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超高层建筑临界楼层串联消防系统如何设计

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导 读 针对超高层建筑串联消防系统中的高、低区临界楼层发生火灾时需要投入几个区的消防设施和电量不同的问题,分析和讨论了各种不同形式的串联消防系统,提出了两种不同解决方法:一为通过要求不同的用电负荷适应不同的系统形式;二为通过自动控制系统将临界楼层的消防设施归属于高、低区中的其中一个区而不增加用电负荷。

导 读

针对超高层建筑串联消防系统中的高、低区临界楼层发生火灾时需要投入几个区的消防设施和电量不同的问题,分析和讨论了各种不同形式的串联消防系统,提出了两种不同解决方法:一为通过要求不同的用电负荷适应不同的系统形式;二为通过自动控制系统将临界楼层的消防设施归属于高、低区中的其中一个区而不增加用电负荷。


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引言

随着我们国家超高层建筑的日益增多,其特有的消防问题也变得越来越突出。超高层建筑由于其建筑高度的影响,外部救援能力受到限制,必须采取以防为主,防消结合的消防主导思想。随着《建筑高度大于250米民用建筑防火设计加强性技术要求(试行)》(公消〔2018〕57号)的实施,对高度大于250 m 的超高层建筑就必须采取高位消防水池和地面(地下)消防水池双向供水。因此,无论哪个部位出现火灾消防用水均由高位消防水池、转输泵等联合供水,对于消防分区的临界楼层与其他楼层不存在差异。然而,对于250 m以下的超高层建筑而言,设计师通常采用串联供水的临时高压系统,对该系统高、低分区的临界楼层的消防问题,设计师往往容易忽略,若考虑不周,简单的按照普通建筑的一次火灾的电力装机容量或启动方式来设计,那么该部位发生火灾时就会存在断电、断水及无法施救的风险。


根据《消防给水及消火栓技术规范》(GB 50974-2014)第3.5.4条的规定,高度大于50 m的高层公共建筑,发生火灾时要求同时使用的消火栓水枪数为8支,每根竖管的最小流量不小于15 L/s。由此看出,当任意楼层发生火灾时,与其毗邻的上下楼层的消火栓应按参与扑救火灾来考虑。常规的设计思路只需满足规范对火灾次数的限定条件即可,一般的民用建筑均按一次火灾考虑,若存在高低分区也只需比较发生火灾时消防低区与高区二者投入灭火设施的电力负荷大小,将其中较大的一个区的消防电力负荷作为水消防的装机容量。但是,对于串联供水的超高层建筑而言,当消防高、低区临界楼层发生火灾时,存在消防高、低区同时参与救火的可能,就须分析各种不同的系统形式并提出相应的解决办法,以免因消防电力装机容量不足而带来的供电开关跳闸等问题,从而消除该区域消防时的潜在隐患。下文重点分析250 m以下的超高层临界楼层消防安全问题。


01

250 m以下超高层建筑有中间转输水箱串联消防供水

(1)对于设置有中间转输水箱的串联供水系统,当高区正常楼层发生火灾时,由其对应的屋顶水箱消火栓出水管道上的流量开关或高区消火栓加压泵出水管道上的压力开关自动启动高区消火栓加压泵。当高区消火栓加压泵启动后,由中间层转输水箱上的液位开关自动启动高区消火栓系统的转输加压泵,转输加压泵可采用室内消火栓和自喷系统独立设置,也可两个系统的转输加压泵合用;当低区正常楼层发生火灾时,由其对应的屋顶水箱消火栓出水管道上的流量开关或低区消火栓加压泵出水管道上的压力开关自动启动低区消火栓加压泵。但当高、低区的临界楼层发生火灾时,如图1所示,由于存在毗邻楼层消火栓借用跨区的问题,该区域消防救援时就存在低区消火栓加压泵、高区消火栓加压泵以及高区消火栓转输水泵同时工作的工况存在。


