北京通州彩虹之门项目建筑原方案为两个交叉的环, 即双环方案 (详见文献[1]) , 由于造型奇特、得房率低、擦窗系统昂贵等原因, 建设方决定对此环方案进行修改。之后历经4塔方案、5塔方案, 最终确定为3塔方案 (见图1) , 此方案已然与原双环方案完全不同, 成为一个“新”项目。但由于本建筑组团仍然体量很大 (65万m²) , 建筑高度仍超过250m, 因此其消防水系统的总体设计思路仍沿用双环方案中所确定的以高压消防给水系统为主的消防系统。沿着这个设计思路, 如何将高压消防给水系统与本项目完美结合, 是本次消防水系统方案设计的目标。本文将对此项目消防水方案设计分析过程、成果以及对于类似项目的设计思路拓展进行探讨。

　　 本项目建筑总面积为65万m², 业态为办公、酒店、公寓、会所、商业及车库。本方案由3座塔楼 (北塔、西塔、南塔) 、裙房及地下室组成:3座塔楼均为275m高、62层, 每座塔楼面积为12.8万m²;裙房最高处为44.9m、9层, 最低处为23.9m、3层, 面积为6.6万m²;地下室5层, 20万m²。

　　 每座塔楼设置5个设备层。基本情况见表1。

　　 本项目根据相关规范要求按一次火灾设计, 并设置消火栓系统、自动喷水灭火系统、大空间智能水炮灭火系统及水喷雾灭火系统等消防水系统。

　　 每个项目的方案设计, 都是一个以项目特点为基础, 发现问题, 解决问题的过程。下文主要介绍本项目消防水系统几个关键节点的设计思路及确定过程。

　　 根据《消防给水及消火栓系统技术规范》 (GB50974—2014, 以下简称“消水规”) 相关规定计算, 本项目一次火灾室内消防用水量为729m³, 其中消火栓系统40L/s, 火灾延续时间3h, 用水量432m³;自动喷水灭火系统55L/s (地下商业库房按多层货架储物仓库设计:仓库危险级Ⅰ级, 储物高度3.5~4.5 m, 喷水强度12L/ (min·m²) , 作用面积200m²) , 火灾延续时间1.5h, 用水量297m³。本项目设置高位消防水池作为室内消防水源, 将100%的室内消防水量储存在内。

　　 对于高压消防给水系统, 笔者认为其基本原理类似于水塔供水系统, 高位消防水池即相当于水塔。本项目的基本特点是3座单体建筑高度相同, 因此设计过程中第一个问题产生了:高位消防水池集中放在1座塔楼顶部 (方案1) , 还是分散设置在3座塔楼顶部 (方案2) 更合理?为此, 对高位消防水池的设置方案进行了比较, 见表2。

　　 根据上述对比, 可以看出集中设置1座高位水箱对所在建筑的结构、其他机电系统安装影响较大。而分散设置恰好可以避免这些影响, 虽然增加了设备投资和机房面积, 但总体而言相对合理。因此, 将水池3等分 (有效容积729/3=243m³, 每座水池等分为可独立使用的2格) 分别设置在3座塔楼的MEP5, 即设置3座“水塔”是较为合理的选择。

　　 那么, 3座“水塔”如何协作供水呢?本项目将每座高位消防水池用管道连接在一起, 利用连通管的原理向系统供水, 具体细节将在下文介绍。

　　 当确定好“水塔”位置, 即解决水源问题后, 如何进行分区是第二个重要问题。几层以下可以采用高压消防给水系统, 此系统是否需要分区?分析如下:

　　 (1) 高压消防给水系统 (以下简称“高压系统”) 与临时高压消防给水系统 (以下简称“临时高压系统”) 分区。笔者认为此项分区的原则是:在系统安全、合理的前提下, 使高压系统保护的区域范围最大化。根据“消水规”7.4.12.2条规定, 消火栓栓口动压不应小于0.35 MPa。MEP5 (F59) ~MEP4 (F48, 含) 共有11层, 每层层高4m, 高差44m, 考虑到系统的压力安全 (静压转换为动压的水头损失) , MEP4以下采用高压系统, MEP4及其以上为临时高压系统。

