严寒地区地铁车辆段物资总库水消防系统设计研究

任志群

摘 要：物资总库承担着地铁车辆各类物资设备的存储和发放等功能。由于物资总库空间跨度大，并具有燃烧强度大、蔓延速度快的火灾特点，因此消防设计难点多，尤其是对于高寒地区，部分设计问题甚至超出了现行规范的设计标准和要求。文章以东北地区（严寒地区）某地铁车辆段物资总库水消防系统设计为例，针对不同的功能区提出系统化的水消防设计方案，重点对消防系统方案中的立体库消火栓布置、喷头选择及消防管道布置等问题进行分析，并提出相应建议，以期为其他同类项目提供参考。

关键词：地铁;车辆段;物资总库;水消防系统;自动喷水灭火系统;设计

中图分类号：TU921

地铁车辆段一般承担着车辆停放、日常保养、车辆检修、列车救援、设备维护、材料供应及日常培训等众多功能，是地铁工程中不可或缺的重要部分，通常包括运用组合库、检修组合库、物资总库、综合楼等单体。其中，物资总库负责本线的车辆配件、五金、机电、杂品及劳保用品等物资、设备的存放和发放等，具有功能分区结构复杂、存储可燃物多、内部通道狭窄、火势蔓延迅速、火焰立体化、扑救难度大、火灾损失严重等特点，尤其是我国的高寒地区，冬季寒冷漫长，防火设计上存在诸多不便。针对以上问题，本文以东北地区某地铁车辆段物资总库水消防系统设计为例，结合气候因素、建筑布局方案及火灾特点，提出系统化的消防设计解决方案。同时，针对室内、外消火栓系统和自动喷水灭火系统的设置等设计重难点及存在问题进行分析，并提出合理化意见与建议。

1 工程概况

本文研究的物资总库位于严寒地区城市哈尔滨市，最冷月平均气温为-19.6℃，总建筑面积为3087m2，设置大件存放区（重型材料库）、立体仓库、小件存放区（轻型材料库）及边跨附属用房等功能分区，其中除边跨附属用房为局部2层外，其余均为单层建筑，如图 1 所示。大件存放区内一般存放体积较大的电缆线盘、车辆配件等物资;立体仓库内一般存放劳保用品及杂品等;小件存放区内一般存放有色金属、焊接材料等五金件及机电备品备件等;边跨附属用房一般有办公房间、卫生间、盥洗室、报警阀室、电缆引入室等。

2 物资总库火灾特点

（1）建筑燃烧强度大。建筑内堆放的物品种类多，且堆放密集，内部空间火灾荷载大，因此极易扩散形成立体火灾，火灾延续时间较长。

（2）火灾蔓延速度快。仓库内易燃、可燃物品一旦发生燃烧，由于空气不流通，容易发生阴燃或不完全燃烧，因此会在燃烧区域周边形成瞬间高压，迫使热流在物品之间迅速传递，从而导致火势迅速蔓延。

（3）燃烧产生的烟雾浓。仓库内堆放的物品，如内部发生火灾，在封闭条件下极易燃烧不充分，则会产生大量黑烟，使得仓库内可见度极差。

（4）现场极具危险性。由于仓库内物品燃烧不充分，极易产生一氧化碳，加上其他物品燃烧可能产生挥发性有机污染物和有毒物质，对消防救援人员会产生一定的危害。

可见，车辆段物资总库具有周转快、存量多、体积大、火灾蔓延快、排烟困难、结构易坍塌、灭火难度大等特點，根据GB 50084-2017《自动喷水灭火系统设计规范》（以下简称《喷规》）的规定，确定本建筑单体为丙二类仓库，建筑耐火等级为二级。

3 消火栓系统设计

针对物资总库火灾的特点，根据GB 50016-2014（2018版）《建筑设计防火规范》（以下简称《建规》），物资总库设置的水消防系统应包括室内、外消火栓系统，以及自动喷水灭火系统。

物资总库属于车辆段内独立设置的一座建筑单体，由于其与其他功能单体如运用组合库、综合楼等为统一产权单位管理，且位于同一个场区内，为实现最大化、合理化的资源利用率，以降低消防工程成本，因此设计时考虑在车辆段内各单体共用水消防系统，即场区内室内、外消火栓系统共用消防泵，消防水泵的流量由场区内消防用水量最大的单体确定。

3.1 用水量计算

物资总库为丙类仓库，根据GB 50974-2014《消防给水及消火栓系统技术规范》（以下简称《消水规》）的规定，丙类仓库的火灾延续时间为3h;当建筑体积为20000m3