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图1 设转输水箱串联供水


若消火栓系统按照常规思路的一次火灾考虑,低区着火不考虑高区加压泵启动的思路,当发生跨区借用时,随着高区消火栓泵的自动启动,就会出现高区供电负荷不足的状况,电力负荷过大时自动控制系统就会跳闸保护,虽然电气控制采用的是分级控制,而这样的跳闸保护不仅会出现在系统的分控制开关上,还可能发生在系统的总控制开关上,当引起总开关跳闸时就会影响整栋大楼的正常灭火和救援。


因此,对于此类形式的消防方案,消火栓系统的供电负荷须按低区消火栓加压泵、高区消火栓加压泵、高区转输泵同时工作的最不利工况来考虑。同时,柴油发电机的装机容量也须按最不利工况来配设。


 (2)对于自喷系统而言,《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50084-2017)第2.1.13、第5.0.1及第5.0.2条规定,一次火灾仅考虑作用面积内的喷头用水,不考虑上下层同时开启的问题。当低区任意楼层发生火灾时,其相应楼层的水流指示器、相应高位消防水箱自喷出水管道上的流量开关、湿式报警阀上的压力开关等信号自动启动低区自喷泵;同理,当高区任意楼层发生火灾时,自动启动高区自喷泵和高区自喷转输泵。


设计师往往有一个固定思维,自喷系统仅考虑作用面积内的一次火灾,作用面积内的喷头全部动作,并在火灾延续时间内完成救火,若火势得不到控制,自喷系统就不再考虑自喷系统发挥作用。但往往忽略了特殊情况的存在,那就是上下层“串火”的问题,如图2所示。当高、低区分界楼层中低区最不利层发生火灾时,可能由于多种原因(窗口有可燃物、喷头未全部投入灭火等)而导致火势迅速蔓延至高区的最低楼层,这时高区的自喷喷头会自动投入灭火,造成高区屋顶水箱自喷出水管道上的自喷流量开关、湿式报警阀上的压力开关、水流指示器等信号动作,自动启动高区自喷系统消防加压泵,相应的高区自喷转输水泵也会自动投入工作。从而造成低区自喷加压泵、高区自喷转输泵以及高区自喷加压泵同时工作的状况存在。


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图2 设转输水箱自喷串联供水


由此分析可以看出,自喷系统最不利状况更为可靠的供电负荷及备用电源须按低区自喷泵、高区自喷泵、高区自喷(或合用)转输泵同时工作的最不利工况考虑。若自喷系统的配电容量不足同样会引起自喷系统消防供电不足的跳闸风险问题的发生。


02

250 m以下超高层建筑无中间转输水箱串联消防供水

(1)250 m以下的超高层建筑消防设计无中间转输水箱的串联供水方式也属于一种临时高压消防给水系统,该系统一般可分两种形式,一种就是在地下消防泵房设置高区消防系统的转输水泵,高区消防供水由高区转输水泵和高区消防泵联合工作,如图3所示,其中的消火栓系统和自喷系统的转输水泵须分开独立设置。当低区正常楼层发生火灾时,由其相应的高位水箱出水管道上的消火栓流量开关和低区消火栓泵上的压力开关自动启动低区消火栓泵;当高区正常楼层发生火灾时,由高区对应的高位水箱出水管道上的消火栓流量开关和高区消火栓泵出水管道上的压力开关自动启动高区消火栓泵,同时启动高区消火栓转输泵;当高、低区临界楼层发生火灾时,实际投入的消火栓加压泵应包含高、低区消火栓泵以及高区消火栓转输泵。因此,消火栓加压泵的供电负荷及柴油发电机的装机容量须按此装机容量来考虑。


