摘 要：本文綜合運用消防工程專業知識和現行消防技術標準，對具體建設工程自動噴水滅火系統消防設計進行審核分析，依照《高層民用建筑設計防火規范》、《自動噴水滅火系統設計規范》、《火災自動報警系統設計規范》等現行國家有關規范，對建筑的濕式自動噴水滅火系統的設計進行消防審核，并通過水力計算，對自動噴水滅火系統消防水泵揚程和流量選擇、消防穩壓泵、氣壓罐進行了復核。針對水系統中最不利點噴頭工作壓力確定等問題進行分析討論，并深入分析討論了水力計算過程中公式的選擇以及方法選擇問題。
關鍵詞：自動噴水滅火系統,水力計算
1 引言
1.1 地下建筑的現狀
在城市中，地下建筑是十分普遍的，隨著經濟快速發展，地下建筑不僅在數量上，而且在規模上越來越大，建筑也越來越復雜。近年來此類場所發生多起特別重大火災，尤其是高層地下建筑的安全越來越被人們重視，其中，消防安全也是十分重要的一部分。
1.2 地下建筑火災危險性
高層地下建筑建筑結構功能復雜，建筑面積大、高度高、人員多且密集，功能復雜，設備繁多，用電量大，容易發生火災，豎向管道井多，而且撲救難度高。地下建筑內雜物較多，可燃物較多，地下建筑中的餐飲、員工食堂等發生火災的可能性也較大。一旦發生火災，很容易造成重大的人員傷亡和財產損失。
1.2.1 可燃燒物多，火災荷載大
地下建筑內大量的裝飾、裝修材料和家具陳設都采用木材塑料等可燃燒材料，增加了建筑內部的火災荷載。一旦發生火災，大量的可燃物將導致猛烈的燃燒，并且產生有毒氣體。建筑內的墻、柱和樓板會因燃燒垮塌，造成更大的人員傷亡和火災損失。
1.2.2 火災溫度高、火勢蔓延速度快
地下建筑發生火災時，與地面建筑情況完全不同。火災時地面建筑約有70%的煙、熱是通過門窗排出，地下建筑只能通過地面連接的出入口排煙散熱，熱煙氣極易聚集和蔓延。
首先，地下建筑自然通風性差，火災時供氣不足，大量的物質在燃燒情況下得不到充足的空氣，使燃燒速度與燃燒的充分性受到影響，陰燃時間較長，因而產生濃重的煙霧和大量的有毒氣體。其次，地下建筑的孔口面積小，排煙散熱性能差，因此發生火災時熱煙積聚不散，散熱緩慢，內部溫度上升快，瞬間可達到800~900 ℃，甚至高達千度以上，人員吸入熱煙氣后會嚴重灼傷氣管，導致呼吸衰竭而亡[1]。再次，火災時地下建筑易較早出現“轟燃”現象，商場轟燃后空氣大量消耗，而外界補給困難，CO、CO2等有害氣體濃度迅速增加，易使人窒息而亡。
1.2.3 人員密集，疏散困難
高層地下建筑層數多，垂直距離長，不利于人員在短時間內疏散到地面，發生火災時由于各種豎井拔氣力大，火勢和煙霧向上蔓延快，增加了疏散的難度，并且地下建筑內人員密集，云梯車實施高層救人也會受到風向風速的影響，云梯車救援容量較小，無法作為火災中主要的疏散方式，所以安全疏散主要是依靠樓梯，而樓梯間一旦竄入煙氣，就會嚴重影響人員疏散;另外由于火災現場混亂，人的本能恐懼心理和逃生欲望會使得人們涌向安全通道，甚至出現人員跳樓的事件。大量的人流在樓梯間匯集后，極易發生擁擠堵塞，容易在疏散過程中發生混亂，從而影響安全疏散。
1.2.4 火災撲救難度大
地下建筑建筑處于封閉狀態，可供顧客占用的面積比地上建筑小，人員密度高于地上商場，發生緊急情況后人員疏散困難。
第一，地下建筑發生火災后，空氣流通不暢，供氣不足，并且地下空間出入口較少，使受困人員很難在短時間內逃離火災現場。第二，地下建筑內一般無自然采光，平時正常電源照明就比地面建筑的自然采光效果差。火災時電器照明線路的損壞，地下建筑中一片漆黑，必然出現慌亂的局面，顧客爭相逃命，難免有擁擠、踩踏等意外事故的發生。第三，地下建筑發生火災時，人員逃生方向與煙氣擴散方向相同，并且煙氣水平擴散速度能達到2 m/s，比人員步行速度要快，這也加大了人員緊急疏散的難度[2]。
