文献[1]介绍了国家会展中心(上海)(以下简称国展中心)的3个净空32~35 m的超高单层展厅的水消防设计解决方案。本文对面积和跨度与之相等、跨中有一排柱、净空高度16~19 m的双层展厅上层的大空间洒水系统做详细分析。屋顶采用网架结构的、净空高度22 m的北侧单层小展厅,性质类似,相对简单,也采用了同一种系统,不另赘述。

　　 图1为一个双层展厅单元的横剖面。双层展厅上层地面标高16 m,围绕它的是环形的消防车道,按照建筑设计“多首层”的概念,尽管它位于2层,但仍具有首层的建筑特征。展厅屋面由铝镁锰合金直立锁边组成,“人”字形的屋顶下由若干桁架支起整个大屋面,每榀桁架中心间距为18 m,上层展厅桁架下的净空高度在16~19m,横向跨度108m,纵向跨度270m,展厅内部空间共有7根1.2m×1.2m的正方形钢筋混凝土柱,沿纵轴每隔一榀桁架设1根。

　　 双层展厅上层的净空高度在16~19m,北侧的底层单层小展厅净空高度22m,根据上海市《民用建筑水灭火系统设计规程》(DGJ 08-94-2007,以下简称“规程”)3.0.7条第2款规定,当室内最大净空高度大于18m且不大于25m时,可采用大空间洒水灭火装置。

　　 根据“规程”附录D.0.4条,大空间洒水灭火装置的设计流量应按满足设计喷水强度和作用面积的情况下实际布置洒水器数量与红外线探测组件联动控制的状况来确定,净空高度大于18m的场所,设计喷水强度和作用面积可采用18m场所的设计参数。因此大空间洒水灭火装置设计喷水强度及作用面积按照“规程”6.2.7条选取,设计喷水强度为12L/(min·m²),作用面积为400m²,系统最小用水量为108L/s。但规范中的最小用水量并非洒水系统的设计流量。在满足设计喷水强度与作用面积前提下,实际布置洒水器数量与红外线探测组件联动控制的状况决定了同时开启的洒水器数量,这个数量与单个洒水器流量的乘积(暂时忽略每个洒水器的压力差导致的误差)才是真正的系统设计流量。

　　 为确定系统的设计流量,需要确定以下问题:单个洒水器的流量及其与红外探测器的联动控制关系。

　　 设计过程中,首先考虑采用标准型的5L/s洒水器,按最大间距6m布置,实际平均喷水强度仅有8.33L/(m²·min),而要达到12L/(m²·min)的喷水强度,则需要最大间距不超过5m。由于展厅的柱和桁架都是以18m为模数设计,如果间距采用5m,则洒水器和管道的布置无法与桁架做成模块化的标准设计,大大增加与其他专业模块化设计管线的碰撞几率,也不利于建筑顶面(如灯光、吊点等)的模块化设计,大大增加设计协调的工作量和施工难度。而如果继续减小间距,例如改为4.5m间距,则洒水器的数量将增加77.8%,整个系统的造价同步增加,业主不能接受。因此确定将洒水器的流量设计为10L/s,布置间距仍为6m。10L/s的产品构造与5L/s产品接近,价格与其相差无几,国内有多个企业生产并获得认证。

　　 红外探测器的设计虽为电气专业的工作,但实际上它直接影响到洒水器系统的启动方式和设计流量。根据《大空间智能型主动喷水灭火系统技术规程》(CECS 263:2009)6.2.1条规定,1个智能探测组件可控制1~4个洒水器。探测器的探测半径可以等于或大于洒水器的半径。业主要求在规范许可的前提下,尽量降低系统造价,而红外探测器的价格要远高于洒水器,故要求采用1控4的设计,大幅减少探测器数量。由此确定,当1个红外探测器探测到火情,需同时打开4个洒水器。

　　 1控4带来的问题如图2a的方案1,按常规的布置方式,当火源1位置着火,探测器1、3动作,同时打开8个洒水器可以控火;当火源2位置着火,则1~4号探测器将会同时探测到,需要同时打开16个洒水器方可控火,此时系统流量达到160L/s。在整个双层展厅的消防系统设计中,一个最初的原则是双层展厅的各个独立单元(包括上下层)按同时火灾1次考虑,上下层合用同一个自动水消防系统,从泵房至展厅的管网合用,直至下层报警阀前分开即可。下层净空高度12m,采用相同的作用面积和喷水强度,布置K=115的喷头,设计流量为108L/s,如果两者差异较大,采用同一个系统会带来如设备的选型、启动压力控制、管网设计、水压平衡等各种问题,降低整个系统的安全性和经济性。为使合用系统消除上述不利影响,需设法降低设计流量,亦即减少同时开启的洒水器数量。为此设计了图2b的方案2。

