“破解大之难———国家会展中心(上海)给排水系统设计难点与对策总述”一文分析了国家会展中心(上海)(以下简称国展中心)给水排水设计的难点及其破解之道。对于水消防系统的设计,同样是难在其大。国展中心占地面积85.6hm²,建筑面积147万m²,建筑限高43 m,它是一个集展厅、办公、商业、酒店、地铁站出入口等多种功能为一体的综合体,各个功能分区清晰、相对独立,又通过内部交通体系紧密相连,使得整个项目成为一个以会展为核心的综合体单体建筑,其独特的造型、各种为适应展览之需形成的超大空间,使其本身成为一个汇集了各类消防技术的展示场。

　　 图1为建筑功能分区示意。8个大展厅中,1H-3H为单层展厅,5H-8H为双层展厅,双层展厅上层可通过两侧汽车坡道直接到达,在16m标高层环形连通整个上层展厅,且可通行消防车;东西两侧的EH和WH,是标高16m的架空展厅,两侧分别与大展厅车道相接;NH是与2H、3H两个单层大展厅相连的单层小展厅;大展厅的外侧分别是3栋办公楼和1个酒店;展厅包围的内侧中心部位是商业,其中包含中心圆楼和8个钻石楼,圆楼中心地下部位有运营中的地铁2号线徐泾东站,东侧是地铁隧道区间段,西侧则有站厅层和各出入口;地块南侧是大型地下车库。

　　 国展中心消防设计的首要之难,在于确定设计依据。设计团队与消防主管部门沟通后明确:由于±0.00m和16.00m层均作为消防车通行车道,因而将16.00m层(双层展厅的上层)视为地面层,引入了“多首层”的概念,对于单层展厅和双层展厅防火设计均参照《建筑设计防火规范》(GB 50016—2006,以下简称“原建规”)执行,其他功能区域如办公、商业、辅助用房等,则按照《高层民用建筑设计防火规范》(GB50045-95,2005年版,以下简称“原高规”)执行。

　　 展厅部分以“原建规”为依据,仍存在超过规定的防火分区面积等问题,因此将由消防性能化设计对消防安全策略进行分析评估,其主要评估内容为:防火分区及分隔划分、烟气控制、人员安全疏散、消防设施等,主要手段为针对设计火灾场景,进行CFD(计算流体力学)模型分析、人员安全分析和钢结构专项防火保护分析。

　　 消防性能化设计是近年来许多超规范建筑进行个性化消防设计的选择,它建立在针对超规范区域的设计火灾场景基础上,分析、评估并确认:通过各专业手段的结合、配合与综合,可以达到保障人员和建筑物安全的目的。从本项目分析评估的内容可以看出,水消防系统并非其主要研究对象,性能化设计对水专业的作用更多是明确了设计基础条件,如钢结构经防火处理后可以不用水消防系统保护、大空间防火分区方式的明确等。

　　 消防性能化设计过程中,需要不断与建筑设计单位及消防主管部门沟通,明确整体防火设计思路,根据上述基础设计条件,水消防系统设计方可以现行的相关专业规范、地方标准为依据,进行后续设计。

　　 解决了设计依据之难,接下来要面对的是消防泵房规划之难。因为项目面积之大,按常规项目的经验设置一个消防泵房和消防水池供给所有区域和部位,无法满足整个项目的消防要求,既不经济也不合理。而消防泵房因部分大水量系统需要设消防水池,其占用的大面积机房对建筑设计有至关重要的影响。因此消防泵房的规划是项目设计之初迫切需要破解的难点。需要重点考虑以下因素。

　　 泵房的分布,应考虑到建筑设计特点。从表1可见,办公楼、酒店、商业楼、地下车库等,都设计有地下室,便于布置泵房;而展厅部分,是整个项目中的最核心最重要的功能,却没有地下室,大面积的展厅高大开阔,周边的辅楼则非常紧凑。由此确定,泵房设于有地下室的功能区,而没有地下室且缺少设备用房的展厅部分,则不布置消防泵房。

　　 位于整个建筑周边的3个办公楼和1个酒店分设消防泵房负责各自的系统显然是合适的,而供展厅消防系统的泵房设置位置则是整个泵房规划的核心问题。从表1可见,1~8号大展厅及其辅助用房的总面积达72万多m²,如将这些展厅合用一组消防系统,不符合《民用建筑水灭火系统设计规程》(DGJ 08-94-2007)5.2.3条“民用建筑的消防用水量应按同一时间内一次火灾次数设计。其消防用水量应按最大一座建筑物的消防用水量计算。但公共建筑物、联体建筑群共用一套消防给水系统时,其保护的建筑总面积不应大于500 000m²。”的规定。由此确定,展厅部分消防系统将至少设2套消防给水系统。

