建筑高度超过250m的超高层建筑,因其建筑高度远超出城市消防车扑救高度,建筑功能复杂,消防给水系统的确定显得尤为重要。

　　 本文对国内高度大于250m及以上建成或者在建超高层建筑给水系统以及地下消防水池、高位消防水池和中间消防水箱的设置位置、容积等进行了汇总,并依据相关规范规程作分析研究和总结,供各位同行探讨。

　　 超高层建筑通常被建成集商业、办公、公寓、酒店等功能于一体的“楼中城”,其疏散困难、火灾蔓延快、建筑高度远远超出城市消防的扑救高度。因此,消防给水系统的安全可靠性无疑成为消防设计的重中之重。目前已建成或者在建的250m以上超高层建筑的消防供水方式,不外乎临时高压系统和高压系统两种(见表1)。

　　 超高层建筑,因其建筑高度消防车扑救火灾已无能为力,基本需要依靠室内消防给水系统自救。而建筑高度超过250 m的项目,为使其系统承压及管网压力不致过大,一般会按消防系统工作压力不大于2.4 MPa,并结合建筑避难层(设备层)设置两级或多级转输系统。因临时高压给水系统需要从低区消防水池、中间转输水箱或管网直接吸水,对水箱(池)有效储水容积、供电电源及消防联动控制要求极高,多级串联增加了系统供水的安全隐患。而高位消防水池高压消防给水系统在水箱重力供水段主要依赖水力机械控制,系统能始终保持满足水灭火设施需要的工作压力和流量,原则上火灾时无须消防水泵直接加压,无论平时还是火灾时,除顶部楼层外,其他楼层均处于系统工作压力状态。因此,从超高层建筑的重要性及供水可靠性出发,超过250m的超高层建筑消防灭火给水系统今后会更倾向于采用高位消防水池重力供水的高压给水系统。

　　 高压给水系统中各级消防水箱(池)有效容积的确定,受市政供水条件、高位水池高压消防系统火灾延续时间内重力供水管流量不确定性、业主分期运营需求以及高低区消防系统总流量差异等因素影响,需要统筹考虑。

　　 表2统计了部分超高层建筑其业态及地下消防水池容积。

　　 在市政条件满足两路供水时,地下消防水池理论上只是扮演过路水池,并作为转输系统的供水水源。因此,该水池可以按照《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB 50974-2014,以下简称“水消规”)4.3.4条设置,当消防水池采用两路消防供水且在火灾情况下连续补水能满足消防要求时,消防水池的有效容积应根据计算确定,但不应小于100 m³,当仅设有消火栓系统时不应小于50m³。

　　 对有些工程,如天津117一期主塔楼、九龙仓苏州国际金融中心等项目,由于业主在设计前期就提出地下室和裙房需要提前投入使用,且此段区域功能相对复杂,消防水系统组成较之主塔楼更多,除室内消火栓外,自动喷水灭火系统消防用水量需根据地下复式停车库或中庭等设计用水量的区域计算,同时,增加大空间智能型主动喷水灭火系统、锅炉房及柴油发电机房水喷雾灭火系统等用水量。针对此类低区消防用水量远大于塔楼,且有分段运营要求的项目,建议能在地下室消防泵房内设置储存一次火灾延续时间内室内全部用水量的消防水池,加设地下室及裙房用消防泵,将此段供水设计为临时高压系统。

　　 由于高位水池高压消防系统在重力供水时,存在系统供水流量的不确定性,若地下消防水池能存储足够用水,亦可在室外市政消防用水无法供应、消防用水量大于设计流量时,通过启用转输系统为中间消防水箱或高位消防水池补水,从而确保重力供水段消防流量。

　　 综上所述,在土建允许的情况下,地下室消防水池的有效容积宜储满一次火灾延续时间内的全部消防用水量。

　　 高压消防系统中高位消防水池的容积,从统计的采用高压消防给水系统的超高层项目(见表3)来看,绝大部分项目还是按“水消规”4.3.11条,高位消防水池有效容积满足火灾延续时间内所需消防用水量。对采用高位消防水池高压消防供水系统来说,是最稳妥、安全的,也是我们所推崇的。这种做法,理论上火灾时系统全部由高位消防水池供水,消防转输系统只是作为灭火后向各级水箱充水的辅助措施,其转输泵可不作为消防水泵考虑。

　　 在高位消防水池需储存室内消防用水量的计算时,对“室内消防用水量”的理解有2种:第一种,高位消防水池有效容积按其高压系统供水最高区的消防用水量计算,比如天津117一期主塔楼、九龙仓苏州国际金融中心;另一种,高位消防水池有效储水容积按高压系统设计消防用水量最大的一个区计算,比如广州西塔、中国尊、天津周大福中心等。笔者认为,高位消防水池的有效储水容积首先要满足高压系统供水最高区的消防用水量,再按系统中最大一个区消防用水量,校核其上部所有供水水箱,包括减压水箱+高位消防水池的总有效容积能否满足其供水段消防用水量要求。

