超大规模购物中心(Shopping Center)兴起于20世纪初,五六十年代在美国等发达国家盛行,掀起了商业经营方式的新浪潮,并逐渐以其购物、餐饮、休闲、娱乐、旅游等综合性经营模式与完美的环境配套设施而风靡欧、美、日及东南亚国家。近年来,随着我国经济的发展,购物中心开始席卷中国,迅速刮遍了内地各大城市。

　　 武汉英特宜家购物中心选址位于武汉市硚口区额头湾,外观形如一条“鱼”,设计灵感源于有名诗句“才饮长沙水,又食武昌鱼”,富含标志意义和代表性。购物中心集百货、超市、时尚、家电、运动、餐饮、娱乐影院及家居等全方位消费功能于一体,主体5层,局部6 层,建筑高度为33.53 m,总建筑面积242 124m²。方案设计单位:BDP(BDP建筑师事务所);初步设计单位:同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,合作设计单位:BDP;施工图设计单位:同济大学建筑建设研究院(集团)有限公司,合作设计单位:BDP、B+H建筑师事务所、艾勒泰建筑工程咨询(上海)有限公司。武汉宜家是华中地区最大的一站式购物中心,已于2015年4月30日正式开业运行。本文就武汉宜家购物中心的自动喷水灭火系统设计进行详细介绍,总结以大型购物中心为代表的综合性建筑的设计方法,不同消防系统的设计组合及设计成果。

　　 作为大型商业中心,为了减少建筑火灾危害、保护人身和财产安全,消防系统的设计至关重要。宜家作为大型购物中心,具有建筑面积大、人员密集、各场所火灾危险性多样化等特点,因此,其自动喷水灭火系统设计较为复杂,主要有以下特点:

　　 (1)场所功能复杂,使用性质多样。主要区域分别为1层停车库,2~5层左侧A~F区6个岛为零售品牌及大型餐饮店铺,中庭为安全区域及大空间,右侧H区2、3层为欧尚大型超市、苏宁电器仓库,4、5层为影院,2层以上平面布局见图1。

　　 (2)自动喷水灭火系统形式多样。针对不同场所,设计除采用常规自动喷水灭火系统外,还分别设计了窗玻璃卷帘保护系统、预作用系统、泡沫系统、消防炮系统。

　　 (3)不同场所的设计参数、标准及危险性区别较大。宜家作为外资企业,设计除了需要满足国内现行《建筑设计防火规范》(GB 50016-2006)、《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50084-2001,2005年版,以下简称“喷规”)^[1]等国标外,还应同时满足宜家技术手册(Techical Design Manual,简称TDM)、NFPA13^[2]等国际标准,因此致使不同场所的设计喷水强度、喷头选型等具有较大的差异性,不能一概而论。

　　 英特宜家武汉购物中心由于建筑体量大,各层、区功能多样化,因此依据其功能及使用性质,设计消防灭火系统。各部位设计采用的灭火系统见表1。

　　 自动喷水-泡沫联用系统可用于A类固体火灾、B类易燃液体火灾、C类气体火灾的扑灭,根据原《汽车库、修车库、停车场设计防火规范 》(GB50067-1997)、《泡沫灭火系统设计规范 》(GB50151-2010)^[3]及武汉消防局的要求,1 层汽车库采用泡沫+干式系统,即在原有的干式自动喷水灭火系统上增加泡沫液储罐,通过比例混合器将泡沫原液和水制成泡沫混合液,经电磁阀供至系统管网,实现水泡沫系统的联用灭火。

　　 其设计参数如下:

　　 (1)设计用水量。系统作用面积465 m²,泡沫混合液供给强度6.5L/(min·m²),连续供给时间10min。系统采用6% 水成膜泡沫液,喷头设置高度小于9m。

　　 设计理论用水量Q_S=1.3×6.5×465/60=65.5(L/s)。

　　 在计算出理论用水量的同时进行管网水力计算,选取系统最不利作用面积465 m²,实际动作喷头数量为45个,最不利喷头压力取0.05MPa,系统实际流量为Q=72.55L/s,与理论流量基本吻合。

　　 (2)泡沫系统的设计用量^[4]。

　　 式中V_f———设计用量,L;

　　 K———安全系数,通常取1.3~1.6;

　　 Q_S———系统设计流量,L/min;

