随着国民经济的快速发展,城镇化进程不断加快,越来越多的超高层建筑出现在城市之中,成为城市的标志之一。超高层建筑一般是指建筑高度大于100m的高层建筑,这些建筑人员密集,火灾危险性大,目前我国尚未制定出专门针对超高层建筑的消防设计规范,按《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB 50974-2014,以下简称“水消规”)的相关要求,超高层建筑的消防给水系统应采用设置高位消防水池的常高压给水系统及临时高压系统相结合的给水方式。

　　 针对高位消防水池的有效容积,“水消规”4.3.11条规定:高位消防水池的最低有效水位应能满足其所服务的水灭火设施所需的工作压力和流量,且其有效容积应满足火灾延续时间内所需消防用水量,…,当高层民用建筑采用高位消防水池供水的高压消防给水系统时,高位消防水池储存室内消防用水量确有困难,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%。可见高位消防水池的容积可按照室内消防用水量的100%及≥50%两种情况来设置,为保证消防给水系统的安全性及可靠性,高位消防水池储水的容积不同,消防给水系统的控制也应相应调整,但“水消规”对此却并未直接提及。

　　 本文将结合具体项目,讨论超高层建筑消防给水系统的相关控制问题。

　　 考虑到部分超高层建筑设置屋顶消防水池可能存在困难,因此“水消规”提出高位消防水池的容积可按照室内消防用水量的100%及≥50%两种情况设置,以下也分两种情况讨论消防给用水系统的相关控制问题。

　　 当高位消防水池储存100%的室内消防用水量时,储水通过重力方式向消防系统供水,高区为临时高压给水系统,系统的主要流程是:地下消防水池→地下消防泵→中间消防转输水箱→中间消防转输泵→屋顶消防水池→高区消防泵→高区消防给水系统。中低区为常高压消防给水系统,系统的主要流程是:地下消防水池→地下消防泵→中间消防转输水箱→中间消防转输泵→屋顶消防水池→中区消防给水系统→减压水箱→低区消防给水系统。

　　 这种消防给水系统的构成简单可靠,在发生火灾时,供水系统可迅速启动,从而避免了机械故障和火场供电中断对消防供水系统的影响。

　　 在系统控制方面:

　　 首先从消防给水安全度来考虑,高位消防水池的补水管建议不少于2条,消防水池的补水时间主要考虑二次火灾扑救需要,以及火灾时潜在的补水能力。补水水泵的设计流量宜按该建筑室内消防设计流量选配,一般按室内消火栓及自动喷水灭火系统用水量之和来考虑,同时应由相对应中间消防转输水箱内的水位信号自动控制开启。而中间消防转输泵的总设计流量,也应满足全部室内消防给水系统要求,并由对应屋顶消防水池内的水位信号自动控制开启。

　　 第二,根据“水消规”11.0.2条规定,消防水泵不应设置自动停泵的控制功能,停泵应由具有管理权限的工作人员根据火灾扑救情况确定。高位、地下消防水池及消防水箱可在消防控制室显示高水位、低水位报警信号以及正常水位,但消防水泵不应自动关停。由于消防转输泵在火灾扑灭前保持连续运转,而火灾初期时转输水箱的输入水量一般大于输出水量,因此会造成消防水量的大量溢流损失。针对此问题,“水消规”6.2.3.2条规定串联转输水箱的溢流管宜连接到消防水池,以保证消防水源的充足,同时日常的转输水箱补水可通过生活给水系统进行补水。对于避难层的消防水箱间,一旦发生事故溢水,往往会产生不小的经济损失,甚至影响到整个消防系统的正常运转,而在消防水箱间仅设置地漏也难以解决这一问题,因为最大口径的普通地漏其排水能力一般远小于溢流量,因此为安全计,可在消防水箱间地面设置1~2个较大的集水坑,坑内布置一定数量的虹吸式雨水斗,采用虹吸式排水系统达到排除全部事故溢流水量的目的。

　　 第三,根据“水消规”5.4.6条规定,消防给水为竖向分区供水时,在消防车供水压力范围内的分区,应分别设置水泵接合器;当建筑高度超过消防车供水高度时,消防给水应在设备层等方便操作的地方设置手抬泵或移动泵接力供水的吸水和加压接口。因此可在高区消防泵房的给水管网上预留手抬泵或移动泵的出水接口,手抬泵的吸水管引自转输管,可不进入转输水箱,这样可以通过接力泵实现接力给水。由于目前市场上的接力泵扬程仅为70~80m,对于超过250m以上的超高层建筑,手抬泵或移动泵的作用往往大打折扣,大功率、高扬程的接力泵产品需要尽快研发。