　　 然而,依照“水消规”2.1.2条对高压消防供水系统的定义“能始终保持满足水灭火设施所需的工作压力和流量,火灾时无须消防水泵直接加压的供水系统”,该术语仅明确了高压消防系统供水段采用水箱(池)重力供水,不设消防水泵,并未明确向各级水箱(池)供水段的消防转输泵是否属于“火灾时无须消防水泵直接加压的供水系统”中的消防水泵,并且术语中提到的是灭火设施所需的是“流量”而非“用水量”。结合“水消规”4.3.11.4条,当确有困难,但火灾时补水可靠,其总有效容积不应小于室内消防用水量的50%,笔者认为,实际上规范已间接认可了高压消防给水系统可以利用消防转输水泵在火灾时向中间水箱及高位消防水池补水。当然,为确保满足规范提出的“火灾时补水可靠”,我们认为须同时配备以下措施:①地下室消防水池水量满足“水消规”4.3.4条要求;②中间转输水箱容积至少满足“水消规”6.2.3条;③转输水泵的流量不应小于上区消防设计流量,且应设备用;④转输水泵的供电电源及控制应符合消防泵的相关要求;⑤各级水箱及高位消防水池转输管不应少于2条。

　　 高位消防水池依据“水消规”4.3.11条,其最低有效水位应能满足其所服务的水灭火设施,如表3所列天津117一期主塔楼、广州西塔等。而对于土建无条件将高位消防水池设置高度高于所服务的灭火设施时,需要在其建筑最高处加设高位消防水箱。高位消防水箱的容积,根据顶部采用临时高压分区建筑高度,按“水消规”5.2.1.1条,一类高层公共建筑,不应小于36m³,高层住宅不小于18m³。高位消防水箱的有效容积,除应满足规范要求外,项目还应执行地方标准,比如表3中天津周大福中心,设计同时参照天津市消防局有关文件,97层高位水箱容积按照室内消火栓和自动喷水灭火系统2个系统前10min用水量计算,(40+78)L/s×60×10/1 000=70.8(m³),取100m³。

　　 如前所述,建筑高度超过250m的项目,为使其系统承压及管网压力不致过大,一般会按消防系统工作压力不大于2.4MPa,并结合建筑避难层(设备层)设置两级或多级转输系统。中间消防水箱作为消防转输系统的重要组成,其作用是当消防系统给水竖向上超过一定高度而不能一次提升到顶时,在中间的合适位置设置的水箱。它既作为下级转输设备的目标水池,又是上级转输设备的吸水水池。

　　 消防转输系统功能及设置方式不外乎以下4种:

　　 (1)仅设减压水箱,高位消防水池由同区生活水泵供给,该方式需要高位水池必须需储存火灾延续时间内室内消防用水量。但因存在火灾延续时间内重力供水段流量无法控制,难免会发生流量超过系统设计流量,而生活水泵若未按消防供电,则系统存在火灾后期水池缺水的可能。因此,目前采用这种供水方式的仅在250m以下的工程中有实例。

　　 (2)转输水箱与减压水箱分设,由消防转输泵逐级转输至高位消防水池,如表4中天津周大福中心、广州西塔、深圳京基金融中心。

　　 (3)转输水箱与减压水箱合设,由消防转输泵逐级转输至高位消防水池,如表4中天津117一期主塔楼、武汉中心、南京紫峰大厦等。

　　 (4)生活与消防转输水箱合设,由生活、消防合用转输水泵逐级转输至高位消防水池,目前仅上海中心采用了此方式,但其生活水泵供电也是按消防要求配置的。

　　 表4摘录了部分超高层建筑的中间消防水箱容积,包括转输水箱、减压水箱是否分设、设置楼层以及各级水箱容积等参数。

　　 从表4看,目前超过250m以上的超高层建筑,除了采用高位消防水池作为首要供水水源外,均设置了辅助供水措施,不同处在于转输水箱是否与减压水箱分设。

　　 转输、减压水箱分设的高压消防给水系统(见图1),转输系统与高压供水系统严格分离,由消防转输泵逐级转输至高位消防水池。高位消防水池储存不小于50%的室内消防用水量,并通过减压水箱逐级减压向消防供水分区供水,满足消防给水系统水压和流量。

　　 对于这种消防供水系统,转输端由转输水箱水位控制下级转输泵的启动,高压供水段由减压水箱水力控制上级水箱出水,控制逻辑简单,对高压供水系统应是最可靠和稳妥的。问题在于,任何一区的消防供水均由高位消防水池供水,对于“竖向消防水源”来说,只能做到单水源,并且系统需施工全部完成方可投入运营,因此并不适用于有分区建设、运营的项目。

