建筑高度超过250m的超高层建筑, 因火灾时常规消防车扑救高度已不能满足高层建筑要求, 必须依靠自救, 故此类建筑的消防给水系统已倾向于采用高位消防水池重力供水的高压给水系统, 将容积小则五、六百立方米, 大至上千立方米的高位消防水池设置在建筑屋顶。与此同时, 超高层建筑因为结构受地震和风振的影响十分明显, 往往需要通过增加设置阻尼器, 耗散结构振动能量来达到减小结构所受振动, 应对风致振动, 在强风时降低加速度响应、降低大楼晃动幅度, 从而提高建筑内部人员舒适度。高位消防水池结合结构阻尼设计, 不仅有利于超高层自救灭火, 同时对结构抗风、限位起到积极作用。

笔者参与设计在建的苏州地标性建筑———苏州国际金融中心项目, 建筑主塔楼高450m, 结构定义为超限高层建筑。根据风洞试验要求, 需要在屋顶设置阻尼系统, 通过降低建筑的风致加速度, 以提高建筑使用者的舒适度。与此相呼应的是, 项目通过消防专家评审会议, 明确室内水消防系统必须采用高位消防水池重力供水的高压给水系统。

根据建筑振形方向, 本项目阻尼水箱需斜向布置, 且水箱需覆盖机房顶及机房外的挑空区域, 因此无法设置传统的钢筋混凝土结构水箱。在与结构设计师反复沟通后, 最终本项目采用了装配式水箱作为阻尼水箱的本体, 并结合结构采用的TSD阻尼装置一起为该塔楼服务, 既起到防火救援的作用又满足了塔楼消能减振的功能需求。此举在世界范围内尚为首例, 给结构和给排水设计带来前所未有的挑战。

阻尼器是提供运动的阻力, 耗减运动能量的装置。从20世纪70年代后, 人们开始逐步把这些技术运用到建筑、桥梁、铁路等结构工程中, 发展十分迅速。当建筑达到一定高度时, 在风、地震等外力的作用下, 会产生横向及纵向的形变, 尤其在产生横向形变时, 人体较为容易感知。为提高人在建筑内的舒适性及安全性, 阻尼器得以在越来越多的建筑领域中使用。

结构振动控制系统通常分为4种, 见图1。在建筑设计中被广泛应用的主要是被动控制技术, 即不需要提供动力, 仅靠建筑物晃动时阻尼器晃动与建筑物的晃动形变形成90°相位差, 以纠正调整建筑物形变位移。被动控制从控制机理上可分为基础隔震、消能减震和吸能减振3种体系。其中, 应用最广泛的吸能减振阻尼器又分为调谐质量阻尼器 (TMD) 、调谐液体晃荡阻尼器 (TSD) 及调谐液柱阻尼器 (TLCD) 3类。

调谐质量阻尼器 (TMD———Tuned Mass Damper) , 通常为金属质量块, 通过缆绳、液压杆等与建筑本体连接。TMD在建筑内运用较为广泛, 如上海中心采用1 000tTMD、台北101采用660t TMD (见图2) 、美国纽约莱克星顿大道731号采用600tTMD等。其中上海中心、台北101的TMD还作为观光使用。本项目在前期消防水系统设计为临时高压串联给水系统时, 结构采用的也是TMD。

调谐液柱阻尼器 (TLCD———Tuned Liquid Column Damper) , 通常设置在平面为长方型的建筑屋顶, 水池平面亦呈长方形, 其长边平行于建筑短边。长方平面建筑中, 与短边平行方向的振幅大于长边方向的振幅, 因此与短边平行的方向为大楼的最不利方向。如图3所示, TLCD水池内水体呈U型, 在大楼晃动的过程中, 水池靠U型液柱两端的液位差来降低建筑的振幅。TLCD在超高层中的应用有:美国纽约兰登书屋 (Random House) 采用700tTLCD;美国费城One Penn广场采用1 180tTLCD;国内在建的广州珠江新城F2-4超高层项目采用的有效容积560m³高位消防水池与结构阻尼结合的设计也是TLCD的一种。