地下建筑通風條件差，受火災情況下濃煙、毒氣、熱輻射等因素的影響，能見度低，消防人員的視線、呼吸和體力都受到極大限制，而高溫條件下的一些特種裝備會失去其應有的效能，導致搶救被困人員很困難。部分地下建筑內道路曲折、狹窄，有些疏散通道上堆放有物品，不易鋪設水帶和調運消防器材，滅火行動不易全面迅速開展。再者，受地下建筑屏障效應的影響，無線通訊器材失去作用，指揮人員不能及時掌握地下情況，給正確、及時指揮帶來不便。
綜上所述，地下建筑火災嚴重危害人民的生命安全，并易造成巨大的經濟損失。因此，消防部門必須做好地下建筑防火設計，切實保證地下建筑的消防安全工作。
1.3 自動噴水滅火系統在火災中的作用
自動噴水滅火系統遇有火災時可自動啟動并噴水滅火，使火災在初期就能夠及時得以控制，從而最大限度的減少了火災損失。自動噴水滅火系統對環境無污染，滅火效率高，所以廣泛應用于民用建筑中，特別適用于人員密集、不易疏散、外部滅火和救生比較困難的高層地下建筑。
1.4 對自動噴水滅火系統監督檢查的必要性
自動噴水滅火系統的設計、安裝、調試驗收和日常的檢查維護是一套整體的過程，每一步都以確保系統正常運行為目的，監督檢查更是在設施投入使用之后保證系統可靠性的主要方式，也是必不可少的基本措施[3]。
1.4 研究方法及內容
1.4.1 研究方法
明確地下建筑火災特點、消防設計思路及內容，收集地下建筑圖紙，參照相關設計規范，審核圖紙，針對其存在的問題進行消防安全設計。
1.4.2 研究內容
1、根據《自動噴水滅火系統設計規范》和《高層民用建筑設計防火規范》，確定該地下建筑的危險級別，綜合考慮吊頂、貨架、附屬倉庫和擋煙垂壁等對噴淋頭設置的影響，計算并設計自動噴水滅火系統;
2、結合計算結果分析，提出提高該類型地下建筑消防安全的具體措施，為該地下建筑出示審核意見。
1.5 工程概況
該建筑總規劃用地面積11.99萬m2，規劃總建筑面積約441278.75 m2，其中地上359778.75 m2，地下8.15萬m2。分兩期建設，其中一期地上26.77875萬m2，地下7.0萬m2;二期地上9.9萬m2，地下1.15萬m2。由購物中心、酒店、寫字樓、商務酒店、室外步行街、及底商等組成。根據《高層民用建筑設計防火規范》(以下簡稱《高規》)第3.0.1條和第3.0.4條，建筑高度超過50 m，為一類高層建筑，耐火等級一級。
該建筑地下一層分為大超市部分和車庫部分，地下超市商品超過萬余種，主要經營包括煙、酒、副食、生活用品等。
2 濕式自動噴水滅火系統的設計審核
2.1 場所火災危險等級
根據《自動噴水滅火系統設計規范》以下簡稱《自噴》)第5.0.1條，民用建筑的設計參數如表2.1：
表2.1 民用建筑和工業廠房的系統設計參數
火災危險等級凈空高度
m噴水強度
L/(min·m2)作用面積
m2
輕危險級
≤84
160
中危險級Ⅰ6
Ⅱ8
嚴重危險級Ⅰ12260
Ⅱ16
注：系統最不利點處噴頭的工作壓力不應低于0.05MPa
該地下室的地下建筑部分和車庫部分均屬于中危險Ⅱ級場所。濕式自動噴水滅火系統的設計噴水強度為8 L/(min·m2)。
該建筑地下超市部分和車庫部分的自動噴水滅火系統的噴頭為閉式玻璃球噴頭，有吊頂的部位采用采用下垂型噴頭，型號為ZSTX15 DN15;無吊頂的部位采用直立型噴頭，型號為ZSTZ15 DN15，噴頭流量系數K=80;噴頭動作溫度68℃(廚房93℃)。自動噴水系統管道采用內外熱浸鍍鋅鋼管，地下室自動噴水滅火系統管道工作壓力為1MPa。