　　 如前所述,转输水箱仅作为上一级水泵的吸水池,并不作为低区供水水箱,理论上,只要满足水箱液位启泵信号到水泵正常运转的自动启动时间2min(“水消规”第11.0.3条)即可。但转输水泵存在高低区联动,而水泵的机械应急启动时间为报警后5min(“水消规”11.0.3条),两级联动水箱的有效容积可按10min计算。对超高层而言,通常室内消火栓流量为40L/s,自动喷水灭火系统如考虑设有中庭等高大净空,一般为35~40L/s,故中间转输水箱的有效储水容积为45~48m³。较之“水消规”6.2.3条规定要小,条文规定“当采用消防水泵转输水箱串联时,转输水箱的有效储水容积不应小于60m³,转输水箱可作为高位消防水箱”则是考虑叠加了转输水箱作为低区高位水箱需要储存的水容积。表4中,天津周大福中心转输水箱容积71m³,就是按照其消防上部供水段用水流量的10 min计算得出;而其余项目,如广州西塔和深圳京基金融中心,则基本遵循规范要求底线,设置60 m³转输水箱。

　　 减压水箱,其作用是释放高位水池势能,防止系统超压,并保持供水水量的延续性。相比用减压阀分区,减压水箱不会产生因系统串压导致的低区超压,因此对系统分区控压来说,采用减压水箱分区更安全可靠。

　　 减压水箱储水容积的确定,目前仅“水消规”中的6.2.5条提到“减压水箱的有效容积不应小于18m³,且宜分成两格”。如果从减压水箱的功能出发,因系统水源为高位消防水池,减压水箱其有效容积仅需保证通过系统流量的延续性,则其水箱有效容积只要考虑上游水箱向本级减压水箱补水控制阀延时开启时间内所泄漏的水量,同时避免下游用水时出现瞬间断流所需水量。从供水安全考虑,一般还是以扑灭初期火灾所需10 min其供水段系统用水量计算。故独立设置的减压水箱有效储水容积不宜小于45~48 m^3[1](与系统和设计流量有关),同转输水箱的有效容积独立设置。

　　 表4所列项目,对于转输水箱与减压水箱分设的系统,除了早期采用高压系统的南京紫峰大厦和武汉中心在设计时采用减压水箱的初衷是取代减压阀,水箱容积为30m³外,其余工程的减压水箱均大于10min供水段系统用水量。

　　 此外,对于寸土寸金的超高层建筑,笔者认为,还可以采用减压水箱直接或经减压阀减压后供水相结合的手段,适当减少减压水箱的设置楼层数,减轻水箱进水管液压浮球阀的承压,但仅限采用一级减压为宜。

　　 转输、减压水箱合并设置的高压消防给水系统(见图2),将此水箱定义为中间消防水箱。对中间消防水箱来说,有2种做法:

　　 第一种,由消防转输泵逐级转输至高位消防水池。高位消防水池已储存最高供水段一次灭火全部水量。在火灾延续时间内,中间消防水箱原则上仅作为减压水箱。当灭火工作结束,水箱仅作为上级转输泵的吸水池,不作为下段供水段的减压水箱使用。这种做法,中间消防水箱的容积可以按上文分析的独立设置转输水箱的容积确定。

　　 第二种,高位消防水池仅储存最高供水段一次灭火全部水量的50%,或是业主在对项目有分段建设分期运营的要求。在火灾延续时间内,中间消防水箱不仅作为下段供水段的减压水箱,同时还需作为上级转输泵的吸水池,消防转输泵需与水箱液位联动控制。此时中间水箱容积的确定需综合水箱液位设置、火灾延续时间内重力供水管供水能力、转输泵联动控制方式等权衡考虑。其中,对于中间水箱的液位是优先启动转输泵,如上海中心,还是优先使用上级中间水箱或是高位消防水池向下级水箱供水,如天津117一期主塔楼、武汉绿地中心。目前通常做法是在考虑消防转输水泵流量、转输泵供水管较大、水箱长宽高比等造成水箱液位波动,而对液位控制器的影响,按15~30min消防转输水泵流量设计,但不小于“水消规”规定的60m³。

　　 关于合并中间转输水箱控制对水箱容积的影响,我们将另行专篇讨论。

　　 超高层公共建筑,因其功能复杂,各具特色,目前尚无详尽的消防规范参照,所以消防系统设计难度大。需要根据具体的项目特点,严格按照国家消防规范,并征询当地消防主管部门意见,合理设置消防系统。各级消防水池(箱)有效容积的确定,受市政供水条件、高位水池高压消防系统火灾延续时间内重力供水管流量不确定性、业主分期运营需求以及高低区消防系统总流量差异等因素影响,需要统筹考虑。

　　 本文汇总了部分已经建成或者在建建筑高度超过250m的超高层建筑在高压消防给水系统设计中对各级消防水池(箱)容积的分析,供同行探讨。

　　 文中所列举项目的设计数据为参考已发表的会议或专业期刊论文所得,若与实际工程建造最终情况不符,敬请见谅。所述不当之处也请批评指正。