调谐液体晃荡阻尼器 (TSD———Tuned Sloshing Damper) , 其原理为在大楼顶部设置方形水池, 通过液体在水池内与大楼形变方向一致的晃动与大楼的震荡形成90°相位差来吸能减震, 示意见图4。TSD在美国北部应用较为广泛, 如美国纽约Barclay大街10号, 采用了170tTSD水箱;阿联酋迪拜公主塔采用497tTSD水箱。

在以往的工程案例中通常采用钢筋混凝土水池与TSD或TLCD协同设计, 而在本项目中TSD则是与钢制装配水池相结合, 这在世界上尚属首例。

根据风洞试验提供的结果, 依据建筑振形方向, 本项目阻尼水池并非直接布置于芯筒上空, 而是需要跨出芯筒区域, 斜向布置。如图5所示, 整个水池覆盖了93层机房顶及机房外的挑空区域, 因此无法设置传统的钢筋混凝土结构水池。在与RWDI风洞实验室和结构设计师反复沟通后, 最终确定采用装配式水箱作为阻尼水箱的本体, 配合结构采用的TSD阻尼装置一起为建筑起到防火救援和消能减振的作用。

图5中无填充区域为91层屋面, 斜线填充区域为92层机房层 (即为核心筒范围) 屋面, 矩形填充区域为TSD平面位置。

TSD水池的尺寸与大楼的高度、体量有重要的相关性。结构设计顾问对TSD水池模拟试验分析结果提出, 为保证大楼达到设计减振效果, 本项目TSD水池的理想尺寸为19 m (L) ×16.5 m (W) ×4.0m (H) , 调谐水位需控制在1.72~2.61m范围内。根据消防用水量计算, 本项目高位消防水池的有效容积应大于540m³, 依据平面尺寸推算, 水池有效水深应达到1.73 m。考虑水池最低液位需淹没联通管 (设置在水池侧底部) 及消防水泵吸水总管管顶标高约0.4 m、水池超高报警液位高出有效液位0.05 m, 则水池总水位应不低于1.73+0.4+0.05=2.18 (m) , 理论上满足结构对调谐水位的控制要求, 但最终的调谐水位需根据大楼建成后调谐水位实测值再进行分析计算调整。如果大楼建成后, 经过实测后计算分析TSD的调谐水位为1.8m (大于必要水深1.73m+0.05m) , 则需在水池底部增加挡板, 挡板高度约为0.45m, 使此0.45m高度的水在大楼晃动时保持相对静止, 仅上部1.8m深的水起到反向晃动从而达到减振的功能, 此时总水深则为2.25 m。考虑到0.45 m的挡板高度高于0.4m的最低液位, 为保证最低液位的有效性, 在挡板中心高度预留数个直径100mm圆孔, 并在挡板与水池底之间预留100mm空隙。水池剖面示意见图6。

根据《消防给水及消火栓系统技术规范》 (GB50974-2014) 4.3.11.5条, 高层民用建筑高压消防给水系统的高位消防水池总有效容积大于200 m³时, 宜设置蓄水有效容积相等且可独立使用的两格;当建筑高度大于100m时应设置独立的两座。而根据结构设计顾问对TSD水池尺寸要求, 为确保TSD水池内液态的整体晃动特性, 是不允许采用固定分隔的。如何解决这一矛盾, 在本项目中设计采用了在河道工程中常用的河道闸门技术, 即在水池的中间部位设置了4块闸板, 闸板采用电动机驱动, 在水池需要检修时, 将4块闸板放下, 使水池分为2格, 检修其中的一格时将另外一格的水放空。此项技术要求闸板有较好的密封性能, 不能出现分隔闸板降下时水从非检修格进入检修格, 影响水池的清洗、检修 (尤其在运行期间水箱模板发生破损需要维修焊接时) 。鉴于此, 设计要求水箱供货商在闸板的导槽两侧加设P型止水密封胶条, 控制水池清洗检修时闸门处泄漏量不大于0.8L/ (min·m) 。水池闸门构造如图7所示。

