近年来, 随着我国经济呈现持续发展态势, 各地纷纷加大了推进城市建设力度, 也越来越重视城市环境的建设和节能减排工作, 多层和高层建筑在城市中更是如雨后春笋, 星罗棋布。作为建筑工程消防设计和审核依据的《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计规范》, 在符合我国实际情况的先进技术成果的基础上, 已多次作了修改补充, 对建筑防火设计和审核起了很好的规范和指导作用。但现行《建筑设计防火规范》GB50016-2006和《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95 (2005年版) 对多层和高层建筑室内消火栓系统给水方式及相应的适用范围仍未作十分明确的表述, 在实际设计和审核工作中, 常常因设计和审核人员理解不同产生偏差。
1 建筑内部消防给水系统所需压力
在建筑工程消防设计审核中, 对建筑室内消火栓系统给水方式的设计进行审核时, 首先就必须清楚建筑内消火栓给水系统所需要的压力。建筑内部给水系统的压力, 就是必须能将需要的水量输送到建筑物内最不利点的室内消火栓处, 并保证有足够的流出水头。
建筑内部给水系统所需的水压, 可按下式计算:
式中:H为建筑内部给水系统所需的总水压, 自室外引入管起点轴线算起, kPa;
H1为最高最远配水点与室外引入管起点的标高差, (m) ;
H2为计算管路的水头损失 (k P a或mH2O) ;
H3为水流通过表的水头损失 (k P a或mH2O) ;
H4为计算管路最水利配水点的流出水头 (kPa或mH2O) 。
所谓流出水头是指各种用水设备, 为获得规定的出水量 (额定流量) 而必须的最小压力, 它是为供水时克服用水设备内的摩擦、冲击、流速变化等阻力所需的静水头。在室内消火栓给水系统审核中, 主要以室内消火栓水枪的充实水柱为审核依据。消火栓需要的充实水柱长度是指水枪射流后一定的充实水柱长度。确定充实水柱长度, 即要保证充实水柱能射到室内任何地点, 也要考虑不能太长, 否则因射流反作用力过大而使人们无法使用。但也不能过短, 否则着火点辐射热是人们不能使充实水柱射向着火部位。对室内消火栓水枪的充实水柱在《建筑设计防火规范》GB50016-2006第8.4.4条中有明确的规定:甲乙类厂房、层数不超过6层的公共建筑和层数超过4层的厂房的水枪的充实水柱不应小于10m, 高层厂房、高架仓库和体积大于25000m3的商店、体育馆、影剧院、会堂、展览建筑、车站、码头、机场建筑等, 不应小于13m;其他建筑不宜小于7m。在《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95 (2005年版) 第7.4.6.2条中也有明确的规定:建筑高度不超过100m的高层建筑不应小于10m;当建筑高度超过100米的高层建筑不应小于13m。同时在第7.4.7条中提到:当采用临时高压给水系统时, 高位水箱的设置高度应保证最不利点消火栓静水压力, 当建筑高度不超过100m时, 高层建筑最不利点消火栓的静水压力不应低于0.07MPa, 当建筑高度超过100m时, 高层建筑最不利点消火栓的静水压力不应低于0.15MPa。
根据平时审核和计算, 对于多层建筑 (高层建筑除外) 室内消火栓给水压力, 在未进行精确的计算之前, 为了选择给水方式, 可按建筑物的层数粗略估计自室外地面算起所需的最小保证压力值, 一般一层建筑物为0.1MPa;二层建筑物为0.12MPa;三层及三层以上的建筑物, 每增加一层增加0.04MPa。对于引入管或室内管道较长或层高超过3.5m时, 上述值应适当增加。
2 建筑内部消火栓给水系统的给水方式
建筑内部消防给水系统的给水方式即建筑内部的消防供水方案。合理的消防供水方案, 应根据建筑物的性质、高度、室外管网压力、流量和室内消防流量、水压等要求进行取舍组合。对照国家相关技术规范的相应条文和通常实际允许的设计条件, 按照室外给水管网可供室内消防所需水量和水压情况, 建筑室内消火栓给水系统类给水方式主要有以下几种。
2.1 直接给水方式, 即高压给水系统
