刘志恒

（中外建工程设计与顾问有限公司，北京 100050）

0 引言

随着城市的发展，中心城区的建筑物十分密集，为提高土地的商业价值，建造了大量的高层建筑、超高层建筑，这些建筑物为人类的居住或者商业活动提供了空间，也是城市财富集聚的场所，对防火的要求非常高，否则极易造成经济损失[1]。另外，高层建筑不断往垂直方向上发展，延缓了消防人员达到火灾发生点的时间，增加救援灭火的难度和建筑物内人员的逃生难度，因此容易造成人员伤亡。为了将火灾控制在发展初期，提供足够的水源和灭火设备是有效的救援手段[2]。在高程建筑消防给水系统设计时应考虑用水的特殊性，充分满足消防用水需求。

1 工程概况

北京市某商业安居小区高层建筑采用消火栓环状管网，小区共由5 栋建筑物组成，编号分别为A1#~A5#，各层建筑物的结构特征见表1。

表1 高层建筑各层结构特征

小区共设置1 层地下室，设有地下泵房以供消防系统给水泵使用，地下室层高为4.20 m，结构形式为框架结构，上覆土层厚度为2.5 m。所有建筑的消防给水系统采用临时高压给水系统，地下室按中危险II 级设置火灾危险等级，建筑内每个消防栓均设置消防按钮，在使用时间扭开按钮即可提供足够的水源。另外，建筑物各层室内均配备了闭式自动喷水灭火系统，以提供火灾发生早期的消防需求，设计喷水强度为6 L/（min·m-2），喷头工作压力为0.1 MPa。

2 高层建筑用水规律分析

对研究区某高层建筑的每日用水量进行监测，监测时间为2022 年8 月1 日—2022 年9 月14 日，共45 天。水量监测采用的是基于传播时差法的超声波流量计，其流量计算原理如公式（1）所示[3-4]。

式中：V为水流量，m3；θ为超声波与水流运动方向的夹角，°；M为超声波在水体内部直线传播的次数；D为水管的内直径，m；Tu为超声波顺水方向的传播时间，s；Td为超声波逆水方向的传播时间，s。

高层建筑对接的市政给水管网水压为0.2 MPa，监测时段内，高层建筑每日耗水量监测结果见表2 和图1。从图1中可以看出，高层建筑在2022 年8 月10 日出现最大每日耗水量，达到215.46 m3，在2022 年9 月3 日出现最小每日耗水量，达到103.95 m3。

图1 高层建筑每日耗水量监测曲线

表2 高层建筑每日耗水量监测结果

为了更加可靠地对高程建筑的消防给水系统进行优化设计，对最不利工况的每日用水量进行分析，即对2022 年8月10 日（每日耗水量最大）的全天用水量进行研究，结果如图2 所示。从图2 中可以看出，随着时间的增加，高层建筑的每小时耗水量呈现不同程度的波动，并出现3 个波峰和3 个波谷，波峰出现的时间在早上8:00、下午14:00 和晚上18:00，小时耗水量分别为11.84m3、10.44m3和11.82m3。波谷出现的时间在凌晨2:00、上午10:00 和下午16:00，小时耗水量分别为2.15m3、7.77m3和6.98m3。

图2 高层建筑每小时耗水量监测曲线

3 高层建筑消防给排水系统优化设计

为了满足不同楼层的用水压力需求，按照建筑楼层高度进行给水系统竖向分区，当楼层小于3 层（低压区）时按市政管网水压直接供水，而3 层以上楼层（高压区）则通过配备加压设备的方式二次供水，以优化消防给排水的供水方式[5-7]。对于配置水管中的水压大于0.2 MPa 的用水器具来说，由于水压力过大会造成水锤现象，同时在用水点开启阀门时，水流在高水压作用下流速过大，产生水化喷溅现象，不仅会损坏用水管道，而且会浪费水资源，给使用者造成不便，因此可以采取降压措施，以满足器具的工作压力要求。

在消防系统优化设计中，火灾延续时间3h，当用水量标准为20L/s 时，室外消防栓给水系统一次消防用水量为216m3，火灾延续时间3h，当用水量标准为40L/s 时，室外消防栓给水系统一次消防用水量为432m3，火灾延续时间1h，当用水量标准为35L/s 时，自动喷水灭火系统一次消防用水量为126m3，因此，高层建筑总的消防用水量为774m3，可以得到室内总消防水池储水量和自动喷水系统储水量，如公式（2）、公式（3）所示[6]。

按照进水流速1 m/s 计算，得到3h 内消防水池的补水量，如公式（4）所示[7]。

由此得到消防水池的有效容积，如公式（7）所示[8]。

在消防系统改造设计中，第19 层的消防栓为最不利消防栓，需要采用增压稳压设备，该研究采用ZWL-I-XZ-10立式增压稳压设备，质量为2312 kg，稳压水容积为86 L，立式隔膜气压罐规格为SQL1000×0.6，压力比为0.65，消防储水容积为450 L，配用水泵信号为25LGW3-10×4。

为了比较高层建筑消防给水系统增设增加稳压的优化设计效果，对各个楼层的增压稳压前后各楼层的水流量进行监测分析，结果见表3 和图3。从图3 可以看出，当未增加增压稳压设备时，各楼栋的水流量在楼层竖向方向上呈现明显的分区现象，当楼层小于6 层时，其水流量变化范围在40 L/s~60 L/s，随着楼层的增高，水流量均呈现显著的近线性降低，在8 层以上已不满足火灾延续时间1h，用水量标准为35 L/s 的用水需求，而在24 层以上已不满足火灾延续时间3 h，用水量标准为20 L/s 的用水需求。在采用增压稳压设备后，各个楼层的水流量曲线呈现不同程度地波动，但是这种波动变化趋势表现出一定的稳定性，即随着楼高度的增加，水流量的波动范围也保持在40 L/s~60 L/s，由此说明，采用增压稳压设备可以很好地控制高层建筑消防给排水系统的水流量。

图3 高层建筑增压稳压优化前后各楼层水流量曲线

表3 高层建筑增压稳压优化前后各楼层水流量分布

4 结论

该文以北京市某商业安居小区高层建筑为研究对象，分析高层建筑每日用水量和每小时用水量的用水规律，按照建筑楼层高度进行给水系统竖向分区，采用增压稳压设备优化供水方式，研究增压稳压设备优化前后各楼层的用水量变化关系，得到以下2 个结论：1）在监测各高层建筑每日用水量时间段内，每日用水量表现出不同程度的波动性，对最不利每日用水量工况分析表明，随着时间的增加，高层建筑的每小时耗水量呈现不同程度的波动，并出现3 个波峰和3 个波谷。2）当未增加增压稳压设备时，各楼栋的水流量在楼层竖向方向上呈现出明显的分区现象，当楼层小于6 层时，其水流量变化范围在40 L/s~60 L/s，而随着楼层的增高，水流量均呈现显著的近线性降低。在采用增压稳压设备后，各个楼层的水流量曲线呈现出不同程度的波动，随着楼层的增加，水流量的波动范围也保持在40 L/s~60 L/s，由此表明，采用增压稳压设备对高层建筑消防给排水系统的水流量起到良好的控制作用。