建筑同一配水支管上噴頭的最大間距為3.4m,相鄰配水支管的最大間距為3.4m，符合《自噴》第7.1.2條的規范要求。地下室最大凈空高度為5.8m，小于8m，符合《自噴》6.1.1條的規定。
2.2報警閥組確定
《自動噴水滅火系統設計規范》第6.2.3條第1款規定，1個濕式報警閥組控制的噴頭數不宜超過800個。該建筑共有6個濕式報警閥組，見表2.2。
顯然，該建筑所有濕式報警閥組控制的噴頭數均未超過800個，符合規范要求。
2.3水流指示器
該地下室的每個防火分區都設有水流指示器，并且每個水流指示器都配有信號閥，符合《自噴》第6.3.1條和第6.3.3條的規定。
2.4末端試水裝置
該建筑地下一層共有35個防火分區，每個防火分區內距相應立管最遠的噴頭都連接末端試水閥，末端試水裝置設有壓力表。以上符合《自噴》第6.5.1條的規定。
2.5水力計算
本建筑的危險等級為中危險Ⅱ級，故噴水強度為8 L/(min·m2)，作用面積為160m2。如圖所示，取最不利點作用面積162.34m2，共18個噴頭。
所選最不利點處作用面積為矩形，長邊為25.2m，短邊為6.8m;長邊平行于配水支管，1.2× =15.29m<25.2m。符合《自噴》第9.1.2條的規定。
水力計算：
最不利噴頭的保護面積：162.34÷18=9.02m2
最不利點處噴頭流量：
q1=D·AS (2.1)
=8×9.02
=72.16(L/min)
式中D是噴水強度，L/min·m2;AS是最不利點噴頭保護面積，m2。
最不利點噴頭工作壓力：
(2.2)
=(72.16/80)2/10
=0.081(MPa)
式中K是噴頭流量系數;q是噴頭流量L/min;P是噴頭工作壓力MPa。
計算得最不利點噴頭工作壓力大于規范規定0.05 MPa的要求，因此P1按0.081MPa進行計算。
按下式進行作用面積內噴頭流量的計算：
(2.3)
式中q是噴頭流量，m3/s;K是噴頭的流量系數;P為噴頭處的水壓，MPa。
通過管道的計算內徑和流量，按(2.4)式計算管道的水力坡度。
(2.4)
式中i是管道的水力坡度，MPa/m;C為管道的材質系數，本建筑為鍍鋅鋼管，取C=100;dj為管道的計算內徑，m，取值應按管道的內徑減1mm確定;qg為管道內流量，m3/s。
管道的水頭損失分為沿程損失和局部損失兩部分，分別為水力坡度乘以實際管道長度和當量長度：
h=i (L+L0) (2.5)
式中h是管道的沿程損失或節點的局部損失，MPa;i是管道或節點的水力坡度，MPa/m;L為管道長度或當量長度，m;L0是管道局部損失的當量長度。
泵的總揚程按(2.6)式計算：
式中H是泵的總揚程，MPa; 是水頭損失，MPa;Z是最不利點處噴頭與消防水池的最低水位之間的高度水頭，MPa;P1為最不利點處噴頭工作壓力，MPa。
如圖所示：
取報警閥組0.04 MPa，水流指示器0.02 MPa，
求得泵揚程：
=0.04+0.02+0.4231+4.6×0.01+0.081
=0.6101(MPa)
流量QD=0.04628 m3/s =46.28(L/s)
對以上水力計算結果進行復核：
(1)地下室自噴給水系統為臨時高壓系統，地下室消防泵房內設有自噴給水加壓泵Q=40L/S,H=60m,N=45KW，三臺，二用一備，向自噴給水系統供水。通過最不利處噴頭作用面積計算得出的水泵流量要求為46.28 L/s，揚程為0.6101 MPa，流量與揚程未達到標準，故水泵型號不符合規范要求。
(2)水泵接合器，按照系統水力計算的流量要求Q=46.28 L/s，每個水泵接合器按10~15 L/s計，應當設置至少4個水泵接合器，實際設計中為4個SQS100-A型水泵接合器與室內自動噴水管網相連，符合規范要求。
