北京大兴国际机场航站区工程是新机场建设的重要组成部分, 总建筑面积约143万m², 以2025年满足7 200万人次/年旅客吞吐量为设计容量目标, 见图1。本文所介绍的航站楼及换乘中心工程 (简称航站楼) 为航站区项目子项工程, 先期配备处理4 500万人次/年旅客吞吐量的相应设施。航站楼项目位于永定河北岸, 北京市大兴区榆垡镇、礼贤镇和河北省廊坊市广阳区之间。建筑占地面积约30万m², 总建筑面积约78万m², 地上5层, 地下2层, 建筑高度50m (金属屋面最高点) , 混凝土结构标高约28m。目前本工程已经进入机电安装和内部装修阶段, 预计2019年6月竣工验收, 9月30日前通航。

本项目的消防设计原则上应遵循现行规范, 但由于机场航站楼项目使用功能上的特殊性, 导致有许多设计内容难以完全满足现行规范。项目不能满足规范的部分依据功能可以划分为4个区域: (1) 公共区域, 包括B1～F5层旅客可以到达的公共区域, 总面积约541 476m²; (2) 行李空间, 包括行李处理机房以及用于行李转输的管廊、夹层、洞口等, 总面积约108 037m²; (3) 机电管廊, 全部位于地下1层, 包括电气与设备管廊, 总面积约44 305 m²; (4) 地下1层机房及服务车道, 总面积约46 933m²。以上区域进行了消防性能化设计^[1]。电气管廊、行李空间、大屋面下方等区域在消防策略上均不同于普通民用建筑;建筑占地面积大、供水距离远, 其消防供水系统也较普通民用建筑复杂。根据设计阶段参照的《民用机场航站楼设计防火规范》 (GB 51236-2017) 征求意见稿及民航局组织的初步设计专家评审会的评审意见, 要求室内消防水量按照现行设计规范的2倍考虑。增加了消防系统的设计难度。

针对初设评审会的评审意见中关于"室内消防水量按照现行设计规范的2倍考虑"的要求, 提出以下3种方案进行对比, 见表1。

方案一:对平面区域进行分区, 各个区域设置独立的消防水池、水泵房、消防泵和供水管道;2处消防水池、水泵和管网分别满足1倍消防用水量, 如图2a。方案二:对平面区域进行分区, 各区域共用消防水池和水泵房, 消防泵和供水管道则相互独立, 消防水池储存2倍消防用水量, 各分区水泵和管网满足1倍消防用水量, 如图2b。方案三:平面区域不分区, 全楼各系统分别共用1套消防水池、消防泵及供水管网, 消防水池、消防泵组和中心区环管满足2倍消防用水量, 指廊按照1倍消防用水量设计, 如图2c。

本工程虽然占地面积大, 但是由于采取五指廊放射状布置, 整座建筑布局紧凑, 航站楼内最远两点的直线距离只有1 200m, 将消防泵房布置于航站楼靠中间的位置, 并适当扩大供水干管管径, 可以避免管道压力差过大的问题。供水干管大部分布置于设备管廊内, 不确定因素少, 检修方便, 避免了维护复杂的问题。考虑到安全性及经济性等因素, 最终采用方案三。如图2c, 其中, 中心区功能多、层数多、面积和人员密度较大, 其环管 (12345管段) 的流量按照2倍消防流量计算;指廊区域主要为候机功能, 建筑面积和人员密度相对较小, 消防管网按照1倍消防流量计算。

室外消防给水由市政管网供给, 室内消防用水量储存在室内消防水池。各系统室内消防用水量如表2所示, 防护冷却水幕用于行李机房内防火卷帘的冷却;库房喷淋按照仓库危险Ⅱ级设计, 计算流量为45L/s, 喷水时间2h;其他喷淋系统参数将在本文第3节介绍。为计算同时使用的最大室内消防用水量, 选取典型起火部位, 根据需要同时开启的系统计算用水量, 如表3。可见, 当2处库房同时着火时, 系统的用水量最大, 为756+756=1 512 (m³) , 消防水池的最小容积即为1 512m³。

