自动化立体高架仓库(见图1)简称高架仓库,具有占地面积少、机械化程度高、生产效率和空间利用率高等优点。美国1959年、联邦德国1962年先后建成现代化高架仓库。我国最早于1974年引进,仓储类型分为企业储存库和商业储存库。随着近年电商的迅猛发展,物流中转高架库如雨后春笋般建成并投入使用。仓库的规模也迅速向更高更大方向发展,占地面积一般都在1万m²以上,仓库净空高度在18~35m甚至达到40m以上。高架仓库的储物方式决定了它的火灾特性为:火灾荷载大、火势蔓延迅速且燃烧猛烈、货架在高温下易变形,导致结构极易倒塌破坏,造成巨大损失^[1,2]。

　　 立体高架仓库的火灾特性决定了其消防给水的重点应采用自动喷水灭火装置,而现行《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50084-2001,2005版,以下简称“喷规”)中有关仓库的条文已严重滞后或在执行中存在歧义。在上世纪90年代起已有多人研究并发表文献,但结论却大相径庭,导致目前许多已建高架库的自动灭火系统设计各行其道,均撰文称“成功案例”。有文献建议在我国尚缺乏专门规范的情况下应参考欧美的相关规范设计,有的认为由于国内无专门规范可执行,性能化设计将成为将来高架仓库设计的主流方法^[2],造成类似项目在不同地区建设标准的不确定性(比如有的地区不允许采用性能化设计成果作为设计依据),对建设单位的投资计划产生影响。笔者认为目前还是应该在现行规范的法律框架下继续深入探讨,推广应用行之有效的新设备新技术以强化设计,寻求安全、符合高架库特点的防火设计方案。本文主要针对混杂储物类高架仓库的湿式自动喷水灭火系统设计提出一些观点供参考。

　　 “喷规”5.0.5条关于货架层板通透性面积的规定为“……;4货架储物仓库应采用钢制货架,并应采用通透层板,层板中通透部分的面积不应小于层板总面积的50%;5采用木制货架及采用封闭层板货架的仓库,应按堆垛储物仓库设计”。由于高架仓库工艺要求,作为层板的木制托盘(见图2)一般不可能做到50%的通透面积。即使可以做到,堆垛机操作时货物与托盘同时移动的特点,其托盘的通透面积也被阻挡而变得毫无意义,因此符合规范标准的通透性层板基本是不存在的,只能等同于实层板。公安部天津消防研究所(以下简称天消所)《高净空场所及高架仓库自动喷水灭火系统应用研究》专题研究报道^[3]以及所附仓库货架实体火灾试验图(见图3)可以较直观地印证了上述观点。

　　 如果所有托盘都作为不符合规范通透性要求的货架按“喷规”5.0.5条第5款执行,即作为堆垛储物仓库设计,那超过规范上限9m规定的大量高架仓库就无法可依。因此,上述规范条文并不适用于现行高架仓库的喷淋系统设计。

　　 “喷规”4.2.6条文为“符合本规范5.0.6条规定条件的仓库,当设置自动喷水灭火系统时,宜采用早期抑制快速响应喷头,并宜采用湿式系统”,而“喷规”表5.0.6的注释中明确“快速响应早期抑制(ES-FR)喷头在保护最大高度范围内,如有货架应为通透性层板”。表中的“保护最大高度”按储物类别I级、II级、沥青制品和箱装不发泡塑料类对应的仓库净空高度仅13.5m。本文不讨论规范高度限制内的火灾场景,仅对超限的钢制货架仓库进行分析。如果忽视了规范对ESFR喷头的严格限制,简单套用条文就会存在消防隐患。文献[4]描述了公安部四川消防研究所(以下简称川消所)2009年在8m净高的大空间实验室建立比例为1∶2的大空间缩尺模型,开展高架仓库ESFR自动喷水灭火系统火灾模型试验,模拟一个仓库净高16m的超限高架仓库。

　　 利用文献[4]的数据,笔者却得出与原文完全相反的结论。

　　 文献[4]的结论:“……,一个货架单元托盘(以下简称托盘1)起火后引燃相邻货架单元托盘(以下简称托盘2)的时间是180s,火灾通过热辐射由一排货架传播到另一排货架需要540s的时间,而喷头在632s动作,此时火灾已经由中间起火的货架蔓延到了两侧的货架,但我们注意到从相邻的货架被引燃到喷头动作,中间仅有92s的时间,因此被引燃的货架只是处于初期燃烧阶段,对于其两侧区域内的货架构不成威胁,而且在喷淋的作用下,被引燃的货架很快被扑灭。因此,在这种情况下,ESFR喷头能够有效地将火灾控制在该区域范围内,而不会再向其他区域扩散蔓延”。