　　 (2) 高压系统分区。由于高位消防水池位于259m的MEP5, 地下5层标高为-23.4m, 高位水池到最低层地面的几何高差为259 m+23.4 m=282.4m, 超过2.4 MPa, 按“消水规”6.2.1、6.2.2条规定, 需要设置减压水箱, 对高压系统进行分区, 那么: (1) 减压水箱设置几级? (2) 减压水箱设置在哪个设备层比较合理?

　　 根据本项目高度及设备层设置位置, 减压水箱设置几级的问题, 提出两个方案, 方案1:设置1处减压水箱, 将高压系统分为2个大区, 每个大区内静压超过1.0MPa的区域采用减压阀分区;方案2:设置2处减压水箱, 将高压系统分为3个大区, 每个大区内静压超过1.0 MPa的区域采用减压阀分区。两种方案优缺点对比详见表3。

　　 经过上述比较, 两个方案各有优缺点, 都适用于本项目。本项目采用方案1, 原因是系统比较简单, 越简单的系统则越安全。虽然减少了减压水箱, 就意味着要多使用一组减压阀, 增加了安全风险。但减压阀经过多年的使用与发展, 已经很成熟, 只要采购高质量的减压阀, 并设置压力信号监测, 相较于减少由多个潜在故障点组成的减压水箱, 而采用只有一个潜在故障点的减压阀对于系统更加安全。

　　 对于减压水箱放在哪个设备层的问题, 根据表3方案1, 高压系统分为两个大区, 设计原则是基于设备层位置条件尽量平分高压系统服务区域。本项目中MEP5以下共有4个设备层, 考虑到上述平分原则, 将位置处于塔楼中间部位的MEP3、MEP2列为考虑对象并进行对比, 详见表4。

　　 通过表4的数据分析, 将减压水箱设置在MEP3时, 两个高压系统分区的服务范围基本相等, 符合设计思路, 因此确定将减压水箱设置在MEP3。

　　 通常情况, 在以高压系统为主的项目中, 如果设置一个高位消防水池, 一般会将顶部临时高压区的消防供水泵设置在高位消防水池旁, 消防状态时, 水泵直接从水池内吸水供给临时高压系统。本工程每个塔楼顶部的临时高压系统供水泵是否也可以按上述方式设置?分析如下, 图2为临时高压区消防水原理。

　　 图2中所示MEP4 (F48) 以上为临时高压区。这个系统中水池位置、水泵、供水区域均已知, 唯独未知的是重力供水管兼连通管 (以下简称为连通管) 的直径。面临的问题是:当一个塔楼临时高压消防系统动作时, 此连通管直径为多大才能将满足系统设计流量的水由其他塔水池中的水供给到此塔楼?

　　 现假设北塔临时高压区着火的情况, 研究消防系统如何动作及连通管的直径。

　　 (1) 当这个区域发生火灾时, 消防水泵动作后, 开始从N水池吸水 (见图2) , 我们希望这时W、S水池向N水池供水。但是根据连通管的原理, 只有当N水池的液面比其他两个水池液面低的时候, 水才会向N水池流动。当北塔水泵刚开始吸水, N水池液面与另两个水箱的液面相差不大, 此时的液位差还不足以克服管道阻力, 因此并没有向N水池流动。

　　 (2) 随着水泵的持续吸水, 水池液位差已经到达一个临界点, 即这个液位差等于管道的阻力时, 水即将开始向N水池流动。

　　 (3) 接着, 水池间的液位差继续加大, 大于管道阻力, 水已经开始向N水池流动。但此时水池的出水量仍大于进水量, 因此高差不断增加, 同时通过连通管进入N水池的水量也不断增加 (当连通管管径一定时, 依据伯努利方程可推导出, 通过此管道的流量与液面差成正比) , 但仍小于N水池的出水量。