　　 当高位消防水池储存≥50%的室内消防用水量时,消防给水系统实际上为常高压与临时高压的混合给水系统,消防给水系统的流程是:地下消防水池→地下消防泵→中间消防转输水箱→中间消防转输泵→屋顶消防水池→高区消防泵或减压水箱。

　　 由于地下消防水泵房的消防泵需同时与建筑上部的消防转输泵联动运行,对上下级消防泵的联动控制有较高的要求,消防泵控制系统也相对复杂。当高区发生火灾,要求高区消防泵、地下消防泵、中间消防转输泵渐次启动;当中低区发生火灾,要求地下消防泵、中间消防转输泵、高区消防泵渐次启动,且在火灾时不能停止运转,同时地下消防泵及中间消防转输泵均应按照全部室内消防给水系统用水量及转输流量设计,此时转输消防水箱间事故排水的重要性就更加突出,必须在转输消防水箱间设置大口径的事故排水管排至消防水池,同时在排水时宜采用虹吸式排水,以确保消防泵房的安全以及消防用水的有效容积。

　　 根据“水消规”6.2.3条规定,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。实际工程设计中,中间转输水箱的设计容积多采用超高层建筑的室内消防用水量与中间转输水箱兼作下区消防管网的高位消防水箱容积之和,同时考虑到消防水泵的联动因素,应适当多保持部分消防用水余量,有效储水容积往往大于60m³。

　　 最后,对于超高层建筑的消防给水系统,重力供水主管的可靠性十分重要,为提高安全可靠性采取的主要技术措施是:除了采用双管环状供水、管径适当放大外,还要求选用高耐压等级的管材和接口、阀门、配件等。

　　 南京金融城位于南京市河西CBD中央商务区核心地块,地面以上为10栋建筑高度超过100m的高层建筑,主要功能为南京市的金融机构总部办公用房,地下4层,为汽车停车库,总建筑面积为742 282m²。

　　 整个基地用地范围被穿越的河道和地铁线分成了3个地块(见图1),10栋高层建筑分布于其中,每个地块内均有2栋或3栋建筑相互邻近,且有一栋最高的建筑。其中2#、4#、6#楼45层,建筑高度199.50m;9#楼37层,建筑高度161.72 m;8#、10#楼33层,建筑高度144.92 m;1#、3#、5#楼33层,建筑高度144.75 m;7#楼30层,建筑高度132.7m。由于该工程总建筑面积较大,且单一消防给水系统保护的建筑面积有限,综合I、II、III号3个地块的总平面等建筑条件,确定在3个地块内共设置3个地下消防水池泵房,即每个地块设置1个区域地下消防水池泵房,1个区域地下消防水池泵房可以同时服务2~5栋高层建筑。

　　 按规范要求,该工程室内各消防给水系统(消火栓、自动喷水和大空间水炮灭火系统等)的上下级消防泵均应独立分开设置,即使按照消防泵设置数量最少的区域供水方式:设置一组地下消防主泵同时服务2~5栋建筑,该工程消防主泵的总数也将达到70台。此外,区域供水泵的地下消防泵同时与最多5栋建筑的中间消防转输泵联动运行时,对上下级消防泵的联动控制有较高的要求,消防泵控制系统非常复杂,建筑顶部楼层的消防供水安全性完全取决于二级消防泵能否同时正常运行,对于消防立足自救的超高层建筑而言更加明显,面临系统可靠性的问题;同时需要较大的楼层机房面积、消防配电容量、消防给水系统需要通行的室内空间等。因此,二级消防泵串联的临时高压系统存在设备多、控制复杂、可靠性保障要求高等特点。

　　 考虑到系统控制的各种因素,该工程在最高建筑屋顶设置重力自流的高位消防水池,有效容积满足3h火灾延续时间内同时使用的所有室内消防给水系统总用水量,整栋建筑室内消防的水量全部由屋顶消防水池提供。最高建筑从某一楼层高度以下的所有楼层,完全依靠屋顶消防水池的高度实现常高压供水,最高建筑的屋顶消防水池也可以服务临近高度较低的其他建筑,形成高层建筑群的区域常高压供水系统,系统简单、安全可靠。最高建筑的顶部楼层,能够利用屋顶消防水池的高度,自动充满高区各消防系统给水管网,此时只须设置一级消防泵组,而且高区消防泵的扬程无需太高,就能满足顶部楼层的消防给水要求。属于一级消防泵的临时高压系统,相比二级消防泵串连的临时高压系统,该系统需要较少的消防泵、较低的消防配电容量、控制简单、可靠性高。