3.2 室内、外消火栓系统设计

3.2.1 室外消火栓系统设计

由于市政管道所提供的水压不能够满足本工程室内、外所需消防用水压力，因此考虑独立设置消防泵房及消防水池。消防泵房及消防水池位于场区最高建筑综合楼地下一层，消防水池储水容积须大于消火栓系统一次火灾所需消防用水量648 m3的要求，故取700 m3。室外消火栓系统采用临时高压给水系统，管网内平时充水，平时运行压力不小于0.14 MPa。根据本工程所在地的气候特点，室外消火栓则采用双层保温井盖地下式消火栓，保温层厚度不小于600 mm，并在保温井筒侧壁喷涂不低于30 mm的聚氨酯保温层。根据《消水规》规定，室内、外合用的消火栓干管在场区内沿道路呈环状布置，从干管接出的室外消火栓沿建筑物均匀布置，并满足消防扑救面一侧的数量不少于2个，且其距离水泵接合器的位置为15～40 m。

根据《消水规》规定，室外消火栓布置的间距一般不大于120 m，保护半径为150 m。室外消防用水流量为35 L/s，由于所选择的保温型消火栓单个出水流量不足15 L/s，因此物资总库需设置3个保温型室外消火栓，在物资总库周围沿道路尽量均匀布置。

3.2.2 室内消火栓系统设计

根据《建规》规定，面积大于300 m2的仓库需设置室内消火栓系统。本物资总库位于严寒地区，根据工艺要求仓库内已设置了采暖系统，因此本建筑内消火栓系统推荐采用湿式系统。经试验及相关计算，在外门封闭情况下，仓库内环境的设计温度能够保证室内消防管道不结冰。考虑到冬季库门长时间开启装卸货物，可能引起库内温度骤降至冰点以下，根据运营经验建议在靠近库门至少30 m范围内的消防管道上加设电伴热保温措施。

本工程室内消火栓系统采用临时高压给水系统，共设置18个室内消火栓，与室外消防系统一并由消防水池及加压泵组联合供水。室内消防管网同样设计为环状布置，平时由屋顶水箱间内设置的稳压泵组维持管网压力，火灾初期则由设置在同场区内最高建筑（综合楼）的高位消防水箱供水，水箱储水容积根据《消水规》的要求按18 m?设计。根据《消水规》的要求，消防水泵设置泵房就地手动控制、消防控制室远程控制方式，并具备高位水箱出水管流量开关和消防出水干管上设置的低压压力开关自动启泵功能，特殊情况下具备机械应急启泵条件。消火栓按钮的动作信号作为报警信号和联动触发信号，由消防联动控制器逻辑判断后启泵。

综上所述，物资总库消火栓系统如图2所示。

立体库中由于货物堆放密集，且货架与货架间通道宽度仅可供堆垛机单向行进工作，没有有效空间可用于设置消火栓箱;但由于该功能区内货架长度方向超过60m，仅在两侧库门附近设置消火栓无法满足《建规》中对消火栓的设置要求，为此，考虑到自动化仓库的通道长且无人值守的特殊性，库门附近的消火栓布置在2 个货架之间通道对应的位置，同时在消火栓箱内设置2盘可以互相连接的25 m长水龙带，用以满足同一起火点处需有2股水柱保护的消防要求。在设计联络阶段，建议设计人员积极与货架厂家沟通配合，研究在有条件的中部隔墙处增设消火栓的可能性。

上述设计方案获得了业主单位和地方消防部门的积极肯定，并已通过消防部门的设计审查。

4 自动喷水灭火系统设计

由于物资总库按无人操作的自动化立体仓库设计，正常状态时存储库区禁止人员进出，仅有出入库区内设置少量分拣人员，因此火灾初期不易被及时发现，采用自动灭火系统是较为直接有效的保护措施;且本工程总建筑面积超过了3000 m2，根据《建规》规定，结合各功能分区的特点，自动喷水灭火系统采用可靠性高的湿式系统，避免因管道充水或电气装置故障引起火灾延误，并根据储物形式选择不同类型的喷头及管道布置方式。在靠近常开库门附近的喷淋管道，采取与消火栓系统相同的电伴热保温措施，保证喷头、管道内的消防用水不结冰。

