国家会展中心(上海)(以下简称国展中心)共设有单层展厅3个,每个都是跨度达108 m、长度达270m、面积28 800m²的无柱空间。图1所示为展厅横向的剖面,人字形的屋顶下,中部净高35m,两侧高32m。据对国内已建成的展览建筑所做的调研,尚未有单个甲等展厅整体净高超过30 m的实例,国展中心的3个单层展厅创了国内之最,本文称之为超高单层展厅。

　　 与同样高大净空的机场、候车室等交通类建筑不同,展览建筑使用功能更为复杂多变、可燃物更多、火灾危险性更大,对自动水消防系统的要求也就更高。而展厅的建筑设计又要求所设计的消防系统能保证展厅最高的净空高度、最简洁的屋顶,最大程度满足建筑功能和美观的要求,由此带来对自动水消防系统更多的限制。选择可靠而有效的自动水灭火系统,成为整个项目设计的一大难点。

　　 常规的自动水灭火系统是在通常情况下最普遍采用的可靠系统,在有可能采用的情况下,应优先采用。但对于国展中心的超高单层展厅,这些常规手段都因为展厅尺度超出了其适用条件而无法使用。具体情况如表1所示。

　　 从表1可见,这些喷水装置对设置空间的净高有一定的限制,部分装置当架空安装、边墙安装或退层平台安装时,不限设置场所的最大净空高度,但由于国展中心超高单层展厅的跨度达108m,靠墙安装的这类装置无法保护到展厅中部区域,如采用这类装置,中部区域必须降低安装高度,而这样的设计,超高单层展厅的空间将被破坏,无法满足功能要求。

　　 《建筑设计防火规范》(GB50016-2005,以下简称“原建规”)(设计阶段确定单层展厅执行“原建规”)8.5.7条规定:建筑面积大于3 000m²且无法采用自动喷水灭火系统的展览厅,宜设置固定消防炮等灭火系统。《展览建筑设计规范》(JGJ 218-2010)7.1.13、7.1.14条规定:当展览建筑内设置自动喷水灭火系统时,对于室内最大净空高度大于12m的展厅,宜采用带雾化功能的自动水炮等灭火系统,其设计应符合现行国家标准GB 50338《固定消防炮灭火系统设计规范》的规定。

　　 根据上述规范的要求,对国展中心超高单层展厅确定采用消防水炮系统。

　　 设计选用单台流量为20L/s的水炮,单个展厅共设21门水炮,水炮的最大保护半径不小于50m。水炮的设计为自动寻踪定点灭火,以整个展厅大空间为一个整体布点,保证展厅内任意一点有两股水柱到达。水炮系统设计水量为40L/s。具体布点考虑到管道和炮体、探测装置的安装和固定,分为3排,两侧靠墙各设一排,展厅中间设一排,如图2所示圆点的位置。每一条横跨展厅的轴线上设有检修马道,给水管道围绕展厅周边靠墙成环设置,中间一排水炮从一侧环管上接出水管分别沿马道安装和固定。

　　 水炮系统供水采用稳高压消防给水系统,图3为系统供水部分简图。每台水炮前分别设有检修阀、电动阀、水流指示器。为减少喷水时对人员的伤害和影响,水炮应具备雾化功能,根据着火点与水炮的距离,自动调节水炮的出水状态,在到达人员所在的近地面处,水流已雾化,将不致对人员造成冲击。

　　 《固定消防炮灭火系统设计规范》中,对水炮的给水系统、炮体本身的控制等做了详细规定,但对于国展中心超高单层展厅来说,水炮灭火的准确性和及时性更为重要,需要依赖探测、自动定位、报警等功能的协同作用,使整个系统具有自动、手动和消控中心远程控制等各种启动方式。因此,设计应依据《自动消防炮灭火系统技术规程》(CECS 245:2008),与电气火灾探测和报警系统设计紧密配合。

