某高校校区 (教学区及学生生活区) 于2002年动工建设, 规划总用地面积为162.1hm², 规划总建筑面积为97.58hm², 近期在校生规模约20 000人, 远期规划为30 000人。校区统一规划, 分期建设。校区内建筑呈组团化布局, 存在教学楼或科研楼通过连廊形成互相连通的大体量组合体。校区功能齐全, 配套设施完善, 校区规划示意如图1所示。

　　 根据校区原规划, 校区同一时间内火灾次数按1起计, 室外消火栓系统和市政生活给水管网为一个系统, 室外消火栓按不大于120m的间距布置于室外生活给水环网。校区室内消火栓给水系统与自动喷水灭火系统采用区域联合集中的消防给水系统, 消防水池、泵房集中修建于一期的学生活动中心内, 消防水池容积250 m³;高位消防水箱布置在一期学生宿舍屋顶, 消防水箱容积为9m³。

　　 因校区分期建设, 一期建设项目仅商业街设置自动喷水灭火系统, 且根据当地消防主管部门的意见, 室内消火栓系统与自动喷水灭火系统分设增压泵, 故校区集中消防给水系统仅为室内消火栓给水系统, 本文所述的集中消防给水系统均指集中的室内消火栓给水系统。

　　 原校区集中消防给水管道沿校区主管道与生活给水管道并排敷设, 与校区路网同步建成, 消防给水主管管径DN150, 管线长度近7km, 管材采用球墨铸铁管。

　　 校区集中消防给水系统自投入使用以来, 问题不断, 严重影响正常运行, 主要存在以下问题。

　　 根据校区物业公司提交报告, 校区十余栋单体建筑室内消火栓系统呈无水、缺水状态;其余单体建筑室内消火栓系统压力均不能满足消防压力的要求, 消防给水系统存在严重的消防隐患。

　　 经现场调研分析, 导致管网漏损的主要原因如下: (1) 校区建设初期工程量大, 工期紧, 回填区较多, 管线施工不当, 造成管线不均匀沉降, 管线接口处松动导致渗漏。 (2) 未按要求设置管线支墩, 消防给水管网压力长期维持在0.7 MPa左右, 缺乏管线支墩的支撑, 极易导致管线接口处松动而漏水。 (3) 校区消防给水管网多直埋于绿化带下, 绿化施工时缺乏保护措施, 对管线造成直接损伤。

　　 管网漏损主要有以下几方面影响: (1) 降低消防给水管网供水压力, 不能满足火灾时室内消火栓系统水量、水压的要求; (2) 浪费水资源, 增加学校水费支出; (3) 漏损处导致消防给水管网水质污染, 影响校区消防给水管网水质。

　　 近年来, 消防设计相关规范发生了较大的调整, 原《建筑设计防火规范》 (GB 50016-2006) 与原《高层民用建筑设计防火规范》 (GB 50045-97, 2005年) 整合修订为新版《建筑设计防火规范》 (GB50016-2014, 以下简称“建规”) , 同时又制定了《消防给水及消火栓系统技术规范》 (GB 50974-2014, 以下简称“消水规”) 指导工程水消防系统设计。在本工程中, 原消防给水设计参数与现行规范的冲突主要体现在以下3方面。

　　 (1) 建筑室内消火栓水量取值偏低。原校区规划中室内消火栓水量取值为20L/s, 根据“消水规”^[1]表3.5.2关于“建筑物室内消火栓设计流量”的规定, 现校区大部分建筑的室内消火栓用水量均大于该值, 部分建筑室内消火栓用水量为为40L/s。

　　 (2) 高位消防水箱容积偏小。根据“消水规”5.2.1条规定, 临时高压消防给水系统的高位消防水箱的有效容积应满足初期火灾消防用水量的要求, 并符合“ (1) 一类高层公共建筑, 不应小于36m³; (2) 多层公共建筑、二类高层公共建筑, 不应小于18m³”。原消防水箱容积为9 m³, 已不满足上述要求。