　　 (4) 当N水池与其他水池液位差H达到一定值时, 通过连通管的流量等于消防水系统的设计流量。

　　 (5) 根据MEP5的层高4 m得知, 水池有效水深不会超过2m, 因此水池液位差H不会超过2m。但H是一个复杂的变量, 不利于我们研究, 因此假设H为一个可能达到的定值, 这个定值H=1 m (取有效水位的一半) 。以消火栓系统为例, 采用相关给排水软件进行计算。基本计算条件:设计流量40L/s;南塔S水池、西塔W水池与N水池之间的管道长度均为700m;管道局部阻力系数30%;出水水头按0.5mH₂O考虑;管材采用涂塑钢管 (比摩阻小) ;为简化计算, 将S水池、W水池看作为一个水池。据此采用给排水相关软件计算, 得出的计算结果见表5。

　　 (6) 根据表5的计算结果可得, 当消火栓系统的连通管管径为DN350时, 可以满足消火栓系统的消防用水量。

　　 但这种采用DN350管径的方案是不合理的, 原因如下: (1) 此管道需要设置2根, 1根检修时另1根仍能满足全部流量。安装这2根直径较大的管道需要一定的管井面积及安装空间, 3个塔楼因此将浪费很多面积。 (2) 此管道除自重外, 还有管道中水的重量, 这部分荷载也很大, 对结构有一定影响。 (3) 水箱液位差值H是一个不定值, 存在安全隐患。

　　 因此上述方案不合理, 不能采用, 那么3个水池并联时另外两个水池怎么才能安全且足量地向发生火情的塔楼供水呢?从前面的讨论可知, 当连通管管径一定时, 流量与两端水箱液面压差成正比。因此可以通过加大液位差, 即通过降低临时高压消防水泵及其供水水箱安装高度加大液位差的方式来解决 (或降低水泵安装高度直接从连通管上吸水, 但此种形式相对从供水水箱吸水复杂, 因此不讨论此方式) 。先将连通管管径设为DN200, 通过相关软件计算得出的结果见表6。

　　 根据表6的结果得出, 将临时高压区的水泵及供水水箱的安装在低于高位消防水池7 m处时, DN200的连通管补给临时高压系统的流量 (42.02L/s) 可以满足消火栓系统设计需求 (40L/s) 。根据建筑使用功能, 本项目只能将此水箱放置设备层。MEP4距离MEP5最近, 高差为44 m, 如果将临时高压水泵及供水水箱放在此层, 是完全满足要求的, 但需要再增加一个水箱间, 占用一定面积。如果将水泵直接放置到MEP3减压水箱间, 与高压低区合用减压水箱是否可行呢?几何高差增加, 流量可以满足, 因此答案是肯定的。虽然这样临时高压区的水泵扬程将增加, 但是可以省去一个机房。所以, 综合考虑, 将临时高压区的消防水泵放至MEP3减压水箱间这个方案是合理的。

　　 由于此减压水箱供临时高压系统供水泵吸水, 考虑到安全性, 有效容积适当扩大至60m³, 而不是按减压水箱18m³设计。

　　 临时高压系统服务区域 (F48~屋顶) 高度为275-215=60 (m) , 按“消水规“6.1.13、5.2.1条规定, 稳压水箱容积为36 m³。稳压水箱及稳压设备设置在62层核心筒内。

　　 转输系统通常有两种设置方式: (1) 仅作为初次高位消防水池箱补水, 其转输系统能力按水池有效容积除以补水时间计算; (2) 作为消防加强措施, 其水泵流量应按消防设计流量选取。本工程转输系统按初次高位消防水池箱补水设计, 考虑到项目的安全, 补水时间按12h设计, 则转输系统能力为243/12=20.25 (m³/h) 。由于本工程高位消防水池均分为3座, 每座水池补水时间可能不同, 因此消防转输系统也分为3套, 一一对应。

