建筑设计防火规范(以下简称《建规》)和GB50045-95高层民用建筑设计防火规范(以下简称《高规》)是建筑消防给水设计最常用的两大规范,而两规范对消火栓给水方式、消防水箱消防用水量、最不利点消火栓口静水压力的计算、消防水泵增压稳压等方面的规定存在着不完善性,在实际设计工作中,常常因设计人员理解不同或消防主管部门要求不同而产生偏差,因此进一步明确阐述以上几方面,对建筑消防给水设计而言,具有十分重要的现实意义。
1消火栓给水方式
高层建筑消火栓给水系统的给水方式《高规》第7.1.3条规定:“室内消防给水应采用高压或临时高压给水系统……”,高压消火栓给水系统是指消火栓给水系统任何时间不需启动消防泵即能满足系统消防所需的水量和水压。根据GB50282-98城市给水工程规划规范要求,出厂水压要求达到接水点水压一般为28m水柱,高层建筑实际上很难找到一个真正意义上的高压消火栓给水系统,因此高层建筑消火栓给水系统一般采用的就是临时高压给水系统。而《建规》对多层建筑消火栓给水方式及相应的适用范围未作十分明确的规定。目前多层建筑室内消火栓给水系统的给水方式有直接给水方式、仅设水箱的给水方式、设水泵+水箱的给水方式[3]。但单设水箱的给水方式在实际工程中经常在设置高位水箱后建筑物最上面1层~2层的消防所需水头仍无法保证,还须另设消防增压泵,这就使得消防水箱(或气压水罐)和消防水泵在系统中同时出现。因此在实际设计工作中除了在:
1)建筑物不太高、体积不太大,如单层厂房、库房等;
2)城市有专供消防用压力较高之管网或建筑物在市政供水设施附近较高压力范围内可采用直接给水方式外,严格执行现行《建规》对于大多数多层建筑消防给水来讲,都只能采用水泵+水箱的临时高压给水方式。
2消防水箱水量
消防水箱的主要作用是:提供准工作状态和火灾初期消防系统所需的水压;提供火警发生后所需的初期消防用水量。多层和高层建筑虽然均采用了临时高压给水系统,但水箱的作用却有所区别。由于多层建筑室内消火栓给水系统一般只要求扑救初期10min内的火灾,10min以后的火灾则由城市消防队来扑救;所以多层建筑一般应储存10min的消防用水量以提供火警发生后所需的初期消防用水量。而高层建筑立足于自救,即室内消火栓给水系统要求在整个灭火过程中均能充分地发挥作用,因此在高层建筑中消防水箱的主要作用是提供准工作状态和火灾初期消防系统所需的水压。一旦高层建筑发生火灾发挥重要作用的应是消防主泵,按消防水泵产品标准规定消防水泵启动时间应不大于20s,所以高层建筑消防水箱的水量可参照国际上通行的做法,从实际灭火需要出发,水箱容积可取小,当独立或分别设置消火栓和自动喷水灭火系统时,消火栓系统消防水箱(或气压给水设备)储水量不应小于900L,自动喷水灭火系统消防水箱(或气压给水设备)储水量不应小于600L;当消火栓和自动喷水灭火系统合并时,消防水箱(或气压给水设备)储水量不应小于1500L[4]。
3最不利点消火栓口压力的计算
对多层建筑消防水箱的设置高度《建规》中8.4.4条规定:“设置临时高压给水系统的建筑物应设置消防水箱(包括气压水罐、水塔)……重力自流的消防水箱应设置在建筑的最高部位”。在条文说明里还要求设置高度“能满足最不利点消火栓栓口静压的要求”。但对最不利点消火栓栓口静压的要求无明确数据规定。高层建筑消防水箱的设置高度根据《高规》第7.4.7条规定:“采用高压给水系统时,可不设高位消防水箱。当采用临时高压给水系统时,应设高位消防水箱”,7.4.7.2条同时规定:“高位消防水箱的设置高度应保证最不利点消火栓静水压力。当建筑高度不超过100m时,高层建筑最不利点消火栓静水压力不应低于0.07MPa;当建筑高度超过100m时,高层建筑最不利点消火栓静水压力不应低于0.15MPa。当高位消防水箱不能满足上述静压要求时,应设增压设施”。按此规定高层建筑消防水箱的设置高度很明确应按“保证最不利点消火栓处静水压力”执行,而且规定了具体的数据。但实际计算过程中常常有人把消火栓口的静压和动压混淆起来,静压是指消火栓内水处于静止状态时的压力,而动压是指消火栓内水流在外泄时该处的压力。如果把此处规范条文里规定的静压理解成动压,按算出的结果就会成:消火栓栓口压力为0.07MPa时,对应消火栓充实水柱长度为3.76m,消火栓流量仅为2.72L/s;当消火栓栓口压力为0.15MPa时,对应充实水柱长度为9.11m,消火栓流量为4.38L/s。