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【摘要】本文对高层建筑消防给水方式、系统布置及超压问题，提出了应对策略和可靠性研究措施，旨在为消防设计部门提供价值性资料。
【关键词】高层建筑；消防给水；超压；可靠性
随着社会经济的快速发展和城市用地的日趋紧张，高层建筑的兴建已成为城市居民建筑发展的趋向所在。高层民用建筑由于火势蔓延迅速、扑救难度大、火灾隐患多、事故后果严重，且受到消防车水泵压力和水带的耐压强度等限制，一般不能直接利用消防车从室外消防水源抽水送到高层部分进行扑救，而主要依靠自身的消防给水系统来扑救火灾。因此，高层建筑的消防给水系统就显得尤为重要。
1.高层建筑的消防给水系统
1.1消防给水方式。
1.1.1消防水泵、高位水箱、消防水池合用的供水形式。这种供水方式是高层建筑消防给水系统中应用最广泛的一种方式，它是采用将高位消防水箱置于高层建筑的屋顶上，将消防水池和水泵房设置在建筑物的底层或室外的一种消防给水模式。当发生火灾时，由高位水箱提供前10min的消防用水量，消防水泵启动，将消防水池中的水提升并输送至给水管网，完成灭火任务。该给水方式是从高层建筑物的高度和分区角度出发，分成一次性加压供水、分区串联加压供水和分区并联加压供水三种。其中一次性加压供水方式多应用于无需分区直接给水的高层建筑物，对建筑物的高度要求在50m以下，当建筑物高度超出50m或者有分区减压供水需求的，则需要采用分区串联加压供水和分区并联加压供水方式。分区并联加压供水，各分区为独立的给水系统，供水安全可靠，分区水箱容积较小，水泵集中布置，方便了管理与维护，但对于消防管材方面要求较高；分区串联加压供水，各分区供水相互联系，下区供水出现故障时，上面的分区也将受到影响，供水安全性较差，水泵也是分散布置，维修管理不方便，但整个系统管道压力较小，管道维修较少。
1.1.2区域集中的高压（或临时高压）消防供水方式，即两幢或两幢以上高层建筑共用一个泵房的的消防给水系统。对于一栋单独的高层住宅楼而言，消防给水系统组件消防水泵和高位水箱是不可缺少的。但对于由多栋高层建筑组成的小区，如果在每栋建筑上都设置高位水箱和消防水泵，这不仅大大提高了工程造价，同时还给小区物业管理部门增加了多余的工作量。为了解决这个难题，提出了在小区内设置集中消防供水系统。因为同一个小区内的多栋高层建筑同时发生火灾的可能性较小，可以认为同一时间内发生火灾的次数为一次，从设计合理、经济节省的角度出发，从消防水泵引出多条出水管，分别与小区内各栋楼的供水管网相连接，相当于每栋楼都设有消防水泵，只不过在供水距离上存在了差别，但并不影响对建筑的消防供水能力。只是这种方式要求消防管网设计成环状，以达到供水的安全可靠。
1.1.3加压给水方式。目前常用的加压给水方式有气压罐给水和二次加压两种。气压罐给水方式是在考虑到高位水箱的高位摆放以及影响建筑美观与结构承重问题上提出的，这种密封可靠的消防给水方式很受用户的青睐。它的运行机理是：运用气压罐将水加压后，输送到消防给水管道内，以满足各个消防设备用水需求，当达到一定的压力时，多余的水会进入气压罐，此时，水泵以及自动控制系统进入准备状态，当消防管道内水压小于规定的水压值时，气压罐将自动启动，并向消防给水管网及时给水。但是气压罐的应用，需要与之配套的水泵和自动控制系统的参与，使得消防给水的成本大幅度增加。二次加压方式，是为了应对多层建筑的集群布置管理的形式，当单独的某个气压罐无法满足水压要求时，需要对气压罐内的水进行二次加压，以达到集中加压与稳压的目的，该给水方式的缺点是：投资成本比较大，且需要专门的技术人员做维护。