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图3 无转输水箱串联供水1


 (2)无转输水箱串联供水的另一种形式,不设置专用的高区消火栓系统转输水泵,高区消防加压泵从低区的消防加压管网上直接吸水,如图4所示。当高区正常楼层发生火灾时,高、低区的消火栓加压泵须同时工作。这种系统和第一种系统相比较,没有专门的消防转输水泵,其最不利消防负荷就是高区消防正常工作时的负荷。当消防高、低区临界楼层发生火灾时,其消火栓的用电负荷也不会增加。因为没有专门的消火栓转输泵,所以该系统总负荷比(1)中情况小,对应的柴油发电机组的装机容量也小。至于该系统和设不设置中间转输水箱系统的优缺点,在此不专门展开讨论。


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图4 无转输水箱串联供水2


对于自喷系统而言,设计本身就考虑高低区自喷加压泵同时工作的状况存在,同样也就不存在高、低区临界楼层着火需要增加负荷的情况。


03

250 m以下超高层建筑并联供水消防问题

对于250 m以下的超高层并联消防(高、低区加压泵均设置在地下室动力中心的消防泵房内)供水系统,如图5所示。当高、低区正常楼层发生火灾时,只需要启动相应分区的消火栓或自喷加压泵投入工作就可以满足正常消防灭火的要求。但当高、低区临界层发生火灾时,根据消火栓相互楼层借用的原则,以及自喷系统存在火势蔓延“串火”的可能,按照最不利的情况考虑,须投入高、低区消火栓加压泵、高、低区自喷加压泵,消防动力供电负荷及柴油发电机的装机容量的配设也须按高、低区消防泵同时工作来考虑。并联供水系统相对于设置转输水泵的串联系统而言,其消防系统的总装机容量因为没有转输水泵,而比串联供水的总容量要小。


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图5 无转输水箱并联供水


04

消火栓系统临界楼层的其他解决方案

对于超高层消防高低区临界楼层消防隐患的问题,不仅可以通过增加投入消防水泵的多少以及增加消火栓系统的电力负荷供应来解决,还可以根据项目的具体情况通过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。通过控制电动阀的开启切换,使得临界楼层发生火灾时,投入消防救援的消火栓楼层均由高区或低区的其中一个区的消火栓加压泵来负担,如图6所示,系统分区、加压泵的设置以及控制同常规设计一致。正常情况下电动阀A、电动阀C处于常开状态,电动阀B处于常闭状态。当低区的最不利楼层发生火灾时,低区的消火栓投入使用,造成低区高位消防水箱上的消火栓系统出水管道上的流量开关L1动作,根据L1流量开关的信号同时启动关闭电动阀C,电动阀C关闭后再打开电动阀B,使低区着火楼层的上下楼层的消防供水均由低区消火栓加压泵来供给;当高区的最低楼层发生火灾,同样根据高区高位消防水箱出水管道上流量开关L2上的动作信号,自动关闭电动阀A,电动阀A关闭后再打开电动阀B,使高区着火楼层的上下楼层的消防供水均由高区消火栓加压泵来供给,以此来解决临界楼层发生火灾时,需要高低区的所有消火栓都投入使用的状况发生,消除因消防电力负荷不足而带来的消防安全隐患。


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图6 电动阀控制串联供水


05

小结

对于超高层建筑而言,由于超高层建筑高度、功能等因素的差异,其消火栓高、低分区的界限也会因项目不同、设计师不同等而存在一定的差异。对于自喷系统而言,当低区最高层发生火灾,火势迅速蔓延,也不可能人为去设定高区自喷泵不能自动投入灭火的控制要求。


因此,对于250 m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。对于消火栓及自喷系统而言,这种临界楼层的消防隐患存在于设置中间转输水箱的串联供水系统和中间不设转输水箱但设置高区专用消防转输泵的串联供水系统以及并联系统;对于直接串联系统不存在临界楼层的潜在风险问题。而对于大于250 m以上的超高层建筑,无论哪个区哪li个楼层发生火灾,其投入工作的消防动力负荷是相同的,也不存在此类安全隐患问题。

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