(3)噴水強度復核：
最不利點附近4個噴頭，取噴頭1，2，18，16。其總作用面積為4.05 6.8=27.54(m2)，四個噴頭的總流量為：
=72+77.4+83.6+84.5
=317.5(L/min)
噴水強度D=317.5/27.54=11.52(L/min·m2)，大于規范要求8 L/min·m2，符合規范規定。
自動噴水滅火系統管道沿程水頭損失的計算國內和國外采用的公式都不一樣，我國現行國家標準《自動噴水滅火系統設計規范》采用原《建筑給排水設計規范》的公式，以下計算將采用我國規范規定的公式進行計算：
系統最不利點壓力的確定
由圖紙可得，最不利點噴頭的保護面積近似取：
m2
則所需噴頭數為：
， 取19個
實際保護面積為162.34 m2，則最不利保護面積內噴頭平均保護面積為
m2<11.5 m2
則最不利點處噴頭流量
L·min-1
式中qu是設計噴水強度，L/min·m2;As是每個噴頭保護面積，m2。
由式(2.5)可知
(2.5)
式中q是噴頭流量，L×s-1;K是噴頭的流量系數，取80;P0是噴頭出水壓力，MPa。
故最不利點壓力為
MPa
該值大于《自動噴水滅火系統設計規范》規定的系統最不利點噴頭處的最低壓力0.05 MPa，故取較大值，則 MPa。
(1)按式(2.6)[10]進行作用面積內噴頭的節點流量計算：
(2.6)
如節點1： L×s-1。
管段水流速度和水力坡度計算:
(2.7)
式中v是管段流速，m×s-1;Q是管段流量，m3×s-1;dj是管徑，m。
式中i是管道單位長度的水頭損失，mH2O×m-1; v是管段流速，m×s-1。
dj為管道的計算內徑，取值按管道內徑減去1 mm確定。圖紙中給出的公稱口徑系近似內徑的名義尺寸，不表示外徑減去兩個壁厚所得的內徑。故 取值按《低壓流體輸送用焊接鋼管》[8]中表A.1規定取值。部分計算所需的計算管徑如表2.4：
管路計算長度，為管段長度與閥門和管件當量長度之和;如管段1~a：計算長度應為管段長度加DN25 90°彎頭和DN32×25異徑接頭當量長度(各管件當量長度見表4.4)，即L1~a=2.5+0.2+0.6=3.3 m。
(2)計算管段流量， 。如1~a管段 L×s-1。
(3)計算管道水力坡度，采用式(2.7)、(2.8)。如管段1~2
(5)按公式 計算節點水壓，如節點2的水壓：
H2=H1+hg1~2=5.9+1.712=7.612 mH2O
(6)按上述方法進行各管段水力計算，具有相同水力特性的高壓管段流量與低壓管段流量，按下式計算：
取報警閥組0.04 MPa，水流指示器0.02 MPa，
從c點到泵的水頭損失為高度水頭、管道沿程損失與最不利點處噴頭的工作壓力之和;
求得泵揚程： =0.6043+4.6×0.01+0.0738
=0.7241(MPa)
流量Q=51.27(L/s)
由以上水力計算結果進行復核：
(1)地下室自噴給水系統為臨時高壓系統，地下室消防泵房內設有自噴給水加壓泵Q=40L/S,H=60m,N=45KW，三臺，二用一備，向自噴給水系統供水。通過最不利處噴頭作用面積計算得出的水泵流量要求為51.27 L/s，揚程為0.7241 MPa，流量與揚程未達到標準，故水泵型號不符合規范要求。
(2)水泵接合器，按照系統水力計算的流量要求Q=51.27L/s，每個水泵接合器按10~15 L/s計，應當設置至少4個水泵接合器，實際設計中為4個SQS100-A型水泵接合器與室內自動噴水管網相連，符合規范要求。
(3)噴水強度復核：
最不利點附近4個噴頭，取噴頭1，2，18，16。其總作用面積為3.95 5.9=23.305(m2)，四個噴頭的總流量為