　　 (3) 消防供水压力偏低。原校区室内消火栓给水泵扬程H=75m, 因校区消防给水管网输水管线较长, 水头损失较大;校内地形高差较大, 原消防泵房地势较低;根据“消水规”7.4.12条与10.1.7条的相关规定, 消火栓给水系统的设计压力值较原规范要求有所提高。原消防供水扬程已不能满足部分单体建筑室内消火栓系统消防水压的要求。

　　 校区各建筑室内消火栓系统共用一套集中消防给水系统, 随着校区规模逐年扩大, 校区消防水系统也相应扩容, 消火栓控制点位多且分散, 消防联动控制信号到消防控制中心和消防泵房路途长, 信号衰减严重, 导致校区消防联动系统无法正常工作, 存在大量室内消火栓报警启泵按钮不能正常报警启泵。

　　 火灾次数的确定是计算校区消防用水量及划分消防给水范围的前提。现行规范对于高校校区同一时间内的火灾次数没有做出明确规定, 根据“消水规”3.2.2条的规定:“城镇室外消防给水设计流量, 应按同一时间内的火灾次数和一起火灾灭火设计流量经计算确定, 同一时间内的火灾次数在居住人口数量小于2.5万人时, 不应小于1起, 大于2.5万人时, 火灾次数不应小于2起”。考虑到学校远期在校生规模为30 000人, 校区火灾次数可按2起计。

　　 “消水规”6.1.11条, 对建筑群共用临时高压给水系统从保护半径、占地面积、最大保护建筑面积、建筑的产权归属及物业管理等方面做出了相应的规定, 结合保护半径及最大保护建筑面积的要求, 校区建筑应采用2套及以上的临时高压消防给水系统。

　　 校区内集中消防给水系统与独立消防给水系统 (部分单体建筑) 并存。集中消防给水系统的室外消防环网随道路、管网等基础设施的建设在校区一期工程中已全部建成, 在规划组团内均预留有2路消防给水接口。

　　 但在随后的校区建设中, 部分单体建筑新建了独立的消防给水系统。原因如下:一是规划调整, 多层建筑调整为高层建筑, 需新建独立的消防给水系统;二是消防设计的相关规范调整, 对消防水量、消防水压及消防控制提出了更高的要求, 消防主管部门要求修建独立的消防给水系统。上述独立的消防给水系统, 均配套有相应的消防水池、高位消防水箱及消防泵房。

　　 (1) 校区消防给水管网由大变小, 1变3。本着安全可靠、经济合理、管理方便的原则, 统筹整合现有消防给水系统, 充分利用已建成的独立消防给水系统, 在校区形成北区、东区、西区共3套集中消防给水系统, 如图2所示。

　　 北区集中消防给水系统的消防水池、泵房利用原一期活动中心的消防水池、泵房进行整改, 更换消防给水泵, 增大消防水池容积 (调整为500 m³) , 原高位消防水箱有效容积增至18 m³, 新增屋顶消防增压稳压设施1套。

　　 东区集中消防给水系统利用图书馆 (-2F/12F, 建筑高度为58.35m) 的独立消防给水系统, 其消防水池有效容积864 m³, 屋顶水箱有效容积18m³ (调整为36m³) , 其室内消火栓给水泵经减压阀组减压后设2路供水管供给东区消防给水管网。

　　 西区集中消防给水系统利用理科楼 (-2F/7F, 建筑高度为31.5 m) 的独立消防给水系统, 其消防水池有效容积150m³ (分成2格) , 人工湖兼做消防水池有效容积≥3 000 m³ (项目所在地属冬季不结冰地区) , 屋顶水箱有效容积18 m³, 其室内消火栓给水泵设2路供水管供给西区消防给水管网。

　　 (2) 集中消防给水系统间既相互独立, 又有机联系。在满足校区现有及规划建筑的消防水量及水压的前提下, 对3套临时高压消防给水系统的消防给水泵的出口压力及初期消防的稳压值通过供水管上的减压阀组进行调节, 使其相差不大。

