11.52(L/min·m2)，大于規(guī)范要求8 L/min·m2，符合規(guī)范規(guī)定。

　　自動噴水滅火系統(tǒng)管道沿程水頭損失的計算國內(nèi)和國外采用的公式都不一樣，我國現(xiàn)行國家標準《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》采用原《建筑給排水設計規(guī)范》的公式，以下計算將采用我國規(guī)范規(guī)定的公式進行計算：

　　系統(tǒng)最不利點壓力的確定

　　由圖紙可得，最不利點噴頭的保護面積近似取：

　　m2

　　則所需噴頭數(shù)為：

　　， 取19個

　　實際保護面積為162.34 m2，則最不利保護面積內(nèi)噴頭平均保護面積為

　　m2<11.5 m2

　　則最不利點處噴頭流量

　　L·min-1

　　式中qu是設計噴水強度，L/min·m2;As是每個噴頭保護面積，m2。

　　由式(2.5)可知

　　(2.5)

　　式中q是噴頭流量，L×s-1;K是噴頭的流量系數(shù)，取80;P0是噴頭出水壓力，MPa。

　　故最不利點壓力為

　　MPa

　　該值大于《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》規(guī)定的系統(tǒng)最不利點噴頭處的最低壓力0.05 MPa，故取較大值，則 MPa。

　　(1)按式(2.6)[10]進行作用面積內(nèi)噴頭的節(jié)點流量計算：

　　(2.6)

　　如節(jié)點1： L×s-1。

　　管段水流速度和水力坡度計算:

　　(2.7)

　　式中v是管段流速，m×s-1;Q是管段流量，m3×s-1;dj是管徑，m。

　　式中i是管道單位長度的水頭損失，mH2O×m-1; v是管段流速，m×s-1。

　　dj為管道的計算內(nèi)徑，取值按管道內(nèi)徑減去1 mm確定。圖紙中給出的公稱口徑系近似內(nèi)徑的名義尺寸，不表示外徑減去兩個壁厚所得的內(nèi)徑。故 取值按《低壓流體輸送用焊接鋼管》[8]中表A.1規(guī)定取值。部分計算所需的計算管徑如表2.4：

　　管路計算長度，為管段長度與閥門和管件當量長度之和;如管段1~a：計算長度應為管段長度加DN25 90°彎頭和DN32×25異徑接頭當量長度(各管件當量長度見表4.4)，即L1~a=2.5+0.2+0.6=3.3 m。

　　(2)計算管段流量， 。如1~a管段 L×s-1。

　　(3)計算管道水力坡度，采用式(2.7)、(2.8)。如管段1~2

　　(5)按公式 計算節(jié)點水壓，如節(jié)點2的水壓：

　　H2=H1+hg1~2=5.9+1.712=7.612 mH2O

　　(6)按上述方法進行各管段水力計算，具有相同水力特性的高壓管段流量與低壓管段流量，按下式計算：

　　取報警閥組0.04 MPa，水流指示器0.02 MPa，

　　從c點到泵的水頭損失為高度水頭、管道沿程損失與最不利點處噴頭的工作壓力之和;

　　求得泵揚程： =0.6043+4.6×0.01+0.0738

　　=0.7241(MPa)

　　流量Q=51.27(L/s)

　　由以上水力計算結(jié)果進行復核：

　　(1)地下室自噴給水系統(tǒng)為臨時高壓系統(tǒng)，地下室消防泵房內(nèi)設有自噴給水加壓泵Q=40L/S,H=60m,N=45KW，三臺，二用一備，向自噴給水系統(tǒng)供水。通過最不利處噴頭作用面積計算得出的水泵流量要求為51.27 L/s，揚程為0.7241 MPa，流量與揚程未達到標準，故水泵型號不符合規(guī)范要求。

　　(2)水泵接合器，按照系統(tǒng)水力計算的流量要求Q=51.27L/s，每個水泵接合器按10~15 L/s計，應當設置至少4個水泵接合器，實際設計中為4個SQS100-A型水泵接合器與室內(nèi)自動噴水管網(wǎng)相連，符合規(guī)范要求。

　　(3)噴水強度復核：

　　最不利點附近4個噴頭，取噴頭1，2，18，16。其總作用面積為3.95 5.9=23.305(m2)，四個噴頭的總流量為

　　=56.57+60.02+100.65+106.3

　　=323.54(L/min)