=56.57+60.02+100.65+106.3
=323.54(L/min)
噴水強度D=323.54/23.305=13.88(L/min·m2)，大于規范要求8 L/min·m2，符合規范規定。
(4)噴水強度校核
系統計算流量Q=21.95 L×s-1，系統作用面積為161.6 m2，則系統平均噴水強度q=21.95×60/161.6=8.1>8 L×min-1，符合中危險級Ⅱ級建筑防火要求。
2.6 穩壓設施
2.6.1 自噴立式氣壓罐
氣壓罐最小設計工作壓力：
(2.9)
式中P0是氣壓罐最小設計工作壓力，MPa; 是水箱至最不利噴頭的水頭損失，MPa;Z是最不利點處噴頭與消防水箱的最低水位之間的高度水頭，MPa;P1為最不利點處噴頭工作壓力，MPa。
消防水泵工作壓力：
(2.10)
式中P2 是消防水泵啟動壓力，MPa;P0是氣壓罐最小設計工作壓力，MPa; 是壓縮空氣充裝比，在這里取0.7。
水箱立管連至圖2.2中q節點，q節點前的水頭損失由附錄A可知：
hq=0.779 MPa
p節點到水箱的水頭損失由式(2.2)計算得：
h0=0.0324 MPa
故水箱至最不利點噴頭的水頭損失：
h=0.779+0.0324
=0.8114(MPa)
水箱至最不利點噴頭的高度差為14.5 m即高差靜水壓為0.145 MPa。將以上數據代入式(2.9)計算穩壓泵最小工作壓力：
(MPa)
代入式(2.10)計算消防水泵啟動壓力：
=0.8469/0.7=1.21(MPa)
穩壓泵啟泵壓力Ps1=P2+0.02=1.21+0.02=1.23(MPa)。
穩壓泵停泵壓力Ps2=Ps1+0.05=1.23+0.05=1.28(MPa)。
設計中給出穩壓泵啟泵壓力為0.35 MPa，工作壓力0.4 MPa，停泵壓力為0.45 MPa。皆不符合水力計算得出的壓力要求。
自動噴水滅火系統的氣壓罐容積應按式(2.11)計算：
(2.11)
式中 是氣壓罐容積，L; 是壓縮空氣充裝比，這里取0.7; 是自動噴水滅火系統的消防儲水容積，L。
自動噴水滅火系統的消防儲水容積應滿足火災初期5個噴頭工作30 s的消防用水量要求，即
(L)
代入式(2.11)計算可得：
(L)
設計中調節容量為150 L，小于計算要求的495 L，不符合水力計算得出的要求。
2.6.2 消防穩壓泵
當穩壓泵用于自動噴水滅火系統時，其流量不應大于1 L/s。其揚程可按式(2.12)計算：
(2.12)
將上面得出的數據代入式(2.10)得到穩壓泵的揚程：
(MPa)
設計中穩壓泵的型號為25FL4-11X5，流量為4 m3/h=1.11 L/min，大于1 L/min。揚程為55 m，即0.55 MPa，小于1.255 MPa。
故設計中穩壓泵的型號不符合水力計算得出的要求。
2.7 系統供配電
本工程一二期合并為一類高層建筑，消防設備供電等級為一級，符合GB50045-95(2005年版)《高層民用建筑防火設計規范》[5](以下簡稱《高規》)第9.1.1條的規定。
由A區地下室低壓干線系統圖可看出低壓開關柜引出線路連接的都是消防設備，無其他線路，消防用電設備皆有專用的供電回路，無其他支路。符合《高規》第9.1.3條規定。
建筑的消防噴淋泵有雙電源自動切換裝置，如圖2.3所示，這樣的設置符合《高規》第9.1.2條的規定。
消防控制室有雙電源自動切換裝置，符合《高規》第9.1.2條的規定。引線為電纜橋架敷設。符合《高規》第9.1.4條的規定。
參考文獻
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