超高层建筑消防供液干管系统的应用与优化

朱伟峰

(上海市公安消防总队，上海　200051)

0　引言

随着社会生产力的迅猛发展和科学技术的日新月异，超高层建筑已成为一个国家、一个城市展示成就的重要标志。截至2017年10月我国已建成或封顶的超高层建筑(高度超过100 m)达3 262栋，涉及74个城市和地区；在建、预备和规划的超高层建筑还有1 414栋，摩天潜力指数达14 980.07，是第二位阿联酋的18.6倍。与此同时，超高层建筑防控火灾的难度极大，是国内外消防部门一直竭力探究的疑难课题。如何在建筑固定消防设施失效的情况下，第一时间不间断地组织向火场供给灭火剂，直接关系到灭火战斗的成败。受消防员体能、疏散楼梯形式数量、水带连接固定等因素的影响[1]，利用消防水带铺设移动线路供给灭火剂难度极大，急需寻找一种新的供液途径来解决。本文通过对超高层建筑现有消防给水系统火场应用难点问题的研究和对消防供液干管应用效能的分析，结合上海中心大厦压缩空气泡沫管道建设实例，提出消防供液干管系统的设计及优化方案，为超高层建筑消防供液干管设计与应用提供参考。

1　消防供液干管实战需求分析

发生火灾后，尤其是当建筑内现有的消防给水系统失效的情况下，消防部队利用现有的供水管网向建筑内供液将十分困难，急需寻找一种新的供液途径来解决现有消防给水系统在火场应用中遇到的难点问题。

1.1　完好率不高影响固定消防设施作用发挥

2014年公安部消防局的调查显示，室内消火栓系统的完好率为73.5%，自动喷水灭火系统的完好率为63.7%，其他固定消防设施的完好率为61.2%[2]。新疆德汇国际广场、沈阳商业城、北京央视新址在建文化中心、吉林银都商厦火灾均因内部消防设施不能启用而造成严重的损失。建筑内部固定消防给水系统一旦发生故障，消防部队无法利用其直接实施灭火救援；同时，在不能完全确定固定消防设施完整好用的情况下，放弃使用固定消防设施而只依靠移动消防装备进行灭火救援已成为消防指战员的思维定势，“以固为主，固移结合”的高层建筑火灾灭火救援原则势必成为空谈。

1.2　湿式管网系统不能同时兼容水和泡沫

在发生火灾的楼层高度超出消防车水泵的供液高度范围的情况下，消防部队只能通过手抬泵串联的形式向建筑内部补水，或采用压缩空气泡沫消防车向建筑内部供压缩空气泡沫灭火剂实施灭火作业。在压缩空气泡沫消防车大量配备部队的情况下，火灾时向超高层建筑内供压缩空气泡沫灭火剂灭火已成为优先选项。现有消防给水系统一般均采用湿式系统，由于泡沫和水不兼容，要想使用压缩空气泡沫灭火剂必须将管网内充满的水提前放完，需要一定的时间，势必影响灭火救援进程。

1.3　分区供水形式的存在将“固移结合”供液局限在一定范围

超高层建筑消防给水系统无论采用消防泵并行或串联、减压水箱和减压阀减压中的哪种分区供水形式，消防给水竖管中均存在消防水泵、减压水箱或减压阀之类的永久障碍，利用其管网“固移结合”供液只能实现低区供液。调研发现供水分区中低区的分区楼层一般在20层左右，如上海中心大厦低区分区楼层为20层，会德丰国际广场低区分区楼层为19层，环球金融中心低区分区楼层为30层，楼层高度均未超过150 m。目前消防车装配的森田ME-5型两级离心泵、森田ME-7A型两级离心泵和大力KSP1000型一级离心泵的供液高度可以达200 m左右，装配EM2000型两级离心泵的消防车供液高度可以达300 m左右，压缩空气泡沫消防车供压缩空气泡沫高度也可达300 m[3]，先进装备的性能由于分区供水形式的存在被大大削弱。

1.4　现有管网的供液流量不能满足实战需求

从消防泵的流量扬程特征曲线可知，消防车的供液流量和扬程成反比，扬程越高流量越小。管网中的减压阀、减压孔板以及消防水泵接合器阀组在一定程度上增加了供液阻力损失，进而使原本就不大的超高层供液流量变得更小。测试显示，利用消防车通过水泵接合器向建筑消防给水系统补水的流量不超过2支水枪的额定流量。同时每组消防水泵接合器的数量一般不超过3个[4]的现实情况，使得超高层建筑火灾时利用现有供水管网提供的火场用水远不能满足实战需求。