　　 B———泡沫液浓度,设计中采用6%的水成膜泡沫液;

　　 T———泡沫液供给时间,取10min。

　　 计算得V_f=1.3×3 930L/min×6%×10min=3 065L。

　　 (3)泡沫系统选型。系统选用3T嚢式压力比例混合装置,ZPHY64 比例混合器(进出口通径DN150),泡沫罐主管道进出口通径为DN150,泡沫原液管道为DN40。6%水成膜泡沫液3 000L(不含泡沫液管道充满量)。

　　 (4)喷头选型。1 层车库喷头采用直立型压缩式易熔合金标准喷头K=80,公称动作温度74 ℃。

　　 (5)管网设计。系统在非工作状态下,管网为干式,管道内为有压气体,泡沫原液贮存在比例混合装置中。火灾发生时,通过管网末端设置的电磁阀和快速排气阀迅速排除管网内气体,报警阀动作,管道内充水,系统转变为湿式系统,系统喷水灭火。同时,泡沫原液与水经比例混合装置混合,形成6%的水成膜泡沫液,通过泡沫管道供至各防火分区水流指示器后的比例混合器,湿式系统转变为泡沫系统,系统喷放泡沫灭火。系统原理如图2所示。

　　 “喷规”规定,干式系统的配水管道充水时间不宜大于1min(管道容积1 500L),湿式系统自喷水至泡沫的转换时间,按4 L/s流量计,不应大于3min(管道容积720L)。

　　 泡沫+干式系统与常规湿式系统不同,火灾时干式系统转化为湿式系统、湿式系统转化为泡沫系统需要一定的时间,为了保证灭火效率,本工程干式系统充水时间取1 min,湿式系统转化为泡沫系统时间取3 min。从报警阀至管网末端喷头、快速排气阀和从泡沫比例混合器至管网末端的管网容积,分别为1 500L和720L。由于泡沫管道的管网容积约为水的1/2,因此系统控制的管网容积取720L,即每720L管道设置一组水流指示器、信号阀及比例混合器。

　　 管道的控制距离根据干管、支管的管径和长度以及每米管道的容积计算得出。因为防火分区较多且各分区的建筑面积较大,如果将报警阀设于防火分区的一端,则会造成管道距离过长,不能满足要求。因此在汽车库区域均匀布置6个报警阀间,其内分别设干式报警阀及比例混合装置,每个报警阀间均位于其所负责的防火分区中部,如图3所示。

　　 湿式系统的设计关键在于明确建筑的火灾危险等级及相应危险等级下喷淋系统的喷水强度、作用面积和延续时间,并以此计算出系统的设计用水量及喷头布置间距。 本工程设计参数根据 “喷规”、TDM和NFPA13综合选取:

　　 (1)按“喷规”,商铺、餐饮、公共区域、影院及办公等区域设计参数按表2选取,超市设计参数按表3选取。

　　 购物中心设计用水量为1.3×8×160/60=27.7(L/s),取30L/s。仓库及超市,设计用水量为15×280/60=70(L/s)。一个喷头的最大保护面积11.5m²,喷头最大间距3.4m,喷头与墙端的最大距离1.7m。

　　 (2)根据TDM设计手册,不同功能的建筑位置其喷水强度、喷头流量系数等基本参数差异较大,取值见表4。

　　 (3)根据NFPA13设计标准,欧尚超市及苏宁电器按储存货物为食品、电器,储物高度3.5 m考虑,危险等级为Class IV,其设计参数为:采用K242ESFR下垂型喷头,最低工作压力0.25 MPa,12个喷头同时开启考虑,则设计流量为77L/s。

　　 对比“喷规”、TDM及NFPA可知:

　　 (1)民用建筑设计场所,按“喷规”取值,设计参数较为单一,仅分为轻危险级、中危险级和严重危险级3个档次,设计用水量计算值偏小;对常规喷头及快速响应喷头的选用,亦未做过多限制,仅规定无吊顶区域采用直立型喷头,吊顶区域采用吊顶型喷头,设计流量满足最不利作用面积内相应危险等级的喷水强度即可;而TDM针对不同功能的场所、吊顶不同部位,详细列出了喷头的选型、喷水强度的设计要求,标准要高于“喷规”,用水量较大。