1.2高层建筑消防给水硬件设施的布置。
1.2.1水泵接合器水泵接合器的主要用途是当建筑物内部的消防给水管道水压低、供水不足或无法供水时，消防车可通过水泵结合器向室内管网供水，达到灭火的目的。《高层民用建筑设计防火规范》指出：消防水泵接合器的数量应按室内消防用水量经计算确定，每个水泵接合器的流量应按10～15L/s计算。在实际工作中，水泵接合器的数量既要按照室内消防用水量来进行计算，还要结合实际室外供水能力的状况，两者要兼顾，不可顾此失彼。对于一些灭火系统水泵接合器的数量可以分别设3～5个，这样既达到了节省资金，又保证了消防安全。
1.2.2消防水池消防水池是用来储存消防用水的构筑物，是天然水源或市政给水管网的一种重要补充手段。《高层民用建筑设计防火规范》规定：市政给水管道和进水管或天然水源不能满足消防用水量，市政给水管道为枝状或只有一条进水管（二类居住建筑除外），只要具备上述一种情况，就应该设置消防水池。《高规》第7.3.3条对消防水池的容积做了详细规定：当室外给水管网能保证室外消防用水量时，消防水池的有效容积应满足在火灾延续时间内室内消防用水量的要求；当室外给水管网不能保证室外消防用水量时，消防水池的有效容量应满足火灾延续时间内室内消防用水量和室外消防用水量不足部分之和的要求。消防水池的构建还要考虑工程造价及管理方面的要求，在保证城市环状供水稳定可靠的前提下，可以采取适当放大进水管尺寸的方式，保证在室外消防用水量充足的前提下，进水管可以补充消防水池需求的消防用水量，这样就可以适当缩小消防水池的容积，减少工程造价。
1.2.3消防水箱消防水箱是为了保证扑救高层建筑初期火灾时，满足火灾前10min的消防用水量的需要而设置的消防设备。自动喷水灭火系统设计规范》第10.3.1条规定：采用临时高压给水系统的自动喷水灭火系统，应设高位消防水箱，其储水量应符合现行有关国家标准的规定。消防水箱的供水，应满足系统最不利点处喷头的最低工作压力和喷水强度。在消防水箱的施工设计过程中应注意：消防用水与生活用水合用的水箱，在设计时应采取确保消防用水不作他用的技术措施，可采用将生活用水管的出水口设在消防用水管出水口的上部并使两个管口之间水箱的容积达到消防水箱容积的要求；安装消防水箱时，在消防管网的出水管上应安装止回阀，阻止消防水泵启动后消防用水进入消防水箱。 1.2.4消防水泵用来输送和提升消防用水的机器称为消防水泵。消防水泵应保证在火警后5分钟内开始工作，并在火场断电时仍能正常运转。消防水泵宜采用自灌式引水（当泵轴标高低于水源（或吸水井）的水位时，称为自灌式引水），在吸水管上应设阀门，以便于检修。一组消防水泵的吸水管不应少于两条，当其中一条损坏时，其余的吸水管仍能通过全部用水量。对于高压或临时高压消防给水系统，其每台消防泵（工作水泵和备用泵）应有独立的吸水管。为了不使吸水管内积聚空气，吸水管应有向水泵渐渐上升的坡度，一般大于或等于千分之五。消防水泵出水管与环状管网连接时，其出水管不应少于两条。当其中一条出水管检修时，其余的出水管应仍能供应全部用水量。消防水泵的出水管上应设置单向阀。同时为使水泵机件润滑，启动迅速，则在水泵的出水管上应设检查和试验用的放水阀门，试验用过的水，可放回消防水池。
2.高层建筑消防给水系统的加压、超压问题
2.1高层建筑给水系统加压常用方法：一次性加压、分区并联加压、分区串联加压。
（1）一次性加压：一般是在高层建筑的地下室的泵房内，对生活用水和消防用水进行集中加压，加压后的水沿着给水管道输送到相应的位置。但对于高层建筑楼层较低部位，需要加装减压阀设备。
