【知名案例】上海中心大厦建筑给排水消防设计

摘要：对上海中心大厦的给排水系统、水灭火系统、绿色建筑设计作简单的介绍。针对500m以上超高层建筑给排水、消防设计技术难点：雨水系统的减压与消能、生活、消防合用供水系统的水泵联动控制技术、消防水箱应急供水、建筑外部消防应急供水等进行研究与探讨，力求为今后同类建筑的建设积累经验。

1. 给排水、消防系统概述
1.1 工程概况
上海中心大厦位于浦东新区陆家嘴金融贸易中心银城中路。东泰路以西，银城南路以北，银城中路以东，花园石桥路以南。紧邻金茂大厦和上海环球金融中心。场地面积约3万m2，总建筑面积约57万m2。建筑由地上120 层可使用楼层+4 层设备用房、地下5 层组成。建筑高度580m，塔冠最高点为632m。建筑由下至上竖向分成十个区，包括五层地下室、1个裙房商业区、5个办公区、2个酒店及精品办公区、1个观景区。除地下室外，每个区被2层完整的设备、避难层分开。
1.2 生活、消防合用给水系统
上海中心大厦的给水系统采用生活、消防合用的重力水箱供水方式。在地下五层设有1220m3生活、消防合用水池，其中680m3为消防储水。重力水箱采用生活、消防泵逐级串联进水方式，在6F/7F、35F/36F、66F/67F、99F/100F的设备、避难层设置生活水箱；在20F/21F、50F/51F、82F/83F、116F/117F的设备、避难层分别设置生活、消防合用水箱；在128F屋顶层设消防专用水箱。每个生活水箱的容积按该生活水箱所供区域的生活用水量确定。每个生活、消防合用水箱的容积根据三部分用水量计算确定：合用水箱所供楼层的生活用水量、合用水箱以上楼层区域的生活转输水量、合用水箱所供区域30min最大消防用水量（但不小于2x100m3）。各区生活、消防合用水箱均为2个，每个水箱容积为总设计容积的50%。128F屋顶层设消防专用水箱容积为30min消防用水量。根据卫生主管部门的意见，所有生活、消防合用水池（箱）内储水的更新周期必须做到小于24hr。所有生活用水由设在各区设备、避难层的生活水箱或生活、消防合用水箱重力供水，用水点的最低水压商业、办公为0.20MPa，酒店为0.275MPa。110F以下楼层的消防系统采用重力供水方式，110F以上楼层（含110F）采用临时高压给水系统。




1.3热水系统
酒店客房、酒店后勤的生活热水采用集中供水方式，热源为三联供系统提供的蒸汽，冷水经热回收装置预热后，用半容积式热交换器加热供水。办公区卫生间热水采用容积式电热水器。
1.4排水系统
室内排水系统为污废分流的排水方式。排水系统竖向以2～3个建筑功能分区为一个排水分区，所有卫生间排水均设有器具通气管。
裙房屋面雨水系统采用虹吸式屋面雨水系统，设计重现期20年，排水系统与溢流的合计重现期为100年，溢流形式为溢流系统，溢流系统也采用虹吸式雨水系统。塔楼屋面雨水系统采用87斗排水系统，设计重现期10年，排水系统与溢流的合计重现期为50年，溢流形式为溢流口。塔楼雨水系统在66F设有减压水箱，减压水箱兼做雨水回用系统的收集水箱。
1.5消防系统
上海中心大厦内设有室外消防给水系统、室内消火栓给水系统、自动喷水灭火系统、B幕墙玻璃冷却系统、水喷雾灭火系统、大空间射水灭火装置、大空间洒水灭火装置、IG-541气体灭火系统、高压细水雾灭火系统和建筑灭火器。其中，自动喷水灭火系统设置于净空高度12m以下所有可用水扑救的场所；水喷雾灭火系统设置于柴油发电机和燃油三联供机组的局部保护；大空间射水灭火装置用于酒店空中大堂的高大净空场所；大空间洒水灭火装置用于各空中休闲层的高大净空场所；IG-541气体灭火系统用于不能用水扑救的所有强、弱电机房（楼层强、弱电间、电梯机房除外）；高压细水雾灭火系统用于所有电梯机房，水灭火各系统的设计流量见表一。


整个上海中心大厦按1个着火点配置消防灭火设施。110F以下楼层的所有水灭火系统采用重力供水方式，110F以上楼层（含110F）采用临时高压给水系统。室内消火栓系统的竖向分区见表二，自动喷水灭火系统、水喷雾灭火系统等水灭火系统的竖向分区基本相同。