　　 本项目一大特点是有一条已经运营多年的地铁2号线横贯地块中部,而其终点站徐泾东站则恰好位于整个地块的中心处。由于地铁的分隔,造成中部商业圆楼的地下室分为互不连通的南北两块,而地面以上的部分,仍可基本贯通。因此泵房设置的另一个原则是以地铁为界,南北两块分别设置。

　　 本项目周边的四条道路市政自来水供给条件较好,共有3路DN500和1路DN300的自来水管,且在区域内成环,其水量可以满足地面室外消火栓和除展厅外的其他常规区域的消防系统直接吸水。而对于展厅区域的自动水消防系统,包括展厅喷淋系统、水炮系统、大空间洒水系统等大水量系统,则需要设计相应的消防水池来储存市政给水的不足部分。

　　 除此以外,在选泵过程中,为使水泵选择经济合理,需要各被保护区域的消防管道水头损失基本相等,因此泵房需要在其所保护范围的中部,才能使得给水管路能最大程度得到平衡。建筑设计中,中心圆楼外的环形通道,为消防管线由中心向四周放射状供水、使每个展厅管路基本平衡创造了有利条件。

　　 综合考虑泵房的设置为6个,见图2,6个消防泵房———A0,B0,C0,D0和E1,G地下室,保护区域如图示;2个消防水池———E1地下室地铁北侧940m³;G区地下室540m³;6个屋顶消防水箱———A0,B0,C0,D0屋顶各18 m³;E1屋顶南北两侧各36m³;展厅部分单独的水泵和系统,与商业、车库完全分开。

　　 3个办公和1个酒店分别单独设一个地下消防泵房,负责相应单体;在圆楼地下室南北分别设置一个地下消防泵房,其中北侧消防泵房内,分设2组消防系统,其中一组是E区商业部分的消防系统,从市政给水管道直接吸水,另一组是1~4号展厅和3个小展厅的消防系统,从消防水池内吸水;南侧消防泵房内,也设2组消防系统,其中一组是5~8号展厅的消防系统,从消防水池内吸水,另一组是地下车库消防系统,从市政给水管道直接吸水。

　　 项目设计过程中,由于业主的需求调整,在南侧地下室区域设置了更多的商业内容,故要求把消防泵房移出南侧地下室。最终,南侧消防泵房被调整移至地下车库距离6号展厅较近的位置。

　　 各种不同尺度展厅和其他功能区域所应采用的室内外水消防系统种类及其设计参数,是水消防设计的又一难点,也是设计过程中需要尽早明确的内容,这是后续系统设计、设备选择、管路安排的基础。国展中心项目设计在新的《消防给水及消火栓系统技术规范》发布前2年多已经开始,其水消防设计需具有一定的前瞻性,使系统设计更合理,在符合当时规范的基础上,更接近于新规范的要求。除不宜用水灭火的区域(如电气类机房)采用气体灭火系统外,其余部位要求做到自动水灭火系统、室内外消火栓系统的全覆盖,对超大空间的展馆而言,是项目设计中的最难点。

　　 国展中心项目各种空间尺度的功能区,需要采用不同的自动消防水灭火系统及设计参数。除常规空间的常规系统外,几个特殊空间中,凡净高不超过18m的都在自动喷水灭火系统可以保护的范围内,均采用(扩大作用面积、喷水强度的)自动喷水灭火系统;对于净高超过18m而不超过25m的空间,选用了大空间自动水灭火装置中的洒水器系统(简称大空间洒水系统);对于净高超过25m的空间,自动消防炮灭火系统则是唯一的选择。各区域的自动水消防系统及其设计参数列于表2。对于其中单层展厅所采用的消防炮系统和双层展厅上层所采用的大空间洒水系统,将由本专栏后续文章详细介绍其设计情况,本文不再赘述。

　　 考虑到展厅的净空高度较高,对消火栓的充实水柱进行了适当增加(见图3)。按水枪喷水仰角45°计算,当净空高度为12 m时,所需的充实水柱为: 。考虑设计充实水柱为16m。