室外市政给水管网的压力和流量完全能满足室内最不利点消火栓的设计水压和流量时, 采用此种方式。即建筑内部消防给水系统直接在室外管网压力作用下工作, 为最简单的给水方式。当选用这种方式, 且与室内生活 (或生产) 合用管网时, 进水管上若设有水表, 则所选水表应考虑通过消防水量能力。根据《建筑设计防火规范》的相关规定, 系统直接引进市政管网供给建筑物内的消火栓适用范围主要有:1) 建筑物不太高、体量不太大, 如单层厂房, 库房等;2) 城市有专供消防用压力较高的管网或建筑物在市政供水设施附近和较高压力范围内。
在一般民用建筑 (低层建筑) 中, 当室外给水管网所供水量和水压, 在任何时候均能满足室内消防栓给水系统所需水量水压, 可以优先采用这种方式。
2.2 设置消防水泵和水箱的联合给水方式, 即临时高压给水系统
室外市政给水管网的压力或流量不能完全满足室内最不利点消火栓的水压和流量, 系统通常为市政给水管网的水经过消防水池由消防水泵提升加压供给室内消火栓, 为保证一旦使用消火栓灭火时有足够的消防水量, 而在建筑物屋顶最高处设置重力流消防水箱, 消防水箱贮备10min的室内消防用水量。在审核设计图纸时还必须注意:发生火灾后, 由消防泵供给的消防用水不应进入消防水箱, 所以在水箱进入消防管网的出水管上应该单向阀。按现行的《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》的规定“设置临时高压给水系统的建筑物, 应设消防水箱或气压水罐。”而在建筑物高处设消防水箱一般情况下是很难满足最不利点消火栓水压要求的, 因此, 在不宜设水箱或设水箱有困难的情况下, 可设置气压给水设备, 气压给水设备一般与水泵设在底层或地下室的泵房内。又根据规范的规定:“高层工业建筑和高位水箱静压不能满足最不利点消火栓水压要求的其他建筑, 应在每个室内消火栓处设置直接启动消防水泵的按钮, 并应有保护设施。”即设消防水池就有消防水泵。
这种供水方式技术上合理、供水可靠, 虽然设备费用较高, 但其长期效果是经济的。这种方法适用于室外给水管网的水压和水量不能满足室内消火栓给水系统所需水压和用水量的建筑室内消火栓系统。该给水方式在二类高层建筑和多层建筑中使用较多。
2.3 水泵出口恒压的变速运行给水方式, 即变频水泵供水
若室外给水压力大部分时间满足不了室内消防水压需要, 且建筑内部消防用水量较大又较均匀时, 则可单设水泵增压。这种给水方式适用于生产车间给水。对于住宅、高层建筑等建筑室内消火栓用水量比较大, 但用水不均匀性比较突出, 如设置了消防水泵供水, 为了降低电耗, 提高水泵工作效率, 也可考虑采用一台或多台泵的变速运行方式, 使水泵供水曲线和用水曲线相接近, 就能达到节能的目的。
该方式供水系统越大, 节能效果就越显著。这种供水方式的特点是多幢高层建筑室内设独立的消防管网, 但共用消防泵来保持消防管网所需的水压或火灾报警临时加压保证供应消防用水量。这种供水方式便于集中管理, 适用于高层建筑和高层建筑密集区。
2.4 分区供水的给水方式
以上提到的几种给水方式均属于整个建筑内不分区而设置一个独立的或与生产、生活合用的消火栓给水管网。当建筑高度低于24m, 灭火时除启动室内消火栓扑救外, 消防车的水泵出水的水量和水压也可达到室任何着火点。当建筑高度高于24m但不超过50m的高层建筑火灾时, 消防车水泵仍可通过室内管网水泵接合器供应消防用水协助室内消火栓灭火。故这类建筑均可采用不分区独立的消火栓给水方式。在现行的《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》中规定:室内消火栓栓口处的静水压力大于1MPa时, 应采用分区给水系统。消防给水分区就消火栓给水系统本身来说, 以室内消火栓栓口处静水压不应大于1MPa (100mH2O) 划分为准, 这是考虑消火栓的水带和普压钢管工作压力的允许值, 也是为便于灭火和供水设备安全。
在高层建筑中, 由于高层建筑层多, 为使管道及配件承受的水压小于其工作压力, 高层建筑的消防给水管网必须竖向划分几个区域布置, 使下层管道系统的静水压力减小。压力降低了避免管中压力超过其工作压力外, 而且还能避免水击形成噪音与振动, 同时还不会因水压过大, 水流喷溅而使用不便。高层建筑给水系统竖向分区有三种方式:串联给水方式、并联给水方式、减压给水方式。
2.4.1 串联给水方式