　　 方案2是一种“品”字形布置红外探测器的方式,即将每一行间距12m的探测器错位6m布置,3个探测器控制的洒水器保护范围形成“品”字形。当靠近边墙的火源1位置着火,离它最近的探测器距离不完全相等,根据距离的远近,探测器1、3、4先后动作,并打开其控制的10个洒水器实现控火;当火源2位置着火,则依次是探测器4、1、2动作;同理,当火源3位置着火,动作的探测器是2、4、5。当3个探测器所控制的洒水器打开后,火源可被完全包围在12个喷头合围的范围内。任何位置的火源,都能被控制在最多3个探测器探测范围、12个洒水器保护范围内,设计流量可控制在120L/s以内。

　　 图2仅为红外探测器控制原理的示意,实际在一个着火点周围,洒水器喷水所覆盖的区域内,每个点的喷水强度是不同的。按每个洒水器的喷水半径为6m计算,可以画出洒水器喷水区域如图3a粗线范围,12个洒水器喷水所能覆盖的区域面积为697.15m²。单个洒水器的喷水面积为113.1 m²,假定每个洒水器的喷水量在其覆盖面积内是均匀的,则有如图3b所示的洒水器覆盖区域分析,用不同的阴影表示该位置被喷水区域覆盖的洒水器个数。仅1个洒水器能喷到的区域,其喷水强度仅为5.3L/(m²·min),而越多洒水器能喷到的区域,其喷水强度就越大。统计整个区域,1~4个洒水器所能覆盖的区域面积和喷水强度见表1。

　　 从图3和表1的分析可见,在仅1个洒水器喷洒到的范围内,喷水强度较低,但这部分区域离开火源较远;而离火源较近的区域,能喷到的洒水器数量较多,有2个及以上洒水器能喷到的区域总面积为422m²(大于规范要求的400m²),其加权平均喷水强度为13.5L/(m²·min)[大于规范要求的12L/(m²·min)],这部分区域较均匀地将火源围在中心,可实现有效控火。

　　 大空间洒水系统的供水与双层展厅下层的自动喷水灭火系统合用水泵和稳压装置。地铁北侧双层展厅(4.1H和4.2H)及北侧小展厅NH由E区圆楼地下室消防泵房供水,地铁南侧4个双层展厅(5.1H~8.2H)由G区地下车库消防泵房供水(泵房控制区域说明详见文献[2])。每个泵房设4台自动喷水系统加压泵(单台Q=40L/s,H=105 m,N=75kW,3用1备)和1套稳压设施(Q=1L/s,H=25m,N=2.2kW,1用1备,稳压罐调节容积300L)。加压泵从消防水池吸水,稳压设施从屋顶水箱吸水,两个系统的屋顶水箱分别设于E区圆楼屋面南北两侧,有效容积均为36 m³。每个系统2路DN300水泵出水管在圆楼8m平台下成环并向每个展厅分别接出2路DN300供水管,环状供给展厅辅楼分设的3个报警阀间(供下层展厅各防火分区及辅楼的自动喷水灭火系统)和上层展厅的洒水系统。

　　 展厅内洒水器供水主管布置为琴弦状(见图4):2路DN250的供水干管经信号阀和水流指示器后沿着展厅四周成环敷设,沿着每榀桁架下布置DN250配水管,两端与环管相接,每条配水管间距为18m,各条配水管上引出支管接洒水器,每个洒水器前设检修阀和电磁阀,洒水器入水口处的最小工作压力为0.25 MPa。

　　 前文已论述过,每个探测器控制4个洒水器。为实现发现火灾至出水灭火的全自动控制,需要将全展厅内洒水器及其电磁阀按每4个划分编组并成“品”字形布置,每组洒水器与其中心布置的红外探测器做编码对应。当任意红外探测器报警,将联动打开对应的电磁阀,洒水器开始喷水并启动火灾报警系统。而当3个红外探测器报警并打开了电磁阀后,其余探测器将不再继续报警或打开更多的电磁阀,以保证每个洒水器的流量。同时,电磁阀还能由消防控制室手动强制控制,并设有防误操作措施。当被保护的场所要求“严禁误喷”时,还应增加由现场人工控制电磁阀的设施,本项目未有“严禁误喷”的要求,因此未设现场人工控制设施。

　　 红外探测器除了控制电磁阀外,同时还控制自动喷水灭火系统主泵的启动。由于水泵同时还给展厅的自动喷水灭火系统供水,因此系统主泵的启动方式除了红外探测器报警信号启泵外,还有自动喷水灭火系统的报警阀压力开关可控制启泵。

　　 由于系统的流量较大,达到120L/s,系统设有4台主泵,每台40L/s,3用1备。考虑到同时启泵的电流非常大,对电气设计不利,因此在给电气专业提资时,要求接到报警信号后逐台启泵,第一台泵启动后,以后每台泵比前一台延时15s启动,当有任意一台水泵故障,15s后未能正常启泵时,系统将自动启动下一台泵,直到达到设计流量。主备泵可以轮换。