　　 笔者认为,文献[4]将托盘1引燃相邻货位托盘托盘2的92s时间喷头动作,作为ESFR喷头能够早期有效控制火灾的证据,其实是一个悖论。因为此时托盘1在180s已经引燃托盘2,包括本单元的起火时间已经过632s,对普通的建筑火灾也许定义15min之内可认为是初期火灾,但是超限高架仓库的情况完全不同,因为喷头启动后,只有达到喷水强度的水柱经过下方超限的货物和托盘层层阻挡,到达最不利货位的托盘,使火灾得到控制的时间如果尚在火灾早期,才可以判定ESFR喷头有效,但试验数据无法证明。

　　 事实上,现代高架仓库的火灾场景要比试验条件严苛得多。

　　 首先,底部货架着火受到层层货物的阻挡(见图3),会影响燃烧向上传递的热释放速率达到喷头启动条件,实际的喷头动作时间要大大延缓。

　　 第二,模拟试验室相邻货架通道间隔为2.05m,而由于先进堆垛机的不断瘦身,目前在建的高架仓库最小巷道宽度已达1.2m的水平,狭小的空间将严重阻碍热烟气流的扩散,使储物和托盘温度在货架的压抑下迅速达到450℃以上,导致相邻货架储物快速引燃,严重时甚至诱导成局部腔室的轰燃。

　　 第三,也是最致命的问题是,目前大部分已建或在建项目的钢结构货架均未经防火处理,满负荷的钢结构货架在火羽流的炙烤下温度很快就会超过500℃的失稳临界点,面临货架垮塌的危险,显然此条件下火灾向四周的蔓延速度将更快。因此,仓库灭火靠ESFR闭式系统已无能为力。

　　 理由如下:

　　 (1)《建筑设计防火规范》(GB 50016-2014)附录的附表1注释9“无防火保护的钢梁、钢柱、钢楼板和钢屋架,其耐火极限可按0.25h确定”。

　　 (2)火灾对钢结构的影响主要是燃烧产生的高温。普通建筑用钢等在全负荷情况下失去静态平衡稳定性的临界温度为500℃左右。一般在300~400℃时,其强度开始迅速下降;到500℃左右时,其强度已下降到40%~50%,钢材的力学性能迅速下降,低于建筑结构的承载许用应力。一般裸露钢结构耐火极限只有十几分钟,所以当无防火涂层的普通建筑用钢作为建筑物承载的主体时,一旦发生火灾,则建筑物会迅速坍塌^[5]。

　　 (3)钢材在达到600℃时,其强度下降75%~80%,已完全丧失支撑能力。而一般固体在燃烧时,火焰温度达700℃的时间不到15min。如果上部喷头不及时喷水降温,待钢货架达到高温状态时再遇水冷却则会起反作用,加速变形造成倒塌^[1]。根据国外高架仓库发生火灾后的调查,一般在10min以后,货架和库房屋顶全部倒塌^[6]。

　　 因此,超限高架仓库特别是采用钢制货架上方设计采用任何热敏元件启动的喷头都是错误的。而错误的结论会对设计人员和业主产生误导作用,不断复制的“成功案例”也将以讹传讹,造成灾难性后果。

　　 上述分析的观点已说明,超限高架仓库火灾不能按照现行规范简单套用执行。在缺乏专业规范指导和现行规范不能简单套用时,应根据高架仓库的实际情况,加强对超限高架仓库的立体防护。首先应要求结构专业和建设单位对钢制货架和木制托盘进行防火处理;其次应更新高架仓库的自动喷水灭火系统设计理念,实现早期发现火灾,早期启动灭火设施,形成立体保护网络的理论。

　　 基于这一理论,笔者的观点是采用货架内置闭式自动喷水灭火系统灭火为主,采用现代化探测控制组件的大流量雨淋系统进行货架及通道控火为辅,两个独立系统形成立体防护,不可或缺。

　　 目前,设计层间喷头的做法一般根据“喷规”5.0.7条“……应设货架内置喷头。宜在自地面起每4m高度处设置一层货架内置喷头,……”的规定布置,并按5.0.5条(强条)中表5.0.5-5备注4的要求“设置两排和多排货架内置喷头时喷头应交错布置”,一般的理解是达到平面交错就满足规范要求(见图4)。