各区消防水泵均设在技术层内, 各从下一区的水箱吸水, 因而各区水箱容积除按本区用水量设计外, 并应附加转输到上区的水量, 以满足上区水泵工作时的所需流量。此种方式的主要优点为各区水泵的扬程和流量按本区所需而设计, 工作效率高, 能耗较少。此外, 管道总需求量少, 节省初次基建投资。串联分区使消防水泵分散设置, 各区水泵的压力相近或相同, 没有并联分区供水需要高压水泵、高压管的问题, 也没有高区接合器失效问题。但此种方式的缺点是:对技术层要求较高, 需防振、防噪音、防漏水等;水泵分散布置不便管理, 即使设计成自动控制, 维修仍不方便;下区的水箱容积过大, 增加结构负荷和造价;工作不可靠, 下面任何一区发生事故, 上区供水便受影响, 尽管可设置备用泵, 但相应增加了设备费用。由于缺点较明显, 在实际工程中应尽量少采用。
2.4.2 并联给水方式
这是高层建筑中广泛采用的一种消防给水方式。根据水压要求, 将建筑内的消火栓系统分为几个区, 消防水泵统一设置在水泵房内, 根据不同分区内的水压和水量要求, 不同分区选择不同型号的消防水泵供水, 每个分区的消火栓管道单独敷设。并联分区大多采用不设水箱供水方式, 该方式是各区设置补压泵代替水箱, 使各区消防管网中保持消防需要压力。补压泵一般流量选为0.5L/S左右, 扬程不小于该区所需消防水压 (不小于该区消防泵扬程) 。补压泵经常开启, 采用压力式继电器控制其启闭。即消火栓给水管中压力低于规定数值, 补压泵开启, 压力大于规定数值时, 补压泵关停。在补压泵运行不能保持管网规定压力时, 则反映管网消火栓在使用, 消防泵会因消火栓启动按钮而开动。并联给水方式其显著优点是:各区水泵集中设置在底层、地下室或室外水泵房内, 便于消防泵集中维护和管理;与串联式相比, 各区均为独立系统, 互不影响, 供水较安全可靠。其缺点是:高区水泵扬程要求较大, 压力管线较长, 使用的消防给水管需耐高压。由于高区水压高, 高区水泵接合器必须有高压水泵的消防车才能起作用, 否则将会不起作用。
2.4.3 减压给水方式
整个高层建筑的用水由设置在底层的消防水泵抽升至最高水箱, 而后由此总水箱依次往上区供给并通过各区水箱减压。此种方式水泵管理简单, 与前两种方式比较, 水泵及管道的投资可减少很多。但是设置在最高层的总水箱容积大, 增加了结构的荷载, 而且起转输作用的管道管径也将加大, 更主要的缺点是不能保证供水的安全可靠, 如上面任一区管道和水箱等设备出问题便影响下面的各区供水。
3 室内消火栓给水方式中管网的形状
按照建筑对供水可靠程度要求不同, 管网分为枝状和环状。由于建筑室内消火栓系统在任何时间都不允许间断供水, 必须采用环状式给水方式。在《建筑设计防火规范》第8.4.2条中:“室内消火栓超过10个且室外消防用水量大于15L/s时, 其消防给水管道应连成环状”;在《高层民用建筑设计防火规范》第7.4.1条中:“室内消防给水管道应布置成环状”。环状式又根据供水安全要求程度设计成竖向环网或水平向环网。高层建筑每区内的给水管网, 在供水范围较大的情况下, 水箱上可设置两条出水管接到环网。此外, 在环网的分水节点处还应适当设置闸阀以减少管段损坏或修理时的停水影响范围。
综合以上分析, 符合规范要求和实际情况的消火栓给水系统给水方式有多种, 在审核中, 应根据建筑设计提供的一些基础性资料, 合理的对所选取的给水方式进行校核, 所选取的给水方式必须保证消火栓的供水可靠性, 同时审核中还要对给水方式中所选取的设备和管路布置情况进行逐项审查, 确保系统的正常运行。
摘要：建筑室内消火栓系统的给水方式的选择是消防设计和审核中的一个重要环节, 这往往决定着该系统的成败。本文结合实际, 对室内消火栓系统的给水方式及特点进行了归纳总结, 并重点从供水可靠性、节能和经济等方面对建筑消防给水方式进行了比较, 对消防给水方式提出了几点看法。
关键词：消火栓系统,给水方式
参考文献
[1] GB50016-2006, 建筑设计防火规范.
[2] GB50045-95 (2005年版) , 高层民用建筑设计防火规范.
[3] 公安部消防局.消防监督教程[M]. (2008年版) .
[4] 太原工业大学、哈尔滨建筑工程学院、湖南大学.建筑给水排水工程[M].中国建筑工业出版社, 1997, 11:3.