中国国家博物馆的消防设计——大空间灭火

针对国家博物馆改扩建工程中博物馆建筑消防设计安全的特殊性，对本工程的消火栓系统、自动喷水灭火系统，大空间智能灭火系统、水喷雾系统、雨淋系统、气体灭火系统等消防措施进行了系统介绍。同时对文物保护遇到的消防问题和大空间消防等一些技术问题及解决措施进行了探讨。



1. 工程概况：
中国国家博物馆不仅是首都北京天安门地区的标志性文化建筑，也是北京迈向国际化大都市的一个标志性建筑。改扩建工程完成后的中国国家博物馆成为以展示历史与艺术并重，集收藏、研究、考古、展览、文化交流于一体的综合性国家博物馆。
国家博物馆总建筑面积191900 m2，其中地上建筑面积115131 m2，包括保留的老馆建筑面积35452 m2。老馆原来没有地下室，因此地下面积全部由新扩建的部分解决，共76769 m2。新馆地上地下总面积共156448 m2。新馆地上5层，地下2层。建筑高度42.50m。老馆建筑高度26.5m，其中北侧老馆地上3层，南侧老馆地上经过内部加层后为5层。
建筑平面按博物馆职能分为九大功能区：文物保管区、陈列展览区、社会教育区、公共服务和活动区、业务与学术研究区、行政办公区、武警用房、设备用房、地下停车库。改扩建后的国家博物馆建筑空间形式丰富，内部功能复杂多样。
2. 消防系统概述：
国家博物馆工程的消防设计有着特殊性，文物是博物馆的根本，消防设计既要有可靠的防火和灭火措施，在保护人员安全的同时更要保证文物在火灾和灭火时的安全，这为博物馆的消防设计带来巨大挑战。
由于单体体量庞大、空间复杂、功能繁多、工艺及安防等方面要求高，出现了很多现有防火设计规范不能完全解决的问题，这也是目前在许多大规模的建筑设计中常常会遇到的。如果按照现行防火设计规范进行设计，建筑内的防火分区划分、疏散宽度等将难以实现，也难以保证各功能区的有效使用和空间效果的完整。因此，针对防火设计中出现的一些特殊问题，没有完全局限于国内的规范，而是引进国际先进的消防性能化手段进行分析，并进行了专家论证，以确保设计采用的消防措施的合理有效。
国家博物馆的消防设计除了常规的消火栓系统、自动喷水灭火系统，还设置了大空间智能灭火系统、水喷雾系统、雨淋系统、气体灭火系统、灭火器配置、厨房专用灭火装置等消防措施。

3. 消防水量
消防用水由两路市政给水管提供，各系统消防用水标准和用水量如下：


从既要保证安全又要考虑经济性出发，避免盲目将所有消防水量叠加增加不必要的造价投资，根据博物馆不同空间、不同功能区域可能发生火灾时各个消防系统同时作用的需要进行组合分析，统计消防总水量如下：


注：自动喷洒系统以8～12m高大净空场所水力计算结果90 L/s取值。
地下消防水池贮水量以三种组合中总水量大者确定。消防水池贮存室内消防用水量756m3，即包括3小时室内消火栓用水、1小时中危险Ⅱ级的自动喷洒系统及1小时雨淋灭火系统用水量。
为了使消防水池内的水能循环使用不造成死水，将用水量很大的冷却塔补水与消防用水共同贮存在消防水池内，在冷却塔补水泵吸水管上设置保证消防用水不被动用的措施，同时避免生活水箱过大保证生活用水的水质。