　　 因此该工程可以采用以常高压给水系统为主、以临时高压给水系统为辅的区域消防给水方式。常高压和临时高压相结合的室内消防给水系统的组成:地下消防水池泵房、中间消防转输水箱泵房、屋顶重力自流消防水池、重力自流中间消防减压水箱、高区消防泵房、各消防给水系统(消火栓、自动喷水和大空间智能水炮灭火系统)管网和配套设施,消防主泵的总数减少到57台。

　　 根据消防给水系统的保护面积要求,在3个地块内各地块均设置1套独立运行的室内常高压消防给水系统,并与3个地下消防水池泵房分别相对应。考虑到II号地块内建筑多达5栋,且最高建筑不在总平面的中部,仅设1处屋顶消防水池存在负担建筑数量太多、供水较远、不够安全合理等问题,所以在其中4栋建筑的屋顶设置了屋顶消防水池,分别为2#、4#、6#、9#楼。屋顶消防水池有效容积,满足火灾延续时间内室内全部消防设计用水总量要求,屋顶消防水池的消防出水总管,重力供水至本栋建筑和相邻的1~2栋建筑。屋顶消防水池分成2格,每格消防水池分别接出1根DN250消防出水总管,满足室内全部消防设计秒流量要求。表1为消防给水系统的划分区域。

　　 该工程的消防给水系统示意见图2、图3(以1#、2#楼为例)。

　　 超高层建筑消防立足于自救,室内消防水源是消防安全的关键,而且该工程建筑高度均超130m,是建筑密集、总建筑面积和建筑体量较大的超高层建筑群,为进一步完善消防给水系统的控制系统,增加消防用水的安全可靠性,采取如下技术措施:

　　 (1)增加消防水池总容量,地下消防水池容积采用300m³,3个地块内消防水池实际储水总量均不小于920m³。

　　 (2)提高屋顶消防水池专用供水泵(即地下消防转输泵及中间消防转输泵)系统的供水总能力。按照满足室内消火栓和自动喷水灭火系统的总设计流量设计,每个地块内每组供水泵总流量采用80L/s,供水总管径采用DN200,并在室外增设7套水泵接合器,以保证消防时一旦屋顶消防水池储水不足,能够及时全流量补充室内消防用水量。

　　 (3)为保障重力供水主管的可靠性,采用双管环状供水以及高耐压等级的管材、阀门和配件。对于工作压力超过1.20 MPa的DN250消防给水主管,设计中均要求采用无缝热镀锌钢管,法兰连接(采用二次镀锌),阀门及管配件公称压力不小于2.50 MPa。同时也要求确保工程施工质量、重视日常维护管理,以保证常高压消防给水主管系统供水的安全可靠。

　　 (4)地下消防泵总设计流量,满足全部室内消防给水系统要求,并由对应中间消防转输水箱内的水位信号自动控制开启。中间消防转输泵总设计流量,满足全部室内消防给水系统要求,并由对应屋顶消防水池内的水位信号自动控制开启。

　　 (5)建筑中部有多处生活、消防水箱间,由于各转输水箱、减压水箱的进水管均是按照满足室内全部消防设计秒流量来确定的,为提高事故排水能力,设计中采用大集水坑及虹吸式排水系统来解决溢流水的排水问题。

　　 随着城市的不断发展和建筑技术的不断提高,超过100 m的高层建筑或高层建筑群也将日益增多,采用常高压为主和临时高压相结合的区域消防给水系统,较大程度地简化了室内消防给水系统,也将会在实际工程中得到更多的应用。由于超高层建筑消防难度大,情况复杂,因此在系统的选择以及消防给水系统的设置及控制过程中,包括屋顶消防水池、地下消防水池、满足全部室内消防设计用水量的消防转输供水等设施,应采用各种有效的技术保证措施,优化系统控制方案,尽量提升消防给水系统的安全可靠性,来充分满足超高层建筑群的消防安全要求。