1.6绿色建筑设计
上海中心大厦力求打造超高层绿色建筑，其设计目标是达到国家标准《绿色建筑评价标准》GN/T50378-2006绿色建筑三星设计标识和运营标识，以及美国Leed-CS金奖。为此，上海中心大厦收集了屋面雨水和生活废水作为中水水源，二类不同水质的原水经各自的处理设施分别处理后，作为中水用于除酒店客房外的其它所有中水用水场所。同时，为充分利用水的势能，在66F设有雨水及废水处理机房，分别收集、处理塔楼屋面雨水和66F以上楼层的生活废水，处理后的中水重力供给83F以下楼层使用。在B5层也各设有一座雨水及废水处理机房，分别收集、处理裙房屋面雨水和66F以下楼层的生活废水，处理成中水后供大楼低区中水供水系统。所有用水场所均采用国家标准的节水型卫生器具，也深感既要控制用水点的水压，保证用水器具的节水效果，又要满足高星级酒店用水舒适性的要求是一个值得研究、探讨的问题。


2. 500m以上超高层建筑给排水、消防设计技术难点的研究与探讨
2.1雨水系统的减压与消能
上海中心大厦塔楼屋面采用设计重现期为10年的87斗雨水排水系统。处于设计工况下的87斗雨水系统，其管道内雨水的实际工况属于水气混合的非稳态流，水气混合体不会完全充满整个系统，但会在管道内形成水气混合水团。而上海中心大厦塔楼雨水排水高度高达600m，这些水气团在立管及出户横管内的流态不明，当出现超设计重现期雨量时，更可能产生局部的活塞流。实际上，现有技术手段难以预测600m排水高度的87斗雨水系统的流态。通常超高层建筑的雨水系统采用立管水平折弯或设减压水池的方式减压。CFD模拟计算表明，立管水平折弯对非满管的水气两相流减压效果不明显。为此，在66F设置减压水箱，该水箱同时也是66F雨水收集、回用系统的蓄水池。即使设置了中间减压水箱，每一区段的雨水排水高度仍高达300m以上，雨水出户管内的雨水仍带有很大的动能。为削弱雨水出户管对雨水检查井和66F雨水调蓄池的冲击，设有多个具有排气功能的雨水消能池，消能池的几何尺寸、容积及排气管管径均经CFD模拟计算确定。