　　 大空间洒水系统和喷淋系统合用水泵还带来一个问题,即展厅辅楼部分仅是普通的中危险Ⅰ级的喷淋系统,只需要启动1台泵即可达到设计流量。设计通过对报警阀编组来实现控制水泵的开启台数。控制展厅的报警阀,口径为DN200,控制辅楼的报警阀,口径为DN150,对其压力开关进行编组,展厅组的压力开关发出信号时,可启动3台泵(延时启动),辅楼组的压力开关发出信号时,仅启动1台水泵即可。这个编组,可以通过PLC编程控制来实现。

　　 由于洒水器系统和喷淋系统对压力的要求有不同,设计按最不利要求选泵,当喷头喷水或是电磁阀打开洒水器洒水后,两种系统的压力变化情况也有所不同,如直接通过泵出口压力设定控制水泵的开启台数,设定值不能兼顾,因此在设计中,未采用压力控制主泵的启动的方式。

　　 大空间洒水系统初步确定后,上层展厅108m的跨度和5%的屋面坡度带来的意想不到的困难出现了。为保证探测效果且避免被淋湿失效,要求所有红外探测器组件与洒水器安装在同一高度。但桁架大多和屋面一样带有5%的坡度,在近外墙一侧还有变坡,使桁架底标高有接近3m的高差。如果将洒水器和探测器都安装在桁架最低点以下,则靠近中部的管道和洒水器的固定需要6~7m长的管道吊架,大大压低了展厅可利用的空间,同时严重影响上层展厅屋面的美观,无论建筑设计还是业主都无法接受。

　　 为考虑整个展厅室内空间的净空,其他设备管线尤其是暖通的大型风管是按照桁架的坡度平行敷设,大量利用了桁架之间的空隙,因此桁架内没有一个标高可以供洒水系统管线通行无阻。同时,洒水系统配水管道的固定仍需依托桁架,必须在桁架下弦杆正下方平行敷设。

　　 最终将配水管和洒水器、探测器的标高抬高至距上层展厅地面18.5m。在外侧桁架变坡压低处,将配水管分成2路,避开桁架下弦杆和外围供水环管相接,最大限度地提高了安装高度,将空间留给展厅。图5为展厅外侧部分洒水系统配水管与桁架的关系示意。

　　 洒水器的点位布置间距为6m,每个洒水器还需配支管、电磁阀和检修阀,除主管可由桁架下弦杆生根固定外,其余管道和配件的固定仍是一大难点。整个展厅的顶面,是由铝镁锰合金制成的轻盈的叶片和用400多mm直径的钢管连接而成的间距18m的桁架撑起,能受力的点很少。如由屋顶檩条上挂支架固定,则一端自由的支架在洒水器动作时不可避免产生晃动,顶端的固定点很容易被破坏导致系统失去稳定。一个本专业合理的设计,如果得不到相关专业的配合,就是不成立的设计。得不到支撑和固定的洒水器、探测器、管道和阀门,就是一堆漂浮在纸面上的符号,无法在火灾时发挥其应有的作用。

　　 为解决支撑和固定的难题,设计与施工单位密切配合,设计制作了同一水平标高的模块化整体支架,所有阀门、管道、配件都与整体支架固定,整体支架再通过多点与屋面或桁架相连接,保证洒水器工作时的稳定性。1个整体支架负责固定9个洒水器及其配件,可在地面模块化制作,操作面在整个展厅地面,便于多个作业点同时进行,此外还可以在地面将管道和配件直接固定好后,将支架和所有管道、配件一同吊装升至顶部完成与桁架和屋顶檩条的连接,大大加快了施工的进度。如图6所示,虚框内是一组整体钢架单元示意,它采用100mm×60mm方钢制作,管道和配件附近都有可靠的固定点,纵横交错的方钢在固定管道的同时也构成了一个稳定的结构。整体钢架用6个矩形钢管吊点和6个钢丝绳吊点固定在屋面檩条上,DN250的配水管则通过间距9 m的两个U形框架方钢吊架固定在桁架下弦杆节点上。模块化的整体钢架安装完成后,相邻的两个模块之间再用1~3道方钢连接,还可增加钢架的整体稳定性。经结构复核钢架本身和所有管道、配件的荷载,满足屋面和桁架的受力条件。图7为洒水器支架安装照片。

　　 净空高度18~25m的大空间展厅,适合采用大空间洒水系统。应选用适当规格的洒水器、采用合适的布置间距,使其满足规范对喷水强度和作用面积的要求;选用的洒水器必须是经过消防认证的产品。在1个红外探测器控制多个洒水器的情况下,要注意探测器布置方式对设计流量的影响,可以选择“品”字形的探测器布置方式,将最有效的水量集中在火源周围,用最小的设计流量达到最佳的效果。设计过程中,还要特别注意管道、配件的支撑和固定方式,不可有失稳的风险。