贵阳市南明区制药厂为医药科技园区厂房、仓储及配套办公用房,总建筑面积为62 045m²。该工程含1栋办公楼、5栋厂房及7栋仓库,均为多层建筑,最大建筑高度为13.4 m,厂房与仓库的火灾危险性等级均为丙级。

　　 本工程自动喷水灭火系统(以下简称自喷系统)危险等级如下:

　　 办公楼为轻危险级,喷水强度为4L/(min·m²),作用面积为160m²。

　　 丙级厂房为中危险级Ⅱ级,喷水强度为8L/(min·m²),作用面积为160m²。

　　 丙级仓库层高4.2 m,按设置单、双排货架考虑,储物高度按3.0~3.5m考虑,则危险等级为仓库危险级Ⅱ级,喷水强度为12L/(min·m²),作用面积为240m²。

　　 本工程的系统设计流量按仓库危险级Ⅱ级计算,先通过作用面积法估算,则系统设计流量为:Q=240×12/60=48(L/s)。

　　 由于不均匀系数可选1.15~1.30,所以系统流量在55.2~62.4L/s。同常规的民用建筑相比,仓库由于危险级别很高,系统流量的基数较大,在选用不同的不均匀系数时,系统设计流量的变化幅度较大。如果仅仅采用作用面积法来估算系统的设计流量,很难说是否能达到仓库危险级Ⅱ级所需要的设计工况。下文通过特性系数法相对精确地计算本工程的自喷系统设计流量。

　　 若按常规设计选择仓库的自喷干管管径为DN150,流速达到了3.5m/s,水力坡降达到了0.15m/m,太不节能。综合考虑经济合理性,笔者选用了DN200的干管管径,此时流速约2 m/s,水力坡降约0.034m/m。同样,将各支管的流速也控制在2m/s以内,支管管径相应增大,最小管径选为DN40。

　　 需要注意的是,仓库内喷水强度为12L/(min·m²),按《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50015-2011,2005年版,以下简称“喷规”)7.1.2条规定,喷头的流量系数应>80,本工程选用115。

　　 按“喷规”7.1.2条规定,喷水强度≥12L/(min·m²),正方形布置时边长最大为3m,矩形布置时长边边长最大为3.6m,则对应的短边边长最大为:

　　 而喷头的最小间距不宜小于2.4 m,那么实际上矩形布置时长边边长最大应为:

　　 本工程仓库内不设吊顶,喷头在布置时要考虑结构梁的影响,结构梁为“井”字梁布置,结构柱的跨距及主、次梁的资料(按最不利情况)如图1所示。

　　 先按照“井”字梁的典型方式布置喷头,在每个次梁隔断中心位置布置一个喷头,如图2所示。

　　 此时喷头离梁边最近的水平净距为1 100mm,根据“喷规”表7.2.1中喷头与梁的距离及喷头溅水盘与梁底面的垂直距离的要求,在喷头安装时,主梁两边的喷头溅水盘距离顶板的间距应为430mm,如图3所示,这样便可满足“喷规”7.1.3.2条“当在梁间布置喷头时,应符合本规范7.2.1条的规定。确有困难时,溅水盘与顶板的距离不应大于550mm”的要求。

　　 选择作用面积的长边长度不应小于作用面积平方根的1.2倍,如图2中所示,本文选择了最不利作用面的尺寸为18.8m×12.8m。

　　 接下来用特性系数法对最不利作用面进行水力计算,为方便计算过程,采用天正给排水绘图软件自带的计算软件来计算,计算结果见图4。

　　 由图4可以看出,当选择喷头的特性系统为115,最不利喷头压力为5m时,240m²的作用面积内的设计流量为54.8L/s,同前面作用面积法估算出来的设计流量的最小值接近。

　　 根据图2所示,最不利4个喷头为1、2、14、15,再根据图4查出它们的工作压力分别为5m、5.34m、5.39m、5.76m。

　　 这4个喷头围合范围内的平均喷水强度为:

　　 不满足“喷规”9.1.4条的要求。

　　 那么只能把最不利喷头的工作压力增大到6m,再进行水力计算后得出:设计流量为60.05L/s,平均喷水强度为15L/(min·m²),最不利作用面入口压力为10.2m。此时最不利4个喷头1、2、14、15对应的工作压力分别为6m、6.41m、6.46m、6.90m,这4个喷头围合范围内的平均喷水强度为:

　　 此时喷水强度满足“喷规”要求,而计算出的设计流量为60.05L/s,需要注意的是天正给排水软件没有考虑DN200的管件对应的计算当量,所以设计流量选用60L/s是不够的。