得出的结论是:《高规》的最不利点消火栓静水压力0.07MPa和0.15MPa均不能满足消火栓充实水柱长度不大于10m(或13m),消火栓流量不大于5L/s的要求,按此结论高位消防水箱的设置高度要同时满足消火栓充实水柱长度和最小流量要求,最不利点消火栓静水压力不应低于0.19MPa[4]。水箱设置如此之高,在实际工程中难以做到,因为高位消防水箱设置高度除应考虑保证最不利点消火栓水枪的充实水柱长度外,还受到建筑物本身结构特点的限制,不可能“有求必应”,无限制地增高。即使置之于电梯机房上面,最不利点消火栓处的静水压力一般也只有7m水柱左右,从而不能满足最不利点消火栓水压要求。而产生这种错误概念的原因是:两规范中对最不利点消火栓栓口的静水压力术语没有定义。建筑消防水箱侧重于保证火灾前10min的消防用水压力,一般为没有受过专业训练的非消防人员使用,如果出水压力过大,水枪将难以架稳;而水枪充实水柱长度主要考虑火灾发生,消防水泵启动加压后,水枪射水达到室内最高着火点的水柱灭火有效长度。侧重于火灾10min后消防队员到场使用,快速有效控制、扑灭火灾,因此按静压确定水箱的设置高度比按动压确定更准确,更符合实际,并易于执行。
4消防水泵的增压稳压
多层民用建筑消防水箱储水10min供水扑救初期火灾是十分必要的,但对仅仅为了扑救初期火灾而由于水箱高度不能满足最不利点消火栓所需水压,就设置消防主泵,增添了设备费用和管理难度,要求显然有些过高。况且,在工程设计中,常常碰到多层建筑底层是商铺,上层是住宅。而高层建筑消防系统采用的水泵根据作用分实质有两类:一类是在未发生火灾时用于维持管网压力的增压设施习惯称为稳压泵;一类是火灾初期消防主泵启动前,用于满足消火栓和喷头出水水压水量的增压设施习惯称此时的增压设施为增压泵,《高规》中的规范条文对此未予明确区分,而实际上增压泵和稳压泵在作用和功能上有所区别,其流量值也不相同。《高规》第7.4.8.1条:“增压水泵的出水量,对消火栓给水系统不应大于5L/s;对自动喷水灭火系统不应大于1L/s”,是针对稳压泵而言,《高规》第7.4.8.2条:“气压水罐的调节水容量宜为450L”,是针对增压泵而言,在实际工程中这两种增压方式在流量和扬程的选择上是有区别的,如:某高层办公楼,地下1层,地上20层,地下1层消防贮水池最低水面标高-4.50m,20层地面标高73.00m,屋面标高76.30m,屋顶消防水箱最低水面标高80.50m。按规范要求,应设消防增压设施(按设于地下1层考虑),如按增压泵+气压罐(隔膜式)的方式选择,增压泵扬程Hp′≥1.34MPa;增压泵流量q>6.0L/s。而按稳压泵+气压罐(隔膜式)的方式选择稳压泵扬程Hp′≥1.15MPa;q≤5L/s,这两种方式中,增压泵+气压罐(隔膜式)方式,无论平时还是火灾初期,都能满足消防水压水量要求,是较完备的增压稳压方式;但是所需气压罐容积较大,增压泵扬程较高,致使整个管网系统压力升高,在系统分区和减压方面带来麻烦,工程造价较大。第2种稳压方式,平时能维持管网的消防水压,所需气压罐容积较小,能有效缓解稳压泵启停频繁,管网系统压力不致过高,设计计算简单;唯一不足的是在火灾初期仅满足短时间的水压水量要求,不过现在的消防主泵绝大多数能在10s左右启动[5],具体选择时应注意这两种增压方式的区别。
5结论与建议
1)多层建筑和高层建筑消火栓给水系统采用的给水方式大多是水泵+水箱的临时高压给水系统。多层建筑规范应明确水箱给水方式的设置范围。
2)多层建筑消防水箱的主要作用是提供火警发生后所需提供的初期消防用水量,容积按10min消防用水量确定。高层建筑消防水箱的主要作用是提供准工作状态和火灾初期消防系统所需的水压,容积从实际灭火需要出发,可适当取小。消防水泵发挥主要作用。
3)水箱的设置高度应满足最不利点消火栓口静水压力的要求。不能把静压理解成动压。规范对最不利点消火栓口静水压力的术语应予明确规定。
4)消防水箱设置高度满足不了最不利点消火栓口静水压力的要求,应设消防水泵,多层建筑可采用设管道增压泵的方式,只考虑增压作用;而高层建筑的消防水泵应考虑增压和稳压两方面的要求。