根据结构设计顾问模拟分析, 受到地震、大风等外力影响, 大楼会在横向和竖向发生形变位移。暂不考虑竖向位移对水池内液位的影响, 当发生横向位移即X向或Z向位移时, TSD水池内的水会形成波浪。波浪的往复运动, 会造成补水控制阀频繁启闭而造成设备故障。

根据结构设计顾问对TSD水池模拟试验分析结果提供的水池平面尺寸及浪高, 给排水专业需要配合计算TSD水池的消防有效水深, 复核消防有效水深与阻尼器最佳运行调谐液位的关系, 进行协作调整并设置相关措施。最终, 结合结构专业在水池内设置的桨柱位置确定液位计的摆放位置, 并通过信号确认的方法控制对应泵组、阀组的启停。具体做法见图8。

TSD的9个桨柱在水池内呈三横三竖的九宫格排列, 用于联动控制水池补水控制阀的2个电子液位计分别设置于对角的两个桨柱旁 (图8中圆形图示) , 用于联动控制转输泵的电子液位计设置于另外一个顶角的桨柱旁 (图8中三角形图示) 。

用于联动控制水池补水控制阀的液位计通过联动逻辑编辑判断, 当2个液位计探测到的液位均低于最高液位时, 打开补水控制阀;当2个液位计探测到的液位均高于设定的最高液位时, 联动关闭补水控制阀, 以此来避免补水控制阀频繁启动。用于联动控制消防转输水泵的液位计探测到的液位低于设定的最低液位时启动下方设备层的消防转输泵;当该液位计探测到的液位高于设定的超高报警液位时, 发出超高液位报警信号至消防控制室, 由具有权限的管理人员人工判断是否停止下方的转输水泵。

此外, 为确保TSD的调谐液位, 采纳了TSD设计顾问提议, 在水池的长边及短边的中点还分别设置了1个超声波液位计, 用以对水池内的液位及波浪形态进行实时监测。超声波液位计的报警信号不联动下方的转输水泵及补水控制阀, 仅作为液位报警信号, 由值班人员确认水池液位后判断是否需要手动启动转输水泵或补水控制阀。

因TSD水池内水往复运动, 对水池侧壁会有持续的冲击, 因此水池箱体需比普通水池强度要求高, 且需要考虑疲劳问题。设计过程中, 要求水池侧壁可承受水池满水荷载要求, 即当水池水位高达4 m时, 水池侧壁亦应有足够的支撑力。同时需要TSD设计顾问提供水池内液位浪高对水池侧壁的冲击力, 由水池供货商在对侧壁受力复核后确定最终的水池内部构造、壁厚以及拼接处补强措施。

传统的阻尼器高位消防水池通常采用钢筋混凝土结构, 使水池与建筑本体成为坚固的刚性连接, 如美国费城的Comcast大厦、韩国的新松岛城等。而本项目TSD水池, 根据建筑振型方向需呈斜向布置, 如图5所示, 高位消防水池需部分位于建筑本体上方, 部分位于挑空区域, 无法采用钢筋混凝土结构。

鉴于此, 本项目水池基础支撑采用通过建筑本体结构上预留预埋件的方式进行连接。具体做法如图9所示, 在建筑 (机房屋顶) 区域本体结构上预埋型钢及钢板, 钢板上预留铆栓孔以连接水池基础 (图9中方形图块) 。在挑空区域, 于92层大屋面楼板梁上设置钢筋混凝土柱, 柱内预埋型钢及型钢柱顶设置钢板平台和铆栓孔用以与水池基础连接 (图9中圆形图块) 。水池立柱基础及斜拉基础与预埋钢柱通过焊接或铆接连接。

查苏州地区气象资料, 冬季室外温度为-2.5℃, 极寒天气温度为-8.3℃。水池位于450 m的塔楼顶部, 且为露天设置, 环境温度较地面温度更低, 已处于冰冻线以下, 尤其当冬季少风时, 故水池存在冰冻可能。虽然水池中的水在运动过程中会因被桨柱阻挡消耗部分动能转化为热能, 且水容量越大越难形成冰冻, 但水池内水体发生冰冻会导致TSD自由液面失效、水池本体破坏、箱内水体密封难以供水、冰块堵塞过滤器等问题。为谨慎起见, 露天TSD水池必须设置可靠的加热保温措施。