　　 按照多水源的供水条件对3套集中消防给水系统构成的消防给水大环网进行平差计算, 算出其供水最不利点及水压分界线, 以分界线作为划分3套集中消防给水系统供水范围的边界。

　　 为提高消防供水的可靠性, 3套集中消防给水系统在边界处利用已敷设的DN150消防给水管相互连接, 连接处设电动控制阀门, 平时常闭。由于各个区域消防给水系统之间的设计参数相差不大, 相邻区域失火后, 阀门可立刻打开, 以实现校区内多个区域消防系统之间的水池、水箱的共用, 使整个校区的消防给水环网形成一个有机整体。这种消防给水系统设计方式使各区域消防给水系统之间既互联互通, 又相对独立, 大大提高了整个校区消防给水系统的可靠性^[2]。同时也解决了实际工程中同一个区域火灾扑灭消防人员返回后, 再次发生火灾时, 屋顶水箱的水未及时得到补充, 火灾初期的灭火用水无保障的问题。

　　 本次消防给水管网维修改造时为寻找漏损管段, 分区分段对现有埋地室外消防给水管网进行打压测试, 对漏损管段进行分区分段替换, 耗时耗力。为后续管理维护时能快速发现并及时修复管网漏点, 降低管网漏损率, 将DMA分区计量管理系统引入校区消防管网改造中。

　　 DMA分区计量管理是近年来国内外管网漏损控制尤其是真实漏损控制中广受青睐的方法之一。DMA (即独立计量区域) 是指通过截断管段或关闭管段上阀门的方法, 将管网分为若干个相对独立的封闭区域, 并在每个区域的进水管和出水管上安装流量计, 从而实现对各个区域入流量与出流量的监测, 通过流量分析来评估管网漏损水平^[3]。相比以往的管网被动检漏, DMA分区管理具有以下优势^[4]: (1) 为区域内的供水管网改造和计量器具维护更新等提供参考。 (2) 积极主动地实施检漏管理, 进而对漏点进行精确定位, 便于快速修复, 减少水量损失。 (3) 有助于管理部门及时发现爆管、漏失等事故问题。 (4) 有针对性地进行压力管理提升供水服务水平, 同时通过控制一个或是一组DMA的水压, 使管网在最优的压力状态下运行。

　　 近年来, 将DMA分区计量管理运用于城镇供水管网的漏损控制取得了不错的成效^[4~6], 基于此, 本次设计尝试将其引入校区消防给水管网漏损控制。

　　 依据校区现有消防供水管网现状, 将校区分成3个独立DMA管理区域。每个区域的DMA流量计安装位置如下:在消防给水泵供水管出口设置DMA超声波专用水表, 监测消防泵出水的流量及压力变化;在组团或单体建筑的室内消火栓给水引入管处设置DMA超声波专用水表, 监测组团或单体建筑消防管网的流量及压力变化, 分析组团或单体建筑消防给水管网漏损情况。在室外消防给水管网的主要节点布置DMA管段式专用流量计, 双向监测室外消防管网的流量及压力变化, 分析室外消防给水管网漏损情况。上述DMA超声波专用水表、DMA管段式专用流量计均采用超声波原理进行流量计量, 计量精度为0.5级, 正反流量分别存储;含压力模块, 并附带采用时间戳 (精确到ms) ;常规采样:2min/次, 动态漏损分析采样:2s/次;数据传输采用3G/GPRS模块, 带高精度时钟, 时钟校时误差小于5ms, 每天或每次分析采样前做一次时钟同步。得益于高精度、大数据的流量、压力数据, 可实时监控校区消防管网流量、压力变化, 快速查找漏损管段。