4. 消火栓系统
室内消火栓系统采用临时高压系统，竖向不分区。新馆的屋顶设置高位消防水箱和稳压设备。消火栓设计出口压力控制在0.19~0.5MPa，栓口压力超过0.5MPa的各层采用减压稳压消火栓。全楼设置消火栓，布置在明显易于取用处。
地下文物库区是博物馆的重中之重，消防灭火措施有其特殊姓，在消防防护设计需要考虑的多项因素：库区规模面积庞大，整体性强，不易按照常规防火分区面积进行区域划分；库房区作为禁区不对外开放，除库房出入口，没有通往外界的消防疏散口；库区驻留人数少，除少量专业文物保管人员工作，没有闲杂人员；库区内存放有大量珍贵文物，根据文物质地归类有书画文物类、丝绸织绣皮革类、砖陶瓷玉器文物类、金属文物类等，常规的消防防火措施极易对文物造成不可恢复的损坏。综合上述多方面的特殊条件制约，文物库房的消防设计采取了消防性能化分析的手段进行设计，确定消防设计方案。设计初期根据性能化分析，文物库区的库房房间内全部采用气体灭火，走廊不再设置水消防设施；后经过多轮专家会论证审查讨论结果，在库区走廊补充了消火栓系统。但为了保障文物库区内文物的安全，库区走廊内消火栓系统独立成环，环管入口处设置了电动阀，平时电动阀关闭，阀后管道泄空，消火栓管线为空管。文物库区走廊各消火栓的启泵按钮与库区入口电动阀和环管末端电动阀及快速排气阀联动，发生火灾时按下启泵按钮启动消防泵的同时打开电动阀，快速排气阀打开排气，管道内充水，转入正常的湿式消火栓系统。在消防控制中心也可控制电动阀和快速排气阀的开启。火灾结束后电动阀关闭，管道泄空。以上空管消火栓措施避免了因意外导致管道跑冒滴漏对库区引发的水患，充分保障了文物的安全。

5. 自动喷水灭火系统
除西入口大厅、中央大厅等空间净高大于12米的场所，变配电室、消防、安防控制中心等电气用房和不宜用水扑救的场所外均设自动喷水灭火系统。其中地下车库考虑防冻、所有展厅、库区外侧文物走廊、文物管理区（除气体灭火系统保护区域外）、科技保护中心、演播室部分附属及后期用房、图书资料中心等场所考虑防水渍的安全性采用预作用自动喷水灭火系统；其余区域均采用湿式自动喷水灭火系统。
地下车库、图书资料中心书库、学术报告厅舞台为中危险Ⅱ级，其余部位为中危险I级。常规区域（K=80）中危险Ⅱ级的设计喷水强度8L/min.m2，作用面积160m2；中危险级I级设计喷水强度6L/min.m2，作用面积160m2。静空高度在8～12m的高大空间展厅（K=115），设计喷水强度12L/min.m2，作用面积300m2。
新老馆共设31套报警阀组，其中老馆预作用阀3套、湿式报警阀5套；新馆预作用阀15套、湿式报警阀8套。因国博体量庞大，所有展厅的展品为防止误喷均采用了预作用系统，为了保证预作用系统及时排气，控制充水时间不大于2min，新老馆报警阀间分散设置了14间。每个报警阀负担喷头数不超过800个，报警阀前的管道布置成环状。预作用报警阀组配置有空气压缩机及控制装置，其下游管网充有低压空气，监测管网的密闭性，空气压力0.03MPa~0.05MPa。火灾时，保护区内两路火灾探测器都发出火灾报警后，打开预作用报警阀上的电磁阀，同时打开着火区域管网末端电动快速排气阀前的电动阀排气，使阀前的压力水进入管路，同时空压机停机。预作用喷洒管路布置考虑大面积大系统采用多支干管末端均设置快速排气阀，以保证管网的快速排气快速充水，使系统迅速动作保障安全。