设计首先要求在明露管道及水池与管道连接处设置电伴热保温, 外做30mm厚的保温层, 再做0.8mm厚铝合金薄板保护层。电伴热自控温度为5℃, 以确保室外明露管道内的静水不会结冰;其次, 因水池箱体体量较大, 倘若整个水池外壁设置电伴热系统, 则造价过高且运行耗能较高。考虑到结合水池内水量大较不易结冰的特点, 设计采用在水池外表面设置50mm厚的玻璃岩棉, 并用0.8mm厚铝合金薄板包覆。此外, 为应对极端天气, 在水池内的桨柱上设置加热棒, 当水池内水温低于4℃时开启加热棒对水池加热, 当水池内水温上升至6℃时关闭加热棒, 以保证水池内水温始终维持在5℃左右。在监控上, 要求所有电伴热温控工作情况均需反馈到中控室。

TSD与钢制装配水池的协调设计又一难点在于如何将桨柱与水池本体有机结合。两者的材料性能除需要满足特定的强度外还应具有一定的机械抗疲劳性能, 目前国内暂没有相关规范可以参照。本项目TSD设计顾问参照了加拿大相关规范要求, 将TSD桨柱及水池本体的材质设定为Q345碳钢。Q345碳钢是低合金钢, 广泛应用于桥梁、车辆、船舶、建筑、压力容器、特种设备等。考虑电化学腐蚀因素, 预留套管均需使用同一系材料。据此, 防水套管采用Q235-A材质, 焊接连接。采用碳钢作为水池的本体及其附件的材料, 仍需考虑材质的防腐, 因此, 预制钢板需在工厂内加工并进行防腐处理。为便于钢板现场吊装, 同时又不宜分割太多以免现场焊接时防腐补救比较困难, 初步确定单片钢板的尺寸控制在10m×4m以内, 在工厂内加工并进行一遍热喷锌两遍防腐涂料喷涂的防腐处理。待钢板运至现场吊装至指定区域焊接后, 再进行补锌及补防腐漆的补救处理。

水池内的配件均由中标单位深化并经设计单位确认后方可加工。配件在工厂内加工后运输至现场进行焊接安装, 因此水池上开孔及套管的预留需准确, 避免装配件运输至现场后因不满足功能需求返厂加工。考虑水池底部为架空层, 具有底部出水条件, 在使用旋流防止器的情况下, 按照欧盟标准EN 12845中条例9.35的规定, 管道公称直径为DN300时, 水池最低允许水位为300mm, 本项目中水池最低水位为400mm, 也满足了《消防给水及消火栓系统技术规范》 (GB 50974-2014) 5.2.6.2条对高位消防水池最低有效水位护高度的规定。水池的溢流液位需满足TSD在晃动时波浪波峰到达时不致使水池内的水漫过溢流口而造成水的流失, 根据TSD设计顾问模拟计算, 溢流口标高设为3.6m (以水池内底为±0.0 m基准) 。设计过程中, 考虑水池中间部位为波浪往复过程中平均液位最低位置, 原拟将溢流口设于该处, 但该处管道难以固定且受力最大, 经综合考虑将溢流管出口设置于靠近水池侧壁 (溢流喇叭口下的垂直管段不小于4倍溢流管管径) 。其他预留套管以满足使用功能、操作方便为原则预留, 主要套管预留示意见图10。

装配式高位消防水池与结构阻尼器的协作设计, 在超高层建筑设计中尚属首次。该方式在提升建筑内人员使用舒适性, 提高建筑室内消防供水系统及建筑本体的可靠性、安全性的同时, 还降低了工程造价 (据初步核算, TSD钢制水箱的整体造价为TMD系统的1/4~1/3) 。当然, 设计提出的相关应对措施最终还是需要结合水箱组装、现场安装、调试及运行情况, 再作优化调整。