4.1 储物方式

對于仓库建筑，其储物方式包括堆垛、托盘和货架3种。本建筑内各功能区的基本参数如表2所示。

4.2 喷头选型及用水量的确定

根据各功能分区的具体情况，结合《喷规》的要求，用于本建筑内顶板布置的喷头主要有标准覆盖面积洒水喷头、早期抑制快速响应喷头（ESFR）和特殊应用型喷头3种。

4.2.1 重型材料库

（1）采用标准覆盖面积洒水喷头。该喷头的防火目标为控制火灾至适度范围，但不能抑制或减小火灾。重型材料库为双排货架，最大净空高度为10.3 m，根据《喷规》规定，分别在顶板和货架内设置喷头。货架内的喷头设置高度为3.0 m，距离货物顶部的高度为 2.5m，喷头上方的层板应为实层板。本工程中喷头流量系数选择K115型，工作压力不小于0.1 MPa;货架内设有8个开放洒水喷头，其流量约为 15.4L/s;顶板设置的喷头流量约为112L/s（流量强度为24L/（min · m2），作用面积为280 m2）。综上所述，重型材料库消防系统设计采用该类型喷头时，喷淋合计流量约为127.4L/s，持续喷水时间为2h，一次火灾喷淋所需的水量约为918m3。该喷头的优点为喷头布置灵活，适用范围较广;缺点为需在货架内额外设置喷头，喷头溅水盘与上层层板间距及喷头与下方储物顶面高度均有固定距离要求，这将影响货架的布置方式及功能使用，如图3所示。况且，该喷头组成的系统用水量较同条件下其他喷头形式大，因此所需的消防水池容积也较大，工程造价较高。

（2）采用早期抑制快速响应（ESFR）喷头。此喷头具有“快响应+高冲量+大水滴”的性能，以压制火灾为设计目标，主要用于抑制或扑灭仓库火灾。应用ESFR喷头，要求货架均为通透性层板，不得有实层隔板。根据《喷规》规定，重型材料库的最大净空高度为10.5m，最大储物高度不超过9.0m时，喷头流量系数应选择K363，最低工作压力为0.2MPa，作用面积内同时开放喷头数不低于12个。经计算，喷淋系统设计的流量约为102.7L/s，按持续喷水时间1h计，则一次火灾喷淋所需水量约为370m3。此喷头的优点是由于不设货架内喷头，且消防水池储水容积较标准覆盖面积喷头小，因此费用较为节省;同时，ESFR喷头具有水滴大和冲量高的特点，可穿透货架间的通透层板，灭火效率高。其缺点是对于储物类型、货架层板的通透性都有严格的限制要求。

（3）采用仓库特殊应用型喷头。此喷头为《喷规》中新增的一种喷头类型，广义上属于标准响应喷头范畴，该类喷头同样适用于控制火灾蔓延，但在抑制或扑灭火灾方面不如ESFR喷头。根据《喷规》规定，重型材料库的最大净空高度为12.0m，最大储物高度为10.5m时，喷头流量系数选用K363，下垂型喷头，最低工作压力为0.2MPa，同时开放喷头数不低于12个，喷水时间按1h计。经计算，该方案设计流量与采用ESFR喷头方案设计流量一致。

综上所述，对于重型材料库，最大净空高度为8～10.5 m，最大储物高度为5～7 m时，不建议选择用水量大、需设置货架内喷头的标准覆盖面积洒水喷头，可根据实际情况选择ESFR喷头或仓库特殊应用型喷头。在相同条件下，鉴于ESFR喷头的大水滴和高冲量特点，建议优先考虑。

4.2.2 轻型材料库

如前所述，轻型材料库内设阁楼式货架，货架单层高度为2～2.5m，阁楼层板为不通透的封闭实板，阁楼层板上下2层分别设置轻型货架，货架层板通透率不低于50%，因此顶板和阁楼层板下均需布置喷头。

根据《喷规》要求，不推荐采用顶板下布置ESFR喷头+货架内置喷头的布置方式;同时，如货架内设置封闭实板，货架内喷头设置应参考无遮挡的仓库（危险 Ⅱ级）喷头布置要求进行顶板喷头布置，参考有遮挡的仓库喷头布置原则进行货架内喷头布置。因此，本工程中轻型材料库的自动灭火系统设计采用标准覆盖面积洒水喷头，当双排货架中最大净空高度不超过9.0m，最大储物高度在3.5～6.0 m时，喷头设计按喷水强度为24 L/（min · m2）、作用面积为280m2、持续喷水时间为2h计，根据计算结果确定顶板下布置的喷头流量系数选择K161，同时开放喷头数约为40个。货架内阁楼层板下方选择流量系数为K115的标准覆盖面积喷头，工作压力不小于0.1 MPa，同时开放喷头数不低于8个。经计算，轻型材料库的自动灭火系统喷头设计流量约为 127.4 L/s，一次火灾所需的消防用水量约为920 m3。

4.2.3 立体库

本工程中立体库和重型材料库的最大净空高度和最大储物高度相似，因此喷头选择方案一致。

4.2.4 边跨附属用房

参考《喷规》附录A，边跨附属用房火灾危险等级为中危险I级，喷头设计按喷水强度为6 L/（min · m2）、作用面积为160 m2、火灾延续时间为1 h计，故选用喷头流量系数为K80的标准覆盖面积喷头。经计算，附属办公用房喷淋设计流量约为20 L/s，一次火灾所需的用水量为72 m3。