（2）分区串联加压：当高层建筑物达到一定的高度时，一台水泵无法满足高层的水压的需求，如果采用增加水泵的方法加压，那么给水管道又无法承受如此高的压力，为此提出了水泵串联加压的方法，它的设计理念是：高层建筑的各分区分别设置调速泵或水泵与吸水箱或吸水池，然后按合理的顺序启动。但是水泵串联应用的设备比较多，且比较分散，致使工程给水工程的开支大大增加。
（3）分区并联加压：它的应用理念也是对给水系统进行分区管理，因为每个区域都有备用的水泵，使得该方法可靠性大大增加，同时水泵功耗利用率高，能量不会发生浪费，但是水泵并联加压存在着：设备的投资较大，且主干管道铺设增加，给水系统复杂的难题。
2.2消防给水系统超压超压是指消防给水系统管道内的水压超过其正常工作压力的限值，从而对管道、附件、器材和设备等造成损害，影响了给水系统的正常运行，不利于消防灭火。
2.2.1防超压措施。
2.2.1.1设置回流泄压装置。在消防水泵的出水管上设置一条去消防水池的支管，支管上设置泄压阀，当管网压力超过设定工作压力一定范围时，泄压阀自动打开回流泄压，以防管网超压。
2.2.1.2选用流量——扬程曲线平缓的消防水泵。在火灾发生后，消防用水量由小到大，变化幅度较大，如果选用流量——扬程曲线比较平缓的水泵，那么水泵的扬程变化也就比较小，管网的实际压力比较接近设计压力，可达到防超压的目的。
2.2.1.3采用可调式减压阀减压。可调式减压阀可以起到稳压的作用，只要给它设定一个阀后压力，那么不管阀前压力如何变化，都不影响阀后的工作压力。因此，可调式减压阀后面的消防管网就不会出现超压现象。
2.2.1.4采用全自动变频调速供水设备。它的主要特点是可以恒压变流量，即在恒定工作压力下，流量根据实际消防用水量发生动态变化，达到需求流量，不出现超压现象。
2.2.1.5增强给水系统管道的性能，提高其承压能力。使系统在运行过程中即使出现超压现象，也属于系统所能承受的压力允许范围之内，不会出现超压现象。
3.消防给水系统的可靠性研究
消防给水系统的可靠性是对消防安全系数的综合性评价，也是各个消防设备以及给水管道的功能正常发挥的评定标准。首先，它源自于对消防安全的全面认识，包括消防安全器材的使用，以及如何最快的应用现有的消防资源去减少火灾对建筑以及居民的伤害。其次，要明白消防给水系统的功能以及失效问题的解决方法，并通过建立合理的消防给水仿真模型，来探究消防给水系统的各个关联组件对系统的可靠度的影响情况。最后，要做好消防给水设施的安全检测与验收，如检验消防设施的设置是否合理，施工是否符合要求，最不利点的水压是否达到要求，室内消火栓的布置是否合理，必要时对消火栓的材料加以检验（如是否有防锈处理等）；检测消火栓箱内是否设置了直接启泵按钮；检测在消火栓按钮发出确认信息后，是否达到启动和报警的效果等。
4.小结
综上所述，高层建筑消防给水系统设计，应根据高层建筑的消防水压要求以及市政管网供水压力、管路布置等情况，合理选择消防给水系统形式。在高层建筑消防给水的超压和泄压问题上，要对给水系统进行科学布置，在管材及设备上进行合理选取，在达到要求的前提下减少额外投资。对于消防给水系统的可靠性研究，要知道不同的消防设备发挥功能状况可靠度是不同的，因此对待可靠性研究要在对消防给水系统全面认识的基础上，通过大量试验，去发现可靠度与各个消防组件之间的函数关系，以便达到高层建筑消防给水系统预期的消防安全能力以及安全效果。
参考文献
[1]杨琦；住宅生活消防共用给水系统中的问题[J].给水排水，2001，07.