　　 该布置法的缺点是规范要求的4m货架内一般存在2层货架:喷淋布置分为设防层(water层,以下简称W层)和不设防层(board层,以下简称B层)。所有的货架平面是一致的。“喷规”5.0.7条(强条)要求W层上部是实层板,B层上部是通透性层板,在实际的高架仓库中无法操作,因为托盘随货物同时参与分拣和储存不停运作,不可能为了放置在货架某一层而临时更换托盘。因此,简单按规范条文隔层设置喷头的设计是存在消防隐患的。如果B层某货位起火,其烟气和热量的上升速度由于受到层板和货物的影响使W层喷头的启动时间滞后而引起着火单元向四周相邻货位毫无遮拦地蔓延。目前所有已建、在建以及正在设计的项目,均对规定的适应条件“视而不见”,尽管在有的设计说明中会对层板通透性做出要求,但仅仅是“对付”审图公司和消防建审的,在工程中基本无法实施。所以,只要存在完全不设防的B层,一旦起火,极易呈失控之势(平面蔓延速度>层间灭火速度)。

　　 笔者认为应该对规范进行强化,采用立体保护的优化设计将平面交错方法推广到竖向布置方面(见图5)。

　　 将喷头平面功能区交错布置视同国际象棋棋盘的黑(black)白(white)格相间交错,那么立体防护的理念就是要求在高架仓库的三维各个面的喷头布置均应遵循“立体棋盘布置法(3D chess board methods,简称3DCB法)”,其优点是:①除顶层外不得出现完全不设防的B层,而将每4m的竖向保护空间进行错位设计,每一个货位的左右前后上下的W区和B区均应交错设置,不会出现同类功能区相邻。②规范未明确,但目前设计采用不设防的B层改为B区后平面及上方相邻的货位均在W区喷头的保护范围内(但单排货架的保护略显薄弱,见图5c),建议再采用类似于机械车库用的侧墙喷头进行两端局部加强控火保护也是强化手段之一。虽然规范对侧墙喷头应用场所有明确规定,其作为仓库严危Ⅱ的控火措施并不一定恰当,但作为一种“聊胜于无”的加强措施,技术上简单易行。这样布置的层间喷头与常见的W层和B层设计增加了几个侧墙喷头,既符合4m内设置层间喷头的规范要求,在任何货位又不会出现无直接喷水保护的死角。

　　 以上所提出的立体防护理念,在喷淋系统投资上虽然投入提高,但与投资巨大的现代化物流仓库如果被火灾毁于一旦的潜在危险相比,应该是“失有所偿”吧。

　　 层间喷头应参照“喷规”表5.0.5-3单、双排货架储物仓库系统设计基本参数的要求计算水量(储物高度以层间保护范围的高度计),参照表5.0.7开放喷头数量设计,不必突破规范。危险等级按储存货物确定,一般的混杂储物仓库属于丙2类库,按仓库危险级Ⅱ级设计。笔者认为层间每一个喷头所对应的被保护货物是独立的,它不同于吊顶内的上下喷头,火灾完全有可能向上或向水平方向扩散。因此,在水力计算中应考虑周围每个喷头都有可能动作,给水管的管径应依实际布置的情况进行叠加,从管道末端直至计算到加压泵供应的最大流量。

　　 货架应预留足够的消防空间也是设计层间喷头需要注意的细节之一。根据“喷规”7.1.6条,“货架内置喷头……,与其下方货品顶面的垂直距离不应小于150mm”,为了尽量减少货架高度,W区宜采用专用货架内直立喷头,上方自带集热隔水板(见图6),这样可以节约空间。有的设计师不注意喷头的适用性,甚至在货架内使用ESFR喷头^[7],实际发生火灾时会出现喷头离保护货物面太近(规范的最低垂直距离≥900mm)而缩小了喷头的作用面积,应当引以为戒。

　　 上文已探讨了层间闭式自动喷水灭火系统进行货架内灭火为主,采用现代化探测控制组件的大流量喷淋系统进行货架间控火为辅的设计理念,但高架仓库屋面板下的控火设备若采用热敏元件启动的喷头,其启动的及时性和控火的时效性就值得怀疑。所以应设计另一套可替代的独立系统,起到保护钢结构货架,不致引起钢结构强度下降导致货架破坏,采用反应及时、迅速控火的大流量喷淋系统,主要是利用雨淋水幕覆盖、冷却和湿润起火的货架,防止火势向相邻货架蔓延。虽然目前高架仓库内一般已采用先进的吸气式感烟火灾探测器,能很好地解决高架仓库火灾报警探测中存在的问题,但该设备不能直接用于控制自动喷水灭火系统的喷头启动。