4.3 喷头及管道布置

4.3.1 重型材料库及立体库

该区域选用流量系数为K363 的ESFR喷头，采用下垂型设置方式，最低工作压力为0.2 MPa。喷头的最大间距为3.0m，最小间距为2.4m，且无货架内喷头。根据《喷规》规定， ESFR喷头溅水盘至顶板的距离为150～360 mm，喷头与保护货物的最小垂直距离均大于0.9m。考虑火灾条件下喷头喷水时，高处货物对着火点处的遮挡影响，在布置喷头时有意避开了货架的正上方，优先选择布置在背靠背的两排货架中间。

由于物资仓库火灾危险性较高，仓库内的喷淋管道呈环状布置或格栅状布置，其中水平管道采取不小于2‰ 的坡度，在坡向低点设置泄水阀;在系统最不利点附近设置末端试水装置，其余各区设置试水阀。试水阀出水流量系数与同防火分区或同楼层内喷头流量系数相同。喷头及管道布置时在顶板处加设电动排烟窗。重型材料库及立体库喷淋系统平面布置如图4所示。

4.3.2 轻型材料库

本区域内的喷头布置在顶板和货架内。

（1）顶板处的喷头。此喷头选用流量系数为K161的下垂型标准覆盖面积洒水喷头，喷头溅水盘距离顶板100mm。喷头呈矩形布置，长边间距为3.6m，短边间距为2.3m，单个喷头的最大保护面积不超过8.3m2。喷头与端墙的最大距离为1.5m，最小距离为0.1m。喷头布置仍需考虑顶部开口范围，如电动排烟窗等。管道布置与立体库相同，采用环状布置形式。

（2）貨架内的喷头。货架层板下方货架内设置的喷头，与顶板上的喷头交错布置，喷头溅水盘与层板间距为75 ～150mm。喷头采用流量系数为K115的标准覆盖面积洒水喷头，喷头也呈矩形布置，长边间距为3m，短边间距为2.85m。阁楼下层同时开放的喷头数为8 个。在保证覆盖面积的同时，货架内喷头均布置在货架的侧边，避免侵占货物的存放空间，以防货物出入库操作造成喷头机械损坏。需注意的是，因工艺所限，个别喷头配水管需直接固定在货架上;为此，设计方案中采取主管道在结构墙体固定，喷淋配水管及配水支管利用货架立柱固定的方式，以避免火灾情况下管道充水瞬间产生的轴向冲击力对货架稳定性造成的影响。

轻型材料库喷淋系统平面布置如图5所示。

4.3.3 边跨附属用房

本区域内喷头的流量系数选用K80，喷头呈矩形布置，喷头间距为1.8～4.0m，单只喷头保护面积控制在10m2以内，不超过规范的上限12.5m2。喷头与墙的最大距离为1.5m，最小距离为0.1m，均未超过规范上限的要求。喷淋系统保护范围主要为走廊及办公房间，而卫生间、盥洗室、报警阀室、电缆引入室等房间按《喷规》无须设置喷头。

5 结论与建议

结合东北地区严寒的气候特点及物资总库各功能分区储存物品的复杂性，本文通过对典型车辆段物资总库消火栓系统和自动喷水灭火系统设计的方案比选分析，提出了在严寒气候条件下，物资总库水消防系统的优化设计方案。主要建议如下。

（1）在设有采暖系统的车辆段物资总库内，优先考虑采用湿式系统作为消火栓系统和自动喷水灭火系统;在冬季有敞开需求的库门附近须增设电伴热保温设施。

（2）室内消火栓系统优先考虑设置单口单阀消火栓;对于条件受限无法符合现行设计标准规范的自动化立体库内，可将消火栓设置于货架两端，并适当增加消防水带的长度，满足货架中部2股水柱的保护要求，并就设计方案与消防部门充分沟通。

（3）室外消火栓系统设置的阀门及室外消火栓均采用地下式，管道覆土需保证在冰冻线以下300mm;井筒采用保温井筒，并加设双层保温井盖。

（4）与工艺专业提前配合，优先选择层板通透率不低于50%的货架，并预留喷淋头安装位置。在最大净空高度不超过13.5m的前提下，优先选择灭火效率高、投资费用低的“快响应+高冲量+大水滴”早期抑制快速响应系统，如条件所限，货架内需设置封闭实板，则可考虑采取流量系数大于K80的标准覆盖面积洒水喷头，同时增设货架内喷头。

（5）喷淋配水管及配水支管与货架立柱进行固定，如必须固定，将主管道固定在结构墙体内。

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收稿日期 2020-05-28

责任编辑 党选丽