　　 那么方案一的设计参数为:设计流量取70L/s,最不利作用面入口压力取1.3×10.2m=13.3m,最不利喷头工作压力取6m。

　　 为了建设方订货方便,又考虑到泵房内布置的合理性,一般同一个工程中各系统消防水泵在选择时的参数不要相差太大,本工程室内消火栓用水量为25L/s,方案一最后选用的设计流量为70L/s,那么自喷系统加压泵的选择采用2用1备的方式比较合理,每台泵的额定流量应为35L/s。笔者查阅标准图集及厂家样本后发现,只有少部分厂家生产35L/s的消防泵,对于这样的工况,按笔者的习惯会选用40L/s的卧式消防泵,2用1备。

　　 这样自喷系统的最大流量达到了80L/s,大大超过了前文用两种方法算出来的设计流量。下面寻求一种更优化的设计工况,希望能将自喷系统的设计流量控制在60L/s以内。

　　 先调整喷头的布置方式,由于在梁间布置的喷头,溅水盘距离顶板不能超过550mm,如图5所示,按“喷规”表7.2.1的要求,喷头在布置时离主梁边的极限距离不应小于600mm;离次梁边的间距可以小于300 mm,在布置喷头时控制在150mm以上。

　　 保持最不利作用面短边方向的喷头布置间距不变,适当增大长边方向的喷头布置间距,短边方向喷头的最大间距为2.7m,那么长边方向喷头的最大间距为:

　　 结合以上喷头离主次梁最小间距的原则,调整喷头布置如图6所示。

　　 再次利用天正给排水绘图软件对最不利作用面进行水力计算,计算结果见图7。

　　 由图7可以看出,当选择喷头的特性系统为115,最不利喷头压力为7m时,240m²的作用面积内的设计流量为54.76L/s,距离60L/s还有一定的富余量。

　　 同方案一一样,再核实最不利4个喷头(1、2、13、14)围合范围内的平均喷水强度为:

　　 满足规范要求。

　　 方案二的设计参数为:设计流量取60L/s,最不利作用面入口压力取1.3×11.1m=14.4m,最不利喷头工作压力取7m。

　　 通过对两种方案的综合比较,最终采用了方案二的喷头布置方式及设计参数,自喷加压泵选用30L/s的卧式消防泵,2用1备。

　　 (1)自动喷水灭火系统的设计流量(Q)同喷头的布置间距(D)、最不利喷头的工作压力(P)、喷头的流量系数(K)、系统的管径(DN)均有关联,所以流量Q是受这4个因素所影响的函数,如式[1] 所示:

　　 系统设计流量为最不利作用面内所有喷头实际流量之和,而作用面积内的喷头数量由喷头的布置间距决定,所以可将喷头数量(n)代替喷头布置间距(D),做为影响系统设计流量的因素。

　　 管径(DN)的大小影响了流速,从而影响了水头损失,进一步影响到每个喷头处的节点流量,这个影响因素较为复杂,这里采用一个修正系数来代替。

　　 那么系统设计流量(Q)的函数就简化为式[2] :

　　 笔者通过多次变换各参数选择后得出符合本工程的设计流量简化计算公式:

　　 式中Q———系统设计流量,L/min;

　　 K———喷头流量系数,取115;

　　 n———最不利作用面积内喷头数量;

　　 P———最不利点喷头工作压力,MPa;

　　 1.139———修正系统。

　　 通过式[3] 可以看出,修正系数1.139含义可等同于作用面积法估算时的不均匀系数,本工程的修正系数比常规作用面积法估算时的下限值1.15还略小,达到了系统优化设计的目的。

　　 (2)需要注意,严重危险级和仓库危险级最不利作用面积内任意4只喷头围合范围内的平均喷水强度不应低于对应级别的喷水强度,这比轻、中危险级的要求要高,在设计流量选择没有很大富余量的情况下,应去仔细复核这一点。

　　 (3)本工程由于刻意加大了自喷系统的管径,最不利作用面所需的入口压力经计算不到15m,这比常规的民用建筑(中危险级)的数值(笔者一般按25m考虑)小很多,计算水泵扬程时应注意。

　　 (4)仓库内喷头的布置除了考虑结构梁的影响,还应考虑货架的布置方式,所以本工程的喷头布置方式不能完全适用于其他工程,同样,系统设计流量60L/s也不能在其他类似的丙类仓库内通用。设计人员应根据工程的具体情况,选择适合自身工程的设计参数。