6. 大空间智能型主动喷水灭火系统
从天安门广场沿西大台阶进入国博的西入口大厅，参观者都会被这个大厅所震撼，它象征着新国博敞开宽广的胸襟迎接八方来客。这座长260米、宽34米、高27米巨大的厅堂也被预设为举办一些大型活动和庆典仪式的场所。
出于建筑设计效果的要求，大空间区域无法设计普通固定水炮，根据消防性能化和专家论证会的结果，入口大厅作为独立防火分区，在采用大空间智能型主动喷水灭火系统、提高机械排烟量的条件下，可以作为人员疏散的临时安全区，保障人员疏散的安全性，其他区域的人员可以借用入口大厅进行疏散。
除入口大厅外，中央大厅等净空高度大于12米且地面有火灾荷载的部位同样设置大空间智能型主动喷水灭火系统，选用自动扫描射水高空水炮灭火装置，因施工图设计时没有国家相应的国标规范，此设计采用了广东省标准。高空水炮最大同时开启个数为3个，设计流量为15L/s。每个水炮的射水流量为5L/s，最大允许保护半径32米，安装高度8～35米，标准工作压力0.6MPa。火灾延续时间以1小时计。自动扫描射水高空水炮灭火装置为探测器、水炮一体化设备。红外探测组件全天候探测保护范围内的一切火情，当探测器探测到火灾后发出指令联动打开电磁阀，启动水炮加压泵、高空水炮喷水灭火，同时驱动现场的声光报警器进行报警，并将火灾信号传至火灾报警器。扑灭火源后，装置再发出指令关闭电磁阀，停止喷水并停泵。大空间智能型主动喷水灭火系统设有自动控制、手动控制和现场控制三种控制方式。这种大空间智能灭火装置具有体积小易于安装、报警及时灭火迅速的优势，在大空间场所的使用将日趋成熟。

7. 水喷雾灭火系统
国博地下室设置了燃气锅炉房和柴油发电机房，采用水喷雾系统保护，锅炉和柴油发电机均是两台。燃气锅炉房内按防护冷却设计，设计喷雾强度9L/min.m2，，设计流量为23L/s，
火灾延续时间1小时；柴油发电机房，设计喷雾强度20L/min.m2，设计流量为50L/s，火灾延续时间0.5小时。3. 水喷雾系统设计流量50L/s，系统响应时间60s，最不利点喷头工作压力0.35MPa。地下消防泵房设三台与雨淋系统合用的水喷雾消防泵，设置两套雨淋阀组，分别设置在燃气锅炉房和柴油发电机房内。

8. 雨淋灭火系统
国博出于社会教育功能的需要设置了600平米的演播室，特邀观众将有机会近距离鉴赏国宝，还可以与现场嘉宾进行互动交流，感受文博名家深厚的文化底蕴。演播室独立设置了雨淋灭火系统。
雨淋灭火系统按照喷洒规范严重危险Ⅱ级设计，喷水强度16L/min.m2，作用面积260m2，雨淋系统设计流量为90 L/s。系统采用开式喷头，其开启由火灾探测器控制，雨淋阀开启后，其阀后连接的所有洒水喷头同时喷水。雨淋系统设3组报警阀，雨淋阀设置在演播室附近，便于根据演播需要现场手动操作管理。室外设6组DN150地下式水喷雾水泵接合器，流量15L/S，其中4组与水喷雾系统共用。雨淋系统设有自动控制、消防控制中心手动远控和现场应急操作三种控制方式。

9. 气体灭火系统
变配电室、文物库区的库房、文物管理区部分房间；网络数据中心、演播室配套控制室等重要机房及档案资料室等房间均采用了气体灭火系统。
因为博物馆项目的特殊性，气体灭火系统除了像常规项目一样设置于重要的机房外，其更重要的功能是保护博物馆所藏文物的安全。根据消防性能化及专家会论证结果文物库房在每间库房均设置为防火单元并采取气体自动灭火系统保护、主通道设置为避难通道等条件下，可以保证人员疏散安全性。此外文物管理用房的文物鉴赏室、文物征集库等特殊房间均设置了气体灭火系统。而气体灭火系统的气体介质选择也是主要是针对保护文物库区的文物为出发点来经过多方面比选确定，在此我们对比了技术相对成熟且常用的洁净气体IG541和七氟丙烷FM200。