　　 日常维护管理中, 为便于消防控制中心对消防给水系统的监控, 应设置DMA消防给水系统漏损预警值, 该预警值应大于系统正常泄漏量且小于屋顶消防水箱流量开关的自动启泵流量。在室内消火栓系统的使用过程中正常泄漏量与系统使用时间的长短、维护状况的优劣、系统内压力的变化、管网规模的大小、管道的材质与接口形式等因素有关, 其值较难计算。为了能够确定与之相关的消防系统稳压泵的流量, “消水规”给出了系统正常泄漏量上、下限的计算方法, “宜按消防给水设计流量的1%~3%计, 且不宜小于1L/s”, 按最大室内消火栓设计流量40L/s, 管网泄漏量按3%计, 为1.2L/s。即管网的正常泄漏量为1.0~1.2L/s。“消水规”实施指南^[7]建议用1.0~3.5L/s作为高位消防水箱配置稳压泵的消火栓给水系统的自动启动流量值。

　　 基于此, 笔者建议校区DMA管网漏损预警值取值应在1.0~3.5L/s较为合理, 具体取值需结合室内消火栓系统流量开关的设定值以及系统正常最大泄漏量来确定。本设计中流量开关的设定值取3L/s, 系统最大泄漏量为1.2L/s, DMA管网漏损预警值取1.5L/s。

　　 根据DMA漏损预警值以及DMA流量计采集的流量压力数据可以及时判断消防管网是否存在新增漏损, 并根据漏损量从大到小排出检漏工作顺序, 再辅助利用其他检漏方法即可快速定位校区消防管网的漏损管段。

　　 原有规范要求临时高压给水系统消火栓系统必须在消火栓处设消防启泵按钮, 这种设计方式可能会出现相关人员未来得及启用水枪灭火, 消防水泵已经启动, 从而造成管网压力剧增, 产生严重的超压现象。最新消防规范规定消火栓按钮不宜作为直接启动消防水泵的开关, 但可作为发出报警信号的开关。“消水规”11.0.4条规定, 消防水泵应由消防水泵出水干管上设置的压力开关、高位消防水箱出水管上的流量开关, 或报警阀压力开关等开关信号直接自动启动消防水泵。

　　 按照现行规定, 对原消防泵房、水箱的相关管道、阀门及附件做相应的调整。同时原室内消火栓箱处的按钮均调整为报警按钮, 原单体建筑的报警系统亦相应调整。

　　 本项目共设3处水池泵房, 相应设置3处区域消防水泵房控制室, 各建筑单体分设单体消防控制室。对上述控制室提出如下控制要求。

　　 (1) 各单体消防控制室应各自独立, 互不干扰, 并实现启动相应消防水泵的功能。

　　 (2) 单体消防控制室及区域消防水泵房控制室设置的消防联动控制设备 (硬线直启设备) 负责各建筑消防系统联动。该装置应与消防报警控制主机通信, 用于记录及显示手动直启控制的操作。

　　 (3) 区域消防水泵房控制室设置消防报警控制主机, 并与各单体消防控制室报警控制主机进行联网通讯, 并设置网络图形显示装置, 实现对校区消防报警及联动系统的总体监控, 能显示与区域消防水泵房有关的信息。

　　 (4) 各单体消防水泵巡检功能一方面由单体消防控制室手动实现, 另一方面由区域消防水泵房发出联动巡检指令, 实现自动联动巡检;区域消防水泵房消防水泵的巡检功能应由区域消防水泵房控制室实现。

　　 (1) 新校区在进行区域消防给水系统设计时, 系统数量的确定, 除了参考校区同一时间内火灾次数外, 还要综合考虑区域消防给水系统的服务规模。

　　 (2) 多个区域消防系统给水系统能否连在一起工作, 需要结合工程实际具体分析。若各区域消防给水系统之间设计参数相差较大, 相互连通后可能出现整个系统局部超压, 反而影响整个消防系统运行的可靠性。故在划分消防给水区域时, 要进行合理规划。

　　 (3) 校区DMA分区明确后, 须建立供水区域水力模型, 对系统流量和压力进行校核, 以确保校区消防系统压力、流量满足规范要求。