2　超高层建筑消防供液干管系统的组成与优化

2.1　供液干管系统基本组成与工程应用

超高层建筑消防供液干管系统由输液管道、自动排气阀、电动阀、排水阀、安全阀、集水坑、楼层消火栓、消防车供水接口和手抬泵加压接口组成，如图1所示。火灾发生时，火灾报警探测器探测到火灾信号并传输至联动控制中心，由联动控制系统控制相应区域的电动阀自动关闭，排气阀自动打开，消防车通过供水接口向系统供液，待消防水(泡沫)枪出液后关闭排气阀。当需要使用手抬泵串联供液时，在联动控制系统自动控制的基础上，根据消防车泵的供液高度，手动关闭相应区域的电动阀，将手抬泵进、出水口分别与电动阀前后的楼层消火栓和手抬泵加压接口相连，打开截止阀实施供液。火灾扑灭后，消防车泵停水，同时打开系统与消防水箱连接的旁通管道上的阀门放水冲洗管道内的泡沫液，排水阀打开泄压排水，系统恢复原位。

1.排水阀；2.安全阀；3.消防车供水接口；4.自动排气阀；5.电动阀；6.单向阀；7.楼层消火栓；8.手抬泵加压接口；9.楼层消火栓；10.集水坑；11.消防水箱

供液干管系统的工程应用目前仅上海中心大厦有应用实例。上海中心大厦的消防给水系统除设置自动喷水灭火系统和室内消火栓给水系统外，还增设了2路压缩空气泡沫空管系统，用于消防部队现场救援时输送灭火剂至各楼层扑救火灾。上海中心大厦地上128层、地下5层，自地下5层至127层设置有2根竖向立管，每根竖管的管径按室内消火栓给水系统消防竖管的最小管径要求100 mm确定；主干管选用不锈钢管材，300 m以下管道耐压不应小于2.5 MPa，管壁厚度不应小于2 mm；300 m以上管道耐压不应小于1.6 MPa，管壁厚度不应小于1.5 mm；主干管采用焊接方式连接，为便于管道维修更换，管道穿越楼板处设置有套管。支管选用内外热镀锌钢管，其与主干管采用配密封圈的法兰连接，与消火栓采用丝扣连接。楼层消火栓设于疏散楼梯前室或电梯前室，选用标准的1.6 MPa耐压双阀双栓室内消火栓；消火栓固定接口采用DN65的快式接口，并设盖保护，不设消火栓箱和消防水带。分别在20层、50层、83层避难层设置有自动排气阀和电动阀，顶楼128层也设有自动排气阀。消防车在地面通过消防水泵接合器(接口采用DN90的快式接口)给消防干管供液，地下5层设有集水坑和排水阀。

2.2　输液管道

《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB 50974—2014)规定[4]：管道的直径应根据流量、流速和压力要求经计算确定，但不应小于DN100，而《建筑设计防火规范》[5]条文说明中建议干管的管径采用DN80。在对相同条件下DN65、DN80、DN90水带输送压缩空气泡沫析液时间的测试中发现，利用DN90水带输送压缩空气泡沫同等距离时测得的析液时间最长，即泡沫中的含水量最少，输送过程中析出的水分最多。上海中心大厦压缩空气泡沫管道系统在150 m高度测试时，未能取得测试数据，一定程度上与其管径过大，泡沫液中的水分过早析出沉积在竖管下部导致泡沫破坏有关。因此建议超高层建筑中消防供液干管的管径按《建筑设计防火规范》采用DN80，设置数量不少于2条。

竖管的耐压应和消防车泵的最高供液压力、建筑的高度相匹配。目前消防车供压缩空气泡沫的供液压力最大为1.5 MPa，供水的最大压力为40 MPa[1]。另外据高楼迷网统计，国内建成或封顶的超高层建筑83.4%高度在200 m以下，13.7%建筑高度在200～300 m之间，两者占超高层建筑的97.1%。因此，建议高度在200 m以下的竖管耐压按2.5 MPa设计，管壁厚度不应小于2 mm；高度在200 m以上的竖管耐压按1.6 MPa，管壁厚度不应小于1.5 mm设计。考虑到主干管同时可用于输送水和泡沫灭火剂，其管材应选用耐腐蚀的不锈钢管材，并采用焊接方式连接；支管可选用内外热镀锌钢管，用丝扣连接。