综上比较，气体灭火的气体介质采用了IG541，主要原因如下：
1） 从灭火效果来看，FM200与IG541对于A、B类火灾的差别不是很大。
2） 从安全性考虑，对于文物库房内收藏的珍贵文物， IG541对保护对象的安全性最高，不会造成腐蚀损伤，而且其对库区工作人员人身健康也是无害的。
3） 从环保角度考虑IG541更适应绿色消防发展趋势。
4） 从初期及后期费用出发，IG541因其物理灭火方式灭火效率较低，需要占用较大的钢瓶间，初期投资较高，但气体灭火系统的维护保养费用也是一个不容忽视的因素,IG541后期药剂充装费用相对较低可以降低后期的维护使用费用。
5） 从建筑布置条件来说，因文物库区面积庞大且有极高的安全性要求，钢瓶间需分区域贴临设置于文物库区外，气体输送距离很远。IG541能发挥其输送距离大的优势。
最终国博的气体灭火系统使用IG-541洁净惰性气体，采用组合分配系统进行保护。系统最小设计浓度37.5%，最大设计浓度43.0%；灭火时间限于1分钟内。气体灭火系统的控制，要求同时具有自动控制、手动控制和应急操作三种控制方式。

10. 灭火器配置
博物馆全部以严重危险级等级配置磷酸铵盐干粉灭火器。每个组合式消火栓柜下面设置2具3A的手提式磷酸铵盐干粉灭火器；地下车库和柴油发电机房配置183B推车式磷酸铵盐干粉灭火器；演播室的文艺录音室、录音控制室、音频工作站等后期制作用房，剧场报告厅的声光控室、放映室均采用手提、推车式气体灭火器。

11. 厨房专用灭火装置
根据消防性能化及专家论证会的结果要求，所有厨房操作间设置了厨房专用灭火装置。

12. 消防末端与精装的配合的一点体会
为了保证设计高完成度的同时避免建设的浪费，设计团队在施工图基本完成后随即开展了精装修设计，避免了二次装修在时间、造价上的浪费。国家博物馆是中方与外方设计师合作的结晶，不仅要做到整体建筑设计的精益求精，建筑内部的精装修效果也是追求完美。尤其在是德国建筑师的严谨甚至苛刻的要求下，所有机电系统的末端，包括消火栓、风口、灯具、喷头等，在数量、位置上根据精装修的模数和美观要求，经历了反复讨论、反复修改的过程，最终实现了全专业的精装修一体化设计。
消防系统的消火栓、自动喷洒喷头、大空间自动扫描射水高空水炮都会对精装造成影响。国博公共区的消火栓是在初设及施工图阶段贯穿与建筑沟通配合完成的，与精装的矛盾在于精装希望所有消火栓数量越少越好、位置越隐蔽越对称越好，除了常规的墙体留洞暗装，还需要增加一些假墙、利用或局部增加装饰面龙骨的厚度、甚至在剪力墙预留从吊顶接下的消防支管墙洞等一些措施来协调满足墙面效果，因此越早沟通越容易实现，后期修改量也越少。国博的吊顶形式也是丰富多样的，不仅有常用的石膏板吊顶、还有入口大厅最吸引人的藻井吊顶、剧场的金属丝网吊顶、前厅木格栅吊顶、各层展厅多形式的吊顶、贵宾厅的特殊造型吊顶等等。在精装确定了灯具、风口形式等吊顶上的大末端后，喷头这个小细节在国博也受到了前所未有的重视，每一个空间不同吊顶上的喷头都经过了精装的讨论和确认。有些吊顶设计成灯具、风口和喷头共存的模块式风格；有些金属贴木皮的格栅条的喷头进行内部处理加装了集热板；有些变标高的区域增设喷头；入口大厅的吊顶与钢结构配合设计成上凹钢梁，使水炮外露尺寸尽可能减小以保证藻井造型的整体感等等。与精装的配合过程是既要保证国家规范的要求又要满足视觉效果的协调过程，也是既要坚持原则又要开动脑筋想办法的过程。希望每一个观众不仅能欣赏到气势磅礴大体量的新国博，也能从中体验到内部每个细节的精美与内涵。

13. 结束语
国家博物馆从方案中标到工程竣工历经了近七年的时间，消防设计在消防性能化和专家论证会的指导下也经过了多次调整，以文物安全为根本出发点的消防设计是科学、合理地确定博物馆消防系统形式、设计参数的前提和基础。国博的消防系统也将为国家博物馆的安全运行保驾护航。