　　 转输系统越简单越好, 因此转输级数越少越好。本项目高位消防水池设置在每个塔的MEP5 (259m) , 地下室消防转输水池及泵房设置在B1 (-8.00m) , 因此综合考虑两水池之间的几何高度 (259m+8m=267m) 以及转输水泵功率和扬程, 本项目设置两级转输比较合理。设置两级转输, 转输水箱及第2级转输水泵设置在塔楼的中间处的设备层将会比较合理, 因此, MEP2、MEP3这两层均满足这个条件。由于MEP3中其他专业机房较多, 加上避难区, 面积已经很紧张, 而MEP2却有很大空置面积。因此综合上述因素, 将转输水箱及第2级转输水泵放在MEP2是合理的。

　　 本工程转输控制系统主要针对两级转输水泵的控制, 但如何控制, “消水规”第11章中并未对高压系统转输这种情况给予规定。那么: (1) 这两级转输水泵谁先启动? (2) 什么控制方式启动?

　　 对于谁先启动的问题, 笔者认为应该基于系统需求, 按2级至1级的顺序启动。即:当高位消防水池需要补水时, 启动2级泵向高位消防水池供水, 然后启动1级泵由地下室消防水池向转输水箱供水。如果相反的顺序启动, 转输水箱则可能会溢水。

　　 关于控制启动的方式问题, 对于消防水泵自动控制的方式无外乎有以下几种:压力控制、液位控制及水泵联动控制。下面将对这两级消防转输水泵控制方法进行讨论。

　　 (1) 第2级转输水泵控制方式。此泵位于转输系统的末端, 负责直接向高位消防水箱补水, 因此水泵联动控制是不适用于此泵的。但压力控制和液位控制理论上是适用的。压力控制:在高位消防水池出水管上设置压力开关 (或电接点压力表) , 此处的压力值为水池的静水压力, 当液位发生变化时, 此处的压力值也发生变化, 达到一定值时, 压力开关 (或电接点压力表发出信号) 启动转输水泵。液位控制:采用液位控制器, 设定液位值启动此水泵。本项目最终选择了液位控制, 原因是测量范围在0~0.02 MPa的压力开关 (或电接点压力表) 很难购买到, 测量范围大的, 精度达不到要求。

　　 (2) 第1级转输水泵控制方式。由于第1级转输水泵是在第2级转输水泵启动后启动, 因此本工程选择水泵联动启动第1级转输水泵更加合理。如果采用压力控制, 只能在高位消防水箱出水管处设置压力开关或远传压力表, 不可行的原因同第2级转输水泵。若采用转输水箱的液位控制, 虽然也可行, 但有延迟性, 没有水泵联动启动更直接。

　　 根据“消水规”6.2.3.1条规定按60m³设计。

　　 基于上述系统中各主要点的方案设计分析结论, 经过梳理后, 得到方案设计成果, 绘制成系统原理, 详见图3。依据此系统简图, 对系统进行校核分析, 讨论系统是否合理安全。

　　 (1) 根据图3可以得到如下信息:

　　 系统分区: (1) 高压低区:B5~F20, 其中高压低区分为D1、D2、D3区, 由各塔MEP3处减压水箱重力供给; (2) 高压高区:F21~F47, 其中高压低区分为G1、G2区, 由MEP5处各塔高位消防水池重力供给; (3) 临时高压区:F48~F62, 由MEP3处减压水箱、供水泵及各塔高位消防水池供给。

　　 各水池、水箱的位置及管道连接: (1) 3个塔楼的高位消防水池由DN200的管道以连通管的形式连接, 同时向高压高区及减压水箱供水。此连通管最低处静压不超过2.4MPa。 (2) 3个塔楼的减压水箱连接方式与高位消防水池相同, 同时向高压低区供水。