消防主泵的配置有2种方案: (1) 各系统分别配置2台满足2倍消防用水流量的消防泵 (1用1备) ; (2) 各系统分别配置3台满足1倍消防用水流量的消防泵 (2用1备) , 逐台启动。2种方案均能满足消防供水要求, 方案 (1) 启泵控制较为简单, 但设计时为了避免大功率电机启动电流过大影响电网稳定性, 最终选择方案 (2) 。水泵自动启动通过水泵出口压力开关控制, 压力开关压力下降至启泵压力时启动首台消防泵, 若压力继续下降则代表同时发生了第二处火灾或者1处火灾点的用水量超过了设计流量, 此时启动第二台消防泵。

(1) 出于惯性思维, 容易将全楼最高点认定为系统最不利点进行水力计算。本工程设计时分别计算了从消防泵房向全楼最高点 (图2cA点5层或图3A点) 供水和向系统最远点 (图2cE点3层) 供水时管道的压力差, 结果表明系统的最不利点是在图2c E点3层的系统最远点。

(2) 中心区主环管水头损失未按2倍消防流量进行计算。计算时选取2处着火点, 其中一处为前面确定的系统最不利点, 如图2c, 最不利工况发生在E指廊最高点和F指廊最高点同时着火时, 此时0-1-2管段承担了2倍消防流量。

航站楼地下1层设置了设备管廊和电气管廊, 电气管廊内为电力电缆和通信线缆等, 其中, 消防负荷电缆为矿物绝缘电缆, 非消防负荷电缆为阻燃电缆。根据《城市综合管廊工程技术规范》 (GB50838-2015) , 干线综合管廊中容纳电力电缆的舱室, 支线综合管廊中容纳6根及以上电力电缆的舱室应设置自动灭火系统;其他容纳电力电缆的舱室宜设置自动灭火系统, 但规范中并未规定采用哪种自动灭火系统。除了常见的气体灭火系统、细水雾系统、水喷雾系统之外, 依据美国消防协会标准NFPA850, 电缆可以采用水喷淋系统进行保护。因此, 设计阶段分别对上述4种自动灭火系统的优缺点进行了比较, 见表4。

从表4中可以看出, 相比于其他设施, 喷淋系统具有占地面积最小、造价最低、维护成本最低的优势, 虽然国内应用较少, 但国外已有成功经验, 所以本工程电气管廊采用喷淋系统。喷头设置在仓室顶部, 水滴自上而下流淌, 能起到冷却的作用, 管廊底部设置排水沟, 灭火时产生的废水由集水坑内设置的提升泵排除。设计参数借鉴了NFPA 850中的规定, 设计喷水强度为12L/ (min·m²) , 作用面积按照200m²计算。

行李处理机房位于首层中心区, 层高6.5m, 局部2层通高约12m。由于机场行李托运对于酒类、香水等易燃物品有严格的数量限制, 参照《建筑设计防火规范》 (GB 50016-2014, 2018年版) 对火灾危险性的定义, 行李处理机房危险性类似于丙类。《民用机场航站楼设计防火规范》 (GB 51236-2017) 规定行李机房的危险级为中危险Ⅱ级, 但是对于行李机房内的2层通高区域应该采用哪种设计参数并未规定。

行李机房局部2层通高区域顶部距地12m, 烟气收集较慢, 喷头喷放时间也要滞后于常规系统, 另外水滴下落时容易受到气流的影响。根据消防性能化评估报告^[1], 对于2层通高区域采用快速响应喷头, 喷水强度和作用面积也较中危Ⅱ级略有提高, 如表5。由于快速响应喷头不能应用于干式系统和预作用系统, 因此喷淋采用湿式系统。行李处理机房是个半敞开的房间, 北方冰冻地区需要考虑防冻保温措施。本工程空调机房出风口部分设置在行李机房内, 建筑内其他功能区的热空气可以保持行李机房内部一定的温度, 机房出入口30 m范围内管道则设置了电伴热保温。