　　噴水強度D=323.54/23.305=13.88(L/min·m2)，大于規(guī)范要求8 L/min·m2，符合規(guī)范規(guī)定。

　　(4)噴水強度校核

　　系統(tǒng)計算流量Q=21.95 L×s-1，系統(tǒng)作用面積為161.6 m2，則系統(tǒng)平均噴水強度q=21.95×60/161.6=8.1>8 L×min-1，符合中危險級Ⅱ級建筑防火要求。

　　2.6 穩(wěn)壓設施

　　2.6.1 自噴立式氣壓罐

　　氣壓罐最小設計工作壓力：

　　(2.9)

　　式中P0是氣壓罐最小設計工作壓力，MPa; 是水箱至最不利噴頭的水頭損失，MPa;Z是最不利點處噴頭與消防水箱的最低水位之間的高度水頭，MPa;P1為最不利點處噴頭工作壓力，MPa。

　　消防水泵工作壓力：

　　(2.10)

　　式中P2 是消防水泵啟動壓力，MPa;P0是氣壓罐最小設計工作壓力，MPa; 是壓縮空氣充裝比，在這里取0.7。

　　水箱立管連至圖2.2中q節(jié)點，q節(jié)點前的水頭損失由附錄A可知：

　　hq=0.779 MPa

　　p節(jié)點到水箱的水頭損失由式(2.2)計算得：

　　h0=0.0324 MPa

　　故水箱至最不利點噴頭的水頭損失：

　　h=0.779+0.0324

　　=0.8114(MPa)

　　水箱至最不利點噴頭的高度差為14.5 m即高差靜水壓為0.145 MPa。將以上數(shù)據(jù)代入式(2.9)計算穩(wěn)壓泵最小工作壓力：

　　(MPa)

　　代入式(2.10)計算消防水泵啟動壓力：

　　=0.8469/0.7=1.21(MPa)

　　穩(wěn)壓泵啟泵壓力Ps1=P2+0.02=1.21+0.02=1.23(MPa)。

　　穩(wěn)壓泵停泵壓力Ps2=Ps1+0.05=1.23+0.05=1.28(MPa)。

　　設計中給出穩(wěn)壓泵啟泵壓力為0.35 MPa，工作壓力0.4 MPa，停泵壓力為0.45 MPa。皆不符合水力計算得出的壓力要求。

　　自動噴水滅火系統(tǒng)的氣壓罐容積應按式(2.11)計算：

　　(2.11)

　　式中 是氣壓罐容積，L; 是壓縮空氣充裝比，這里取0.7; 是自動噴水滅火系統(tǒng)的消防儲水容積，L。

　　自動噴水滅火系統(tǒng)的消防儲水容積應滿足火災初期5個噴頭工作30 s的消防用水量要求，即

　　(L)

　　代入式(2.11)計算可得：

　　(L)

　　設計中調(diào)節(jié)容量為150 L，小于計算要求的495 L，不符合水力計算得出的要求。

　　2.6.2 消防穩(wěn)壓泵

　　當穩(wěn)壓泵用于自動噴水滅火系統(tǒng)時，其流量不應大于1 L/s。其揚程可按式(2.12)計算：

　　(2.12)

　　將上面得出的數(shù)據(jù)代入式(2.10)得到穩(wěn)壓泵的揚程：

　　(MPa)

　　設計中穩(wěn)壓泵的型號為25FL4-11X5，流量為4 m3/h=1.11 L/min，大于1 L/min。揚程為55 m，即0.55 MPa，小于1.255 MPa。

　　故設計中穩(wěn)壓泵的型號不符合水力計算得出的要求。

　　2.7 系統(tǒng)供配電

　　本工程一二期合并為一類高層建筑，消防設備供電等級為一級，符合GB50045-95(2005年版)《高層民用建筑防火設計規(guī)范》[5](以下簡稱《高規(guī)》)第9.1.1條的規(guī)定。

　　由A區(qū)地下室低壓干線系統(tǒng)圖可看出低壓開關柜引出線路連接的都是消防設備，無其他線路，消防用電設備皆有專用的供電回路，無其他支路。符合《高規(guī)》第9.1.3條規(guī)定。

　　建筑的消防噴淋泵有雙電源自動切換裝置，如圖2.3所示，這樣的設置符合《高規(guī)》第9.1.2條的規(guī)定。

　　消防控制室有雙電源自動切換裝置，符合《高規(guī)》第9.1.2條的規(guī)定。引線為電纜橋架敷設。符合《高規(guī)》第9.1.4條的規(guī)定。

　　參考文獻

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