　　 消防水炮自动启动喷水灭火的前提是依靠火灾探测设备对火灾进行确认。根据《自动消防炮灭火系统技术规程》7.2.2条规定,火灾探测器的选择应满足以下要求:①应能有效地探测保护区内的早期火灾;②应能确认火灾发生的部位;③具有火灾智能识别功能;④宜采用能提供火灾现场实时图像信号的火焰探测器。

　　 国展中心单层展厅的体量远超常规的感温、感烟探测器的探测范围,因此电气消防设计选用了红外双鉴式成像感烟型火灾探测器,而消防水炮则自带双波段火灾探测器和摄像头。红外双鉴式成像感烟型火灾探测器作为火灾自动报警系统中的常规探测器,当探测到火情后,将采集到的信息送给消防控制中心报警。而双波段火灾探测器是一种火焰型探测器,作为消防水炮系统前端探测部分,一旦探测到火情,在报警的同时还立即将采集到的现场信息送给消防水炮系统的控制主机,主机启动水炮进行定位并锁定火源,然后启动电磁阀,再启动消防炮供水主泵,水炮对准火源出水灭火。

　　 设计选用的感烟型探测和火焰型探测两种探测器互为补充,能有效地探测并智能识别保护区内的早期火灾,并确认火灾发生的部位,同时能防止误报误喷。

　　 探测系统对每个探测器的探测范围有一定的限制。通过对探测器和水炮编码,探测器和水炮产生一定的对应关系,以保证距离火源最近或最有利于灭火的水炮率先动作。当率先探测到火情的两个探测器发出信号后,其对应的水炮主机开始定位火源,与此同时,其他水炮将不再继续动作,以保证设计水量集中在有效的两门水炮上。

　　 除上述自动控制方式外,值班人员在控制室可通过集中控制盘任意调看每一台水炮上的摄像头实时拍摄的现场图像,对自动消防炮灭火系统的各种设备(如消防炮、电动阀、消防泵等)进行远程控制,或可在现场使用手动控制盘进行灭火操作,其中现场操作具有最优先权。

　　 在普通的展厅内部,受层高所限,一般不允许搭建将部分展厅地面覆盖的所谓“房中房”式的展览。但国展中心设计了如此超高超大的展厅,客观上为此类搭建创造了空间上的条件。搭建部分的内部有可能产生遮挡,甚至其内部造成探测器和水炮无法保护的盲区和死角。对此,设计提出“立体消防”的概念,即在高空和近地面分别设置自动灭火系统,以消除盲区和死角带来的隐患。考虑利用展厅地面为机电管线预留的展沟,设计布展专用喷水灭火系统,由展厅自动喷水灭火系统供水,可与消防炮同时工作,在布展的同时可快速安装所需的管线和喷头。

　　 具体的设计如图4所示。根据消防性能化专业的场景模拟分析,建筑专业设计了2条根据不同展览性质而预留的宽度12m或17m的防火隔离带,在隔离带上不能布置任何展位或搭建任何临时建筑,无任何可燃物,用以阻断火灾蔓延,达到防火分隔的效果,而整个展厅也因此被分为3个防火分区。喷淋系统在不同的位置设置了3个报警阀,每个阀控制一个防火分区。报警阀出水管由展览主沟分配到展览支沟,展览支沟的间距为9m,喷淋支管每隔一条沟设置1根,其间距为18m。每根支管的起端设有水流指示器和信号阀。在每根支管上,设有间距为18 m的DN100×DN100三通,并以堵头堵住,最末端处的三通设放水阀。当展厅内布置房中房时,可先关闭对应水流指示器前的信号阀,利用其中预留的接口接出支管,在搭建的临时房中布设管线和喷头。安装完成后即打开信号阀,信号阀的状态在消控中心均可看到。在撤展阶段,关闭相对应的信号阀,打开末端放水阀将搭建部分管网内水排入展沟,拆除管线和喷头。