　　 (2)对仓库区域的设计计算,“喷规”与TDM及NFPA结果基本一致,因“喷规”及TDM在编写中均借鉴了NFPA的设计参数。而“喷规”及NF-PA均针对仓库储物货架的高度、储物分层数、储物类型的不同,分类规定了其喷水强度、喷头选型、持续时间、最低工作压力等设计基本参数,而TDM仅只有仓库级别一种设计参数,“喷规”标准要高于TDM。

　　 结合各设计标准的基本设计参数及图纸最不利作用面积水力计算书,最终的计算结果见表5。

　　 武汉宜家主体2~5层由A~F区6个中岛,及连接各个中岛的中庭走廊组成。商铺与中庭通过钢化窗玻璃、防火卷帘及防火墙分隔。根据《建筑设计防火规范》及“喷规”的要求,当防火卷帘的耐火极限仅符合现行国家标准《门和卷帘的耐火试验方法》(GB/T 7633-2008)有关耐火完整性的判定条件时,应设置自动喷水灭火系统保护,且喷水保护的时间应满足卷帘和窗玻璃的耐火完整性时间要求,本工程卷帘耐火时间为3h,窗玻璃1.5h。

　　 结合本工程实际情况,根据武汉消防局意见及消防性能化设计报告(FSD),对防火卷帘和窗玻璃分隔的两侧建筑使用性质定性:一侧为有可燃物、人员密集的室内场所,功能为商铺,另一侧为无可燃物的室外连廊及中庭,规定室外为“安全区域”,故仅需在商铺靠内一侧加设喷淋保护。喷头安装节点见图4。

　　 系统设计计算:

　　 (1)防火卷帘保护选用普通K80型喷头,动作温度68 ℃。最长一段防火卷帘设计长度100m,位于3层欧尚超市区域,加密喷头设置间距2m,设计喷水强度0.5L/(s·m),设计水量Q=100×0.5×1.3=65(L/s)。

　　 (2)防火玻璃保护选用K80窗玻璃喷头(下垂边墙型),动作温度68℃,喷头样式见图5。最不利保护长度30m,设计喷水强度0.5L/(s·m),设计水量Q=30×0.5×1.3=20(L/s)。喷头平面布置见图6。

　　 二者设计流量取大值65L/s,并设独立的加密保护系统。

　　 预作用系统是在准工作状态时配水管道内不充水,由火灾报警系统自动开启预作用报警阀后,转换为湿式系统的闭式系统。

　　 本工程预作用系统设置部位为1 层消防、安保控制室,6 层UPS、CCTV、BMS等电气设备用房。此类机房的特点是存放电子、电气等精密仪器及设备,灭火系统平时严禁漏水、火灾警报时严禁误喷。

　　 预作用系统的设置:机房内设置火灾探测器,火灾实时探测器发出报警信号,消控中心确定火灾部位,当火灾进一步蔓延,温度升高,喷头爆破,水流指示器动作,预作用报警阀启动,管网快速排气,管道内充水转变为湿式系统,喷淋泵启动,喷头出水灭火。即系统控制采用双连锁系统,只有火灾探测器和系统喷头都动作时,才允许水进入报警阀后的管道中。系统工作原理见图7。

　　 自动消防炮灭火系统是在保留固定消防炮灭火系统基本功能的基础上,增加了非人干预的全自动灭火功能和在消防控制室的可视化灭火功能。其对人员不便到达或无法到达的场所实行火灾扑救,有效解决了大空间建筑物中的消防盲区。

　　 建筑中庭部位为4 层通高场所,建筑高度大于12m,设置带有雾化功能的自动消防炮灭火系统。根据《自动消防炮灭火系统技术规程》(CECS245:2008)5.4.3条,采用稳高压系统,用水量按最大两台自动消防炮同时射水计算,设计流量为40L/s,火灾延续时间1h。自动消防炮增压装置设置在消防泵房内,直接从消防水池吸水,用于火灾灭火。系统具备自动控制、手动控制和现场手动控制装置,其优先级别为现场手动控制、消防控制室手动控制、自动控制。系统工作原理见图8。

　　 消防炮采用ZNM-A40X1-1型自动消防炮,每门炮前设有信号闸阀、电动阀、水流指示器,单台炮流量20L/s,额定工作压力0.8MPa,最大保护半径50m,如图9所示。每门炮自重13.6kg,悬挂于中庭大空间顶部屋面钢结构处,每个中庭设置2门,管道采用内外壁热镀锌钢管,管网环状供水。