本工程的设计工作开始于2015年初, 喷淋系统依据的规范为《自动喷水灭火系统设计规范》 (GB50084-2001, 2005年版) , 2018年1月1日起, 《自动喷水灭火系统设计规范》 (GB 50084-2017) 已经施行, 2017年版喷淋规范5.0.2条补充了8～12m工业厂房的设计参数, 规定喷水强度为15L/ (min·m²) , 作用面积为160m², 喷头间距为1.8～3m, 今后8～12 m净高的行李机房可据此设计。笔者根据上述参数进行了水力计算, 选用流量系数K=115的喷头, 喷淋的设计流量为46.99L/s, 与本工程原设计的喷淋系统设计流量 (50L/s) 相近。

在我国早期的航站楼设计中, 考虑到大空间区域人员流动频繁, 可燃物少, 有限的可燃物在高大空间里不容易蔓延, 也不会对建筑物钢结构构成威胁, 因此对12m以上空间不设置任何自动灭火系统^[2]。近年来, 随着消防设计要求的日益严格, 航站楼大空间的自动灭火装置已成为常规配置。

由于部分大吊顶距离地面的高度超过了喷淋的最大设置高度, 大吊顶形式不利于喷头及喷淋配水管道布置以及高位水箱设置困难等因素, 航站楼金属屋面大吊顶下方地面采用喷淋系统进行保护较为困难, 设计中一般采用带自动跟踪定位功能的消防水炮进行保护。经过调研国内航站楼, 发现此区域水炮设置一般有以下2种方案:

方案一, 消防水炮设置在屋面大吊顶上。图3中1点, 采用此做法的建筑包括广州白云机场T2航站楼、杭州东站等。此做法的优点在于水炮布置不受地面构筑物布置的影响;大吊顶与地面距离远, 旅客不易发现, 相对美观。缺点是部分区域净高超过了水炮的最大安装高度 (30m) , 平面布置受天窗等屋面构造的影响;另外由于水炮设置位置过高, 维护保养不便。

方案二, 消防水炮设置在地面构筑物顶部。如:商业浮岛顶部, 图3中2点;值机岛顶部, 图3中3点, 采用此做法的建筑包括首都机场T3航站楼、深圳宝安机场T3航站楼等。此做法优点在于安装位置不会超过水炮的最大安装高度, 同时维护保养方便。缺点是水炮布置受地面构筑物的影响较大, 设计时应充分与室内设计师沟通, 避免水炮影响建筑美观。

本工程大屋面采用了C型柱、采光顶等特殊的构造, 为降低屋面构造对水炮平面布置的影响, 并考虑到维护保养等因素, 最终选择方案二。民用建筑中常用的消防水炮分为2种: (1) 自动消防炮 (简称大水炮) , 单台流量20L/s, 保护距离50m, 任意一点均需要2股水柱同时到达; (2) 自动扫描射水高空水炮 (简称小水炮) , 水炮单台流量5L/s, 保护范围25m。经市场调研, 大水炮的价格为小水炮的2倍左右, 但其保护的面积远大于2台小水炮。考虑到保护距离远、需求数量少、总造价低的优势, 优先采用大水炮, 当构筑物距离过近、存在遮挡时, 采用小水炮。为防止消防水炮伤人, 所选水炮均带有雾化功能, 图4所示为自动消防炮设置于值机岛顶部 (图3中3点) 施工现场安装示意。

对于楼板开洞导致2、3层通高的区域, 如图3中4点、5点。由于2005年版喷淋规范中对超过8m净高区域喷淋的喷水强度和作用面积取值较高, 不论是8～12m还是12～18m净高, 设计中一律采用水炮系统。近期发布的2017年版喷淋规范将设置喷淋的净高提高到了18m, 参数要求有所降低, 笔者按照规范布置喷头, 计算得出的喷淋流量约为47L/s, 常规的喷淋供水系统均能满足, 考虑喷淋系统的技术更为成熟, 因此在今后的设计中, 2层、3层通高且有条件设置喷淋的区域, 建议优先考虑设置喷淋系统。

本工程设计过程中对若干种可行的消防供水与自动灭火方案进行了比较, 权衡利弊, 最终选择了最合适的方案。对机场航站楼消防系统的设计具有借鉴意义, 对火车站、会展中心、大型商业综合体等体量大、供水距离远或内部含有综合管廊和高大空间的建筑也有一定的参考价值。