　　 消防水炮系统在高大空间场所如体育场馆、航站楼、列车车库等项目中的应用并不罕见,但消防水炮安装在33m高处,在国内民用建筑中尚属首例。对于水炮的安装高度,在前述段落中提到的相关规范或技术规程并无限制。但这样高的安装高度,国家授权的检测机构没有条件对水炮产品进行同等条件下的检测,因此系统能否实现其功能,需要对水炮产品在展厅现场对相关指标根据标准进行实测。

　　 现行《自动跟踪定位射流灭火系统》(GB 25204-2010)是一本产品标准,其3.1条对自动跟踪定位射流灭火系统定义为:“利用红外线、数字图像或其他火灾探测组件对火、温度等的探测进行早期火灾的自动跟踪定位,并运用自动控制方式来实现灭火的各种室内外固定射流灭火系统。系统由带探测组件及自动控制部分的灭火装置和消防供水部分组成。灭火装置分为自动跟踪定位消防炮灭火装置(简称自动消防炮灭火装置)和自动跟踪定位射流灭火装置(简称自动射流灭火装置)。”其4.1条按照流量对灭火装置进行区别,装置流量大于16L/s为自动消防炮灭火装置,不大于16L/s为自动射流灭火装置。

　　 由此项定义可知,本项目采用的自动消防水炮系统,是自动跟踪定位射流灭火系统的一种;单台20L/s的水炮装置,亦是自动跟踪定位射流灭火装置的一种。现场测试即以此标准为依据进行。

　　 根据该标准,消防水炮的射流半径、最大保护半径、监控半径和最小/最大安装高度,均为供货厂家的产品公布值,同时需根据公布值按标准进行实测,达到其公布值即为合格。

　　 国家消防装备质量监督检验中心对受安装高度影响的几个关键指标于2014年10月13日和11月25日进行了2次现场测试。测试地点位于三个单层展厅之一的3H展厅,被测试水炮为测试单位现场指定的安装于33m高度的展厅中部不同位置的水炮。测试指标分别为:最大保护半径、自动定位时间和自动灭火时间。所依据的标准分别为《自动跟踪定位射流灭火系统》(GB 25204-2010)的6.2.1、6.2.2和6.11.1条。

　　 按标准要求进行的最大保护半径实测结果大于50m,自动定位时间小于60s。这两项试验较为简单,此处不赘述。

　　 规范要求的自动灭火时间的测试方法是:“在最小安装高度及最大安装高度处分别将1A级别的火试模型放置在灭火装置的最大保护半径内侧处,在火试模型预燃阶段应使系统处于非跟踪定位状态。预燃结束,恢复灭火装置的跟踪定位状态进行自动定位灭火。自动射流开始,自动消防炮灭火装置3min内应扑灭1A灭火级别。”

　　 实测时,采用了标准火试模型,如图5a所示。模型置于距离被测试水炮投影地面50m远处,点燃下方设置的油盘(底部为水,上部为1 500 mL汽油),预燃点火后约40秒,火试模型整体完全点燃,点火3分20秒后,油盘内汽油燃尽被撤离燃烧铁架下方,火试模型继续燃烧,如图5b所示。点火7秒后,预燃结束,恢复水炮的自动跟踪定位状态,50秒后,水炮瞄准火源出水,如图5d所示。试验现场可见,水炮出水口处为柱状流态,下落过程中逐步呈现雾状。出水3秒后,火试模型的明火被完全扑灭,手动关闭水炮,停止出水。根据测试要求,将模型静置10秒后,不再复燃,认定该项测试达标。

　　 对于超大超高单层展厅,自动消防水炮系统与预留布展喷淋系统相结合的设计,可以对展厅进行全方位立体保护,不留盲区。需要注意的是,相关探测、报警系统必须配套设计和施工,做好联动测试;对于布展喷淋系统,应在招商阶段即提供展商喷淋管线条件,由展商提交房中房的搭建方案,配套完成喷淋管线和喷头布置的设计,在布展阶段同步完成终端喷淋系统的施工。