　　 (2) 临时高压区发生火灾的情况, 已在本文2.3节中分析, 本次校核分析仅针对高压区。具体分析如下:

　　 如图3所示, 高压系统中每个小分区系统相似, 因此仅通过假设北塔高压低区D1区发生火灾来分析系统运行安全情况。北塔D1区位于MEP3减压水箱下方约54m处、MEP2~MEP1之间。

　　 D1区水源分析: (1) 当D1区发生火情, 消防水系统动作后, n减压水箱向系统供水。 (2) 同时由于另外两塔的减压水箱与发生火灾区域几何高差亦为54m, 压差足够大, 这两个水箱也同时向D1区供水。 (3) 随着各减压水箱的水位下降, 其补水管的液压水位控制阀门打开, 各高位消防水池向各自的减压水箱供水;同时W、S高位消防水池也向n减压水箱供水。

　　 D1区顶端消防压力及水量分析: (1) D1区顶端与减压水箱的几何高差约54 m。 (2) 减压水箱间的连通管管径为DN200, 其与D1区管网连接管道管径暂按DN150设计;另外两塔减压水箱至D1区与连通管的连接点管长均约为360 m;管道局部阻力系数按30%计;管道采用涂塑钢管;管内流速控制在2.5m/s以内 (详“消水规”8.1.8条) 。 (3) 假设通过连通管的流量为45L/s>40L/s, 满足系统设计流量需求。 (4) 基于上述三点, 采用相关计算软件计算 (详见表7) , 可得减压水箱向D1区供给满足消防系统需求的消防流量 (45 L/s) 时, 剩余水头为47.66 mH₂O, 大于最不利点消火栓栓口动压35mH₂O的要求。即说明静压 (约54 mH₂O) 在火灾时转化为动压后, 满足系统需求及“消水规”规定。

　　 系统动作时3个高位消防水池向减压水箱供水水量分析: (1) 高位消防水池距减压水箱的几何高差为259-153=106 (m) ; (2) 3个高位消防水箱通过DN200的连通管同时向各减压水箱供水。 (3) 可以将3个高位消防水池作为一个高位水池考虑, 而此水池到减压水箱的管长按距离D1区最远的管长计算, 约为600m, 管道局部阻力系数按30%计, 管材采用涂塑钢管, 管内流速控制在2.5 m/s以内。 (4) 基于上述三点, 采用相关计算软件计算得高位消防水池向减压水箱供水水量 (详见表8) , 可得供水量84.8L/s>40L/s, 满足系统需求。

　　 通过上述分析与计算, 可以得出, 高压区在发生火灾后系统动作时, 高位水箱及减压水箱向系统供水是安全的, 其供水水压及水量都是满足要求的。虽然供水量较大, 超出系统要求, 但可以通过设置减压措施将剩余水头减小, 降低流量。

　　 综上, 经过分析与计算, 本项目采用的以3个高位消防水池的高压系统为主的消防供水系统方案满足本项目的消防安全要求, 是合理可行的。

　　 (1) 本项目3座“水塔”高压系统为主的消防供水方案, 是基于本项目由3座等高的超高塔楼组成的这个特点而“量身订做”的一套系统。每个项目开始设计时, 均宜按项目的特点进行综合分析及细致设计, 以得到最适合这个项目的系统。

　　 (2) 对于那些消防水系统需要设计为以高压系统为主, 且与本项目有类似特点的超高层组团项目, 其消防水系统也可以采用类似于本项目消防水系统形式。沿着这个设计思路, 进行如下拓展:

　　 由2座超高层塔楼组成的项目: (1) 两塔高度相同。每个塔设置50%消防用水量的高位消防水池。 (2) 两塔高度不同。两塔高度差不超过40m时, 每个塔设置50%消防用水量的高位消防水池;超过或等于40m, 在较高的塔设置1个高位消防水池, 储存全部消防水量, 低的塔所有区域由高位消防水池重力供给。之所以以两塔高度差40m为分界, 原因是当高差大于等于40m (即静压约为0.40 MPa) 时, 在高塔设置高位消防水池, 完全可以满足利用重力向较低的塔供水;但是若高差小于0.40 MPa, 当静压转化为动压后, 由于水头损失动压可能小于0.35MPa, 则不满足“消水规”7.4.12.2条最不利点的动压不应小于0.35 MPa的规定。因此, 为安全起见, 以40m高度差作为将高位消防水池分散设置或集中设置的分界点。