2.2生活、消防合用供水系统的水泵联动控制技术
由于上海中心大厦的水灭火系统采用带水泵转输的重力水箱常高压供水系统，转输水泵、重力水箱都是生活、消防系统合用。转输泵从功能上不区分消防转输泵、生活转输泵，在联动控制上分为平时与消防二种工况。平时工况下，所有转输泵被视作具有生活转输泵功能，水泵的开启数量由上一级水箱的液位控制。当生活、消防合用水箱的水位低于消防警戒水位而可能动用消防储水时，自动锁闭生活给水泵并向控制中心报警。在消防工况下，所有转输泵均被视作消防转输泵，但转输泵的开闭及开启数量仍由上一级生活、消防合用水箱的液位控制，转输泵根据水箱液位高低逐台开启。如果火势得到控制，消防用水小于转输泵的转输水量，当水箱达到满水位时，允许本级的转输泵自动关闭。为保证液位控制的安全可靠，每个水箱的液位控制都采用2套不同工作原理的液位控制系统，且2套控制系统互为备用，控制中心能手动切换并监控。所有转输泵均按消防泵的技术要求选型，供电也按消防供电要求配备。生活、消防合用水箱的出水管按生活、消防功能独立设置，消防出水管上设倒流防止器。消防箱内的消防泵启动按钮和自动喷水灭火系统报警阀组上的压力开关用作判断消防工况的依据。由于上海中心大厦建筑高度高，需要多级消防转输，采用生活、消防合用供水的常高压供水，并允许转输泵根据水箱液位启闭的生活、消防联动供水技术，极大地简化了消防联动控制，体现了简单即可靠的法则，有效提高了系统的安全度。
2.3提高消防供水安全的措施
2.3.1 喷淋系统供水可靠性
由于喷淋系统报警阀及阀后管道都为枝状管网，为提高报警阀组及阀后管道的供水可靠性，有二种比较简单可行的方法，其一是从喷淋供水主管接出2组报警阀，每个防火分区分别从这2组报警阀后管道引出一路供水，并在该防火分区形成环状管网；其二是每组报警阀隔层供水，即一组报警阀向奇数楼层供水，另一组报警阀向偶数楼层供水，当为失火楼层供水的报警阀失效时，其上、下相邻楼层的喷淋依然有效，为相邻楼层人员的疏散提供安全保证。二种方法，前者更为安全、可靠，但报警阀和水流指示器成倍增加，成本高；后者在几乎不提高成本的前提下，可适度提高系统的安全度，上海中心大厦标准层的喷淋系统采用后者。
2.3.2 消防水箱应急供水
上海中心大厦除地下五层设有1个生活、消防合用水池（储存一次灭火所需全部室内消防用水量），共设有4个生活、消防合用水箱和1个消防水箱，每个水箱均储有30min消防用水储水量，且不小于200m3。火灾扑救时，为提高这些消防储水的使用效率，高位生活、消防水箱之间设有重力供水的连通管，这些连通管上设有可在消防控制中心远程启闭的电动阀门和手动阀门。在消防控制中心认为必要时，可远程或手动将高一级水箱内的消防储水向低一级的水箱供水，起到“类第二水源”的功能。
2.3.3 建筑外部消防应急供水
超高层建筑的消防扑救立足于室内自救，为提高外部消防支援能力，上海中心大厦在每层的核心筒设有2根消防供水立管（平时为空管），并在每层设消火栓（不配水龙带和水枪），由消防车通过水泵接合器向外部消防应急供水管泵送泡沫混合液。
2.3.4 柴油发电机房自动灭火设施
柴油发电机房的自动灭火措施通常是对柴油发电机用水喷雾灭火系统作局部保护，由于柴油发电机一般数量少，机房面积小，因此不再设其它自动灭火设施。但上海中心大厦的柴油发电机房内，柴油发电机数量多，且机组之间无法设置防火分隔。为防止流淌火引发大面积的燃烧，控制过火面积，柴油发电机房内除每台机组设水喷雾灭火系统作局部保护外，还在机房内设有自动喷淋灭火系统，以扑灭流淌火。
2.3.5 楼层强电、弱电间的自动灭火设施
根据上海地方法规和消防部门的要求，上海中心大厦所有场所均应设自动灭火设施。楼层强电、弱电间可采用脉冲干粉自动灭火系统或自动喷水灭火系统。但本项目的楼层强电、弱电间面积较大，远大于地方法规规定的可采用脉冲干粉自动灭火系统的限制条件：使用面积小于3m3或体积小于12m3。因此，楼层强电、弱电间采用由电磁阀开启的简易预作用喷淋系统（见图五），电磁阀的开启由烟感探测器控制。




2.4 高压细水雾灭火系统的适用场所
高压细水雾灭火系统在本项目中的应用曾经有过多次的规划与论证。高压细水雾作为一种绿色、环保的灭火剂有其明显的优点与弱势，同时其适用场所也有待更多的试验和灭火案例来验证。总的来说高压细水雾有其适用场所，不可能全面替代喷淋系统、气体灭火系统，不应盲目将高压细水雾系统用于变压器室和高、低压电气机房。国内目前针对这些保护场所的灭火验证试验和绝缘性试验的对象均为新设备或经清理干净的旧设备。设备长期运营，设备积灰，会造成高压细水雾动作时，设备的绝缘性能下降，需考虑闪络事故的发生，可能导致因闪络造成整个大楼电网故障。上海中心大厦的变压器室和高、低压电气机房出于这些因素的考虑，仍采用气体灭火系统。但塔楼的客梯具有消防疏散功能，客梯和消防电梯机房均要求设置自动灭火设施。电梯机房由于工艺要求，有无法封闭的开口，气体灭火系统不适用于上述场所，而高压细水雾灭火系统的灭火特性及针对封闭空间中小面积开口的加强技术以及高压细水雾较小的水渍损害，更适用在于电梯机房的应用。


3 结语
上海中心大厦是国内较早开始设计并投入施工的500m以上超高层建筑。设计、科研团队面临系统复杂、技术难度大、无现成工程案例可参考、缺少设计规范支撑、边设计边施工、设计周期短等诸多难题和挑战。2012年下半年，机电安装工作已全面启动，但鉴于项目的复杂性以及项目招商带来的使用功能变更，都会对现有设计方案带来修改与变更，本文介绍的内容也可能会与实际施工存在差异，敬请谅解。总之，本项目的设计、施工在国内500m以上超高层建筑领域先行一步，期盼由此带来的经验与教训可供今后类似项目的建设参考。