　　 消防水泵的选取应满足系统所需的流量和压力的要求,其所配备的驱动器功率应满足所选水泵流量和扬程性能曲线上任何一点运行所需功率的要求。目前国内工程设计中消防水泵一般采取1 用1备或多用1备的形式,备用泵的工作能力不小于最大一台消防主泵,驱动器多采用电动机直接传动。

　　 本工程为保证驱动器能源安全可靠性,结合宜家设计手册要求,消防主泵选用1台电泵主泵,并配备1 台柴油泵做为备用泵。根据系统类型,消防水泵房内设置喷淋电动消防泵1台(Q=100L/s,H=100m,N=132kW),窗玻璃及卷帘喷淋保护电动消防泵1台(Q=65L/s,H=100m,N=110kW),自动消防炮电动消防泵1台(Q=40L/s,H=130m,N=90kW),备用泵设置喷淋柴油消防泵1台(Q=100L/s,H=100m),窗玻璃及卷帘喷淋保护柴油消防泵1台(Q=65L/s,H=100m),自动消防炮柴油消防泵1台(Q=40L/s,H=130m),每台柴油消防泵配备1 组柴油罐, 柴油罐有效容积按1.5L/kW配置。火灾时,消防主泵从1 800 m³消防水池自灌式吸水,当备用泵启动时,柴油机采用压缩式点火启动柴油消防泵。

　　 国内自动喷水灭火系统启泵方式:系统在开放一个喷头后,水流指示器动作,管网压力降低,稳压泵启动,同时系统发出火灾报警信号,随着压力的降低,报警阀组动作,通过压力开关自动启动消防泵向系统供水灭火。

　　 本工程根据NFPA-20 要求消防泵的启动应满足压力降逐级启动的要求,设稳压泵的停泵压力为P₀,启泵压力为P₁,消防泵启泵压力为P₂,备用泵启泵压力为P₃,h为稳压泵气压罐接点的压力表与消防泵压力开关的净高差(m)。则消防泵及稳压泵启泵满足:P₁=P₀-0.035(MPa);P₂=P₁+0.01 h-0.07(MPa);P₃=P₂-0.07(MPa)。

　　 在武汉宜家项目设计时,国内消防泵的启动是由压力开关控制的,其启动控制依据并未满足逐级启动的要求。直到最新的设计规范GB 50974-2014出台后,才对消防泵及稳压泵的启动控制做出了具体要求:稳压泵的设计压力(P₁)应保持系统自动启泵压力设置点处的压力在准工作状态时大于系统自动启泵压力值(P₂),且增加的值为0.07~0.10MPa,即P₂=P₁+0.01h-(0.07~0.10)(MPa);同时P₁=P₀-(0.05~0.07)(MPa),而对备用泵的启泵压力未曾提及。

　　 对比可知GB 50974-2014与NFPA-20逐级启动的控制要求基本吻合,而武汉宜家在国内新规范GB50974-2014尚未出台时,便已经满足了其条文设计要求,具有一定的前瞻性。

　　 武汉英特宜家购物中心共采用5种自动喷水灭火系统,即泡沫+干式系统、湿式系统、预作用系统、窗玻璃及卷帘加密保护系统和自动消防炮灭火系统。本文通过介绍武汉宜家购物中心自动喷水灭火系统的设计,阐述了以购物中心为代表的大型综合建筑的自动喷水灭火系统设计特点、难点及设计方法,结论如下:

　　 (1)对于功能复杂的建筑,采用一种自动喷水灭火系统往往难以满足设计的要求,通常需要根据灭火部位的特点,选取多种自动喷水灭火系统组合,实现局部单一系统,总体多种系统结合。

　　 (2)明确各灭火系统设计参数的选取方法,对于另有特殊设计手册或准则的项目,应能保证设计既能满足国家标准规范的要求,又符合设计手册的标准,实现二者的统一,使设计依据合理。

　　 (3)自动喷水灭火系统的设计用水量,应满足规范要求火灾延续时间下,喷水强度及保护面积内的水量要求,又要对不同设计参数,不同部位的最不利作用面积内的管网进行水力计算,综合考虑取计算的最大值,作为项目的设计用水量。