　　 由于充实水柱的增加,消火栓在超大空间内所能保护的水平距离也有所增加(见图3),计算为:水带长度25m-落地高度1m-折减长度 。

　　 国展中心每个单元的展厅跨距大(108 m),如仅在展厅两边靠墙布设室内消火栓,无法保护到展厅中部区域,设计根据《展览建筑设计规范》7.1.12条规定,增加通道上的埋地式消火栓,以保证任意部位有两股消火栓充实水柱可以保护到。图4中间为均布的埋地式消火栓,管道从一侧展览主沟内的消火栓环管上沿展览支沟接出,支管起端设检修阀,消火栓间距为18m。在这条通道上,不设计展览工艺用水用电点位,不得布置展览摊位,保证埋地式消火栓标志明显,易于取用。

　　 埋地式消火栓大小为1m×1m×1m,内部配置与普通消火栓箱相同,但不配置灭火器,平面如图5。

　　 室外消火栓系统,按“原建规”的设计参数,设计流量为30L/s,考虑单体总建筑面积达147万m²,同时火灾次数按2次计算,设计流量达60L/s。室外消防环网由8路DN300的市政水源供水,围绕园区形成了DN500和DN300组成的大环网,再在每座功能相对独立的建筑周围用DN300管道连成小环网。当有任意2路进水管或园区内任意有局部的管段损坏时,仍可保证设计流量。这与设计完成后实施的《消防给水和消火栓系统技术规范》(GB50974-2014)中所规定的,当单座建筑的总面积大于50万m²时,建筑物室外消火栓设计流量加倍的条款对比,结果是基本吻合的。

　　 室外消火栓设计的另一个难点是,由于园区占地面积巨大,室外消火栓数量多,共计102个,每一个消火栓都要从大小环网上接出。原设计多采用逐个消火栓从环网上接出支管的方式,造成支管管线偏长,不够安全。后经优化,取消这些小环上接出的支管,改为就近2~5个消火栓连接后,两端与小环相连,形成了环环相扣的接管方式,尽量减少每个消火栓支管的长度。

　　 由于16m层设置了环形高架车道,因此消防主管部门认可将其等同于地面层,而将双层展厅上层以“原建规”为设计依据。相应的,水消防设计需要将16m层环形消防车道和普通的室外地面一样,布置相应的室外消火栓系统。

　　 根据专家评审会意见,考虑到现有消防车供水能力高,双层展厅上层发生火灾后消防车扑救面大,因此将高架车道室外消火栓的消防水量增加到60L/s。由于市政水压无法直接使16 m高处满足最不利情况下0.1 MPa水压,因此设计考虑在中心圆楼地下室消防泵房内设置3台室外消火栓加压泵,并设稳压泵和稳压罐稳压,使高架车道消火栓栓口压力不小于0.1 MPa。

　　 消防系统的控制设计原本是电气专业的工作,其工作主要是实现对系统的控制;而电气专业的设计前提是给排水专业准确地提出控制要求。常规的水消防系统,其各种控制要求都有成熟的规范做法,电气专业有经验的设计师无需特别的说明都会做,而本项目因其大带来了许多复杂情况,需要水专业想清楚在各种情况下怎样进行控制,提出明确的要求,电气工程师才能最后去实现。

　　 本项目各种不同空间采用的消防系统种类很多,不同区域可能合用同一供水系统;而同一区域的不同空间,采用不同的灭火装置,也可能合用同一供水系统。不同的自动水灭火装置,其工作原理不同,控制方式也就不同。有些是需要设计单位的电气专业配合设计,而有些则是由产品厂家配套带来并配合设计。在设计阶段、招标阶段,需要给排水专业务必分清工作界面,提供相应的资料,以保证控制系统不漏项,不重复。

　　 在本专栏的后两篇文章中,将分别介绍超高单层展厅自动水消防系统和双层展厅的大空间洒水系统,文中系统的控制方式也是重点介绍的内容。

　　 要破解超大型展览建筑消防系统的大之难,首先要在设计开始阶段与建筑、结构及其他设备专业一起,共同将突破规范规定部分的内容进行梳理,通过性能化分析和各种试验、测试相结合的方式,使每一个空间、每一种系统都处于有规可依的条件下。其次,要规划好消防泵房的分布及各泵房的保护范围,为后续阶段的设计奠定基础。第三,要确定每个展览空间所采用的自动水消防系统的类型及设计参数,同时确定共用系统的空间及其控制方式。

　　 以上难点解决之后,整个水消防系统设计已经化大为小、化繁为简、化整为零,在设计周期极为紧迫的情况下,方便任务分解和各标段的无缝对接,做到水消防系统保护无盲点、控制系统无盲点。水消防系统与其他专业各种技术措施,共同形成大型展览建筑的安全屏障。