　　 上世纪90年代末我国自主开发出“大空间智能型主动灭火系统”的系列产品,其中能够替代雨淋灭火系统的叫做大空间智能灭火装置。该装置的固定灭火喷头喷水面为一个圆形面,能主动探测着火部位并开启喷头喷水灭火,由智能型探测大空间灭火装置组件(将红外/紫外传感技术、烟雾传感技术、计算机技术、机电一体化技术有机地融合于一身的高大空间火灾专用设备)、大流量离心式灭火喷头(K=300,喷头在喷水时连续旋转,喷水出口成曲缝状,喷水保护面积大、灭火穿透力强)、电磁阀组3部分组成(见图7)。

　　 该装置能够实现火灾的初期发现并进行实时灭火,效果明显可靠,在高大空间场所得到广泛应用^[8]。初期的开发仅在非仓库类大空间建筑内使用,最常见的是用于大型舞台的葡萄架下替代雨淋系统。将该系统用于高架仓库屋面下的控火,是笔者以多年的设计经验,参照其优异性能作为替代热敏喷头的尝试性建议。采用该系统既可以及时迅速以雨淋方式全方位覆盖起火货架,又对自动堆垛机巷道(货架间通道)进行分隔防护,即使货架坍塌到底层,上部的大流量喷淋系统照样可以持续对货架周围进行水幕保护,防止横向蔓延。该系统的智能性还表现在:智能探测组件全过程监控火情并可以主动启闭其控制下的喷头组。当保护范围内确认火已扑灭,则该区域喷头即主动关闭,如果发现复燃又立刻开启,这样既避免扩大火灾变水灾的范围,又可以节约消防用水量。

　　 本系统红外探测组件与大流量喷头分体设置,每一组喷头和其探测控制组件应正对下方的大空间通道布置(见图5b、c),危险等级为仓库严危Ⅱ级,根据《大空间智能型主动喷水灭火系统技术规程》(CECS 263:2009,以下简称“大空间规”),沿通道方向布置的喷头间距4.2m,探测器与喷头电磁阀为1控4方式,同时开启货架两边各2组喷头(共16只),设计流量合计80L/s,标准喷水强度2.5L/(min·m²),作用面积280m²。

　　 火灾持续时间为1h。该系统根据“大空间规”和企业产品介绍安装高度允许达到25~30m,但就探测组件的原理(红外/紫外传感技术结合烟雾传感技术)而言,只要在圆锥形探测范围内没有物体阻挡,理论上可以不受安装高度限制。当然,超过本规程高度规定的项目在缺乏专用规范的情况下应采用专家论证的方式进行专项设计。

　　 现代混杂型储物高架库的货架火灾危险性很大,经过分析讨论,认为2005版“喷规”关于货架仓库的条文不适合13.5 m以上净空的(超限)高架仓库。

　　 因此本文建议仓库的货架间应采用2套独立的自动喷水灭火系统分别解决灭火和控火的问题,即以货架内置闭式系统灭火为主,屋面下设置非热敏元件启动的大空间雨淋系统控火为辅。

　　 本文建议采用大空间智能灭火装置形成雨淋控火系统,并提出了具体的技术方案。当然,有经验的设计师还可以尝试标准电动雨淋系统的应用,关键是探测范围内的感温、感烟器的布点高度和位置不能妨碍工作机械的操作。建议研究机构尽快开发出可与雨淋系统联动的吸气式感烟火灾探测器,则将一举两得,大幅降低自动喷水灭火系统成本。

　　 货架内置喷头应按照立体保护的设计理念,采用3DCB法则将平面交错方法优化推广到竖向布置,以解决货架内存在灭火死角的难题。

　　 除了上述技术措施外,笔者建议在建和已建的超限高架仓库,应要求建设单位对钢制货架和木制托盘进行防火处理,以延长耐火极限。超过一定体量的现代化高架仓库应作为消防安全重点单位,实行严格管理、严格监督和定期进行消防评估,以减少火灾隐患。

　　 对正在设计中和尚未施工的建设项目提请设计人和审查人应调整设计理念,避免火灾隐患的继续复制。

　　 最后,建议“喷规”的修编应增加超限高架仓库的适应性条文或进行专业规范的编制,使设计师、消防审查机构以及业主都有法可依。