　　 由3座超高层塔楼组成的项目: (1) 3塔高度相同。此种情况与本项目相同, 不再讨论。 (2) 3塔中2个高塔高度相同。此种情况如果低塔与2个高塔的高差小于40m, 则高位消防水池可均分为3个, 每塔1个;如果高差大于或等于40 m, 则高位消防水池可均分为2个, 放置在两个高塔上, 低塔完全由高压保护。 (3) 3塔中2个低塔高度相同。此种情况如果2个低塔与高塔的高差小于40m, 则高位消防水池可均分为3个, 每塔1个;如果高差大于或等于40m, 则高位消防水池仅设置在高塔上, 2个低塔完全由高压保护。 (4) 3塔高度都不同。最高塔与中间高度的塔高差大于或等于40m时, 仅在高塔设置高位消防水箱;最高与最低的塔高差小于40 m, 则高位消防水池可均分为3个, 每塔1个;最高的塔与最低的塔高差大于或等于40m, 中间高度的塔与最低的塔高差小于40m, 则仅在最高的塔设置消防高位水池;中间高度的塔与最低的塔高差大于40 m, 而与最高的塔高差小于40m, 则可在最高的和中间高度的塔上设置高位消防水池, 均分为2个。

　　 由3座超高层塔楼以上组成的项目的消防水方案与上述由2座或3座超高层塔楼组成的组团类似, 此处不再重复分析。这种分散设置高位消防水池的高压方案对于每个项目来说未必是最合理的, 因此, 在采用此种方案前, 均需要对各种方案进行经济技术及安全比较与分析, 从而决定是否采用此方案。

　　 采用与本工程类似的消防水系统方案需注意下列事项: (1) 如果各高位消防水池所在标高不完全相同, 则需以较低的那座高位消防水池的标高作为基准设计高压系统区域;并且, 较低的水池出水管 (即水池间的连通管) 上需要设置止回阀, 防止此水箱溢水。 (2) 临时高压系统的水泵及水箱必须设置在高位消防水池下方不小于10m的位置 (此高度基于两个假定条件计算而来:a.连通管管径DN200;b.远端消防高位水池距临时高压泵吸水池的管长不大于1 100m。如果管径发生变化, 或管长大于1 100m, 需要另行计算此高度) 。 (3) 连通管须采用比摩阻小的管材, 例如涂塑钢管、不锈钢管等, 减小水头损失, 满足系统顶部的压力及流量需求。

　　 (3) 存在的问题及建议。假设本项目没有裙房, 或者连通管只能在地下室敷设, 那么本系统的连通管底部压力将超过2.4 MPa, 违反“消水规”中关于分区的规定。如果按规范要求, 不能采用此方案。但笔者认为, 随着管材、阀门等产品生产技术日益成熟, 以及生产质量逐渐提升, 高压力等级 (例如4.0 MPa级别) 的管材、阀门及附件已经完全可以满足系统安全的要求, 规范可以放宽2.4 MPa这个规定。另外, 虽然高压力级别的管材、阀门及附件会增加造价, 但消防水系统的造价相对结构造价低很多。如果将2.4 MPa这个限制放宽, 类似项目的高压消防水系统将可以分散设置高位消防水池, 减少减压水箱的设置, 反而会降低结构造价, 减少机房面积, 同时系统安全性并未降低。因此, 笔者建议修订“消水规”中有关2.4 MPa消防水系统须分区的相关规定, 将分区压力调至3.5~3.9 MPa。