2.3　分段控制

为使消防车泵的供水能力在一定范围内得到有效发挥，竖管应在竖向进行分区，分区主要通过在干管上设置电动阀实现。据2010年上海总队消防车泵统计数据分析，75.88%的消防车泵满足15 L·s-1流量时的工作压力为1.1～1.6 MPa，13.2%的消防车泵满足15 L·s-1流量时的工作压力可以达到1.9 MPa。因此，建议当建筑高度超过100 m时，竖管应进行分区；建筑高度在300 m以下时，应每隔100 m进行分区；当建筑高度超过300 m时，考虑到手抬泵的串联供水，200 m以上部分应每隔50 m进行分区，并在电动阀上端设置一个DN80/90的快式接口用于手抬泵的串联供水使用。电动阀和自动排气阀应接入楼宇消防联动控制系统，以实现自动控制。

2.4　水泵接合器与楼层消火栓

消防供液干管系统中的消防水泵接合器与消防给水系统中的水泵接合器不同，其不需要考虑减压、回流等问题，建议采用阀门加DN80/90接口组成的方式与竖管直接相连，取消水泵接合器的其他组件。楼层消火栓仅供消防员到场后使用，无需设消火栓箱和消防水带，接口采用DN65/80/90快式接口并设盖保护即可。

3　消防供液干管应用效能分析

消防供液干管的建设为超高层建筑灭火救援提供了新的供液途径，有效解决了实战中出现的诸多困难。

3.1　减少阻力损失，供液高度更高

由于受超高层建筑结构和避难层设置要求的影响，大部分楼梯都不能从地面直通顶层，要么分区设置，要么在避难层错位。楼梯错位使得沿楼梯铺设供液线路时产生了额外的阻力损失，直接影响到供液高度。以环球金融中心为例，A、B楼梯直通89层但不能垂直铺设供液线路，C楼梯可以垂直铺设供液线路，但在78层避难层出现错位。环球金融中心在建时沿电梯井垂直铺设供液线路，实现了供压缩空气泡沫至370 m的供液高度，建成后沿C楼梯垂直铺设供液线路供压缩空气泡沫仅供至300 m。消防供液干管既不像水带线路有众多的连接点，也不像消火栓供水系统那样有减压分隔设施，供液线路阻力损失更小，供液高度更高。

3.2　减少铺设环节，作战效率更高

现有的研究结果显示，当建筑高度超过100 m后，沿外墙铺设供液线路无论是线路铺设还是线路固定都将十分困难，线路铺设时间远远超过1 h[3]。消防员徒手攀登160 m高度的超高层建筑一般须耗时约8～9 min，而按灭火要求着实装携重物时则需延长近1倍，在实际灭火战斗中身着全套战斗服，背负水带水枪等装备时，体力透支的速度增快，其实际运动能力将明显降低，会较早出现生理极限丧失行动能力。消防供液干管的设置减少了铺设供液线路的环节，有效解决了铺设水带线路的时间、爆破更换维护问题，而且解决了因铺设供液线路而产生的额外负重体能消耗，使消防员在超高层建筑灭火救援中第一时间接近火场、第一时间展开内攻成为可能。同时，消防供液干管的设置释放了因铺设水带而占用的疏散楼梯空间，使消防员进攻通道和人员疏散通道得以分离，火场行动更加有序。

3.3　实现一管多用，战术选择更多

消防供液干管不仅可以用来输送水灭火剂，也可以用来输送压缩空气泡沫灭火剂。火场上，指挥员可以根据火灾发生楼层和消防车配备情况灵活地选择战术战法，可以最大限度地发挥先进装备的作战效能。

4　结束语

超高层建筑火灾处置尤其是火场供水组织是国内外消防部门的疑难课题，在建筑固定消防设施完好率不能保证的情况下，现有的消防给水系统管网在超高层建筑火灾救援处置中存在不能供压缩空气泡沫灭火、“固移结合”供液局限在供水分区低区、供液流量不能满足实战需求等难点问题，在实战中需要加以解决。在超高层建筑中设置消防供液干管，不仅有效解决了现有消防给水系统在灭火救援中的应用难题，同时也解决了超高层建筑火灾救援处置中因消防员体能消耗过大、水带线路铺设时间过长、供水组织占用进攻疏散通道、水带线路需要人员巡查维护等影响救援效能的实战问题，是对现有消防给水系统的有益补充，是解决超高层建筑火灾处置供水难题的有效途径，值得在超高层建筑中推广应用。