[2]蔡勇，黄晓家；浅谈自动喷水灭火系统喷头的选择和应用[J].2003，29（10）：103～104.
[3]王彤等.室内消火栓给水管网的数学模型分析[J]；西北建筑工程学院学报（自然科学版）；2003，02.
[4]姜令军.建筑内部消火栓环状给水系统设计优化的研究[D]；西安建筑科技大学，2004.
[5]张明华等.高层建筑消火栓系统超压与减压[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2003，03.
[6]周国雅；西宁地区高层民用建筑的消防给水设计[J]；消防科学与技术；1987年02期.
【关键词】高层建筑；消防给水；超压；可靠性
随着社会经济的快速发展和城市用地的日趋紧张，高层建筑的兴建已成为城市居民建筑发展的趋向所在。高层民用建筑由于火势蔓延迅速、扑救难度大、火灾隐患多、事故后果严重，且受到消防车水泵压力和水带的耐压强度等限制，一般不能直接利用消防车从室外消防水源抽水送到高层部分进行扑救，而主要依靠自身的消防给水系统来扑救火灾。因此，高层建筑的消防给水系统就显得尤为重要。
1.高层建筑的消防给水系统
1.1消防给水方式。
1.1.1消防水泵、高位水箱、消防水池合用的供水形式。这种供水方式是高层建筑消防给水系统中应用最广泛的一种方式，它是采用将高位消防水箱置于高层建筑的屋顶上，将消防水池和水泵房设置在建筑物的底层或室外的一种消防给水模式。当发生火灾时，由高位水箱提供前10min的消防用水量，消防水泵启动，将消防水池中的水提升并输送至给水管网，完成灭火任务。该给水方式是从高层建筑物的高度和分区角度出发，分成一次性加压供水、分区串联加压供水和分区并联加压供水三种。其中一次性加压供水方式多应用于无需分区直接给水的高层建筑物，对建筑物的高度要求在50m以下，当建筑物高度超出50m或者有分区减压供水需求的，则需要采用分区串联加压供水和分区并联加压供水方式。分区并联加压供水，各分区为独立的给水系统，供水安全可靠，分区水箱容积较小，水泵集中布置，方便了管理与维护，但对于消防管材方面要求较高；分区串联加压供水，各分区供水相互联系，下区供水出现故障时，上面的分区也将受到影响，供水安全性较差，水泵也是分散布置，维修管理不方便，但整个系统管道压力较小，管道维修较少。
1.1.2区域集中的高压（或临时高压）消防供水方式，即两幢或两幢以上高层建筑共用一个泵房的的消防给水系统。对于一栋单独的高层住宅楼而言，消防给水系统组件消防水泵和高位水箱是不可缺少的。但对于由多栋高层建筑组成的小区，如果在每栋建筑上都设置高位水箱和消防水泵，这不仅大大提高了工程造价，同时还给小区物业管理部门增加了多余的工作量。为了解决这个难题，提出了在小区内设置集中消防供水系统。因为同一个小区内的多栋高层建筑同时发生火灾的可能性较小，可以认为同一时间内发生火灾的次数为一次，从设计合理、经济节省的角度出发，从消防水泵引出多条出水管，分别与小区内各栋楼的供水管网相连接，相当于每栋楼都设有消防水泵，只不过在供水距离上存在了差别，但并不影响对建筑的消防供水能力。只是这种方式要求消防管网设计成环状，以达到供水的安全可靠。
1.1.3加压给水方式。目前常用的加压给水方式有气压罐给水和二次加压两种。气压罐给水方式是在考虑到高位水箱的高位摆放以及影响建筑美观与结构承重问题上提出的，这种密封可靠的消防给水方式很受用户的青睐。它的运行机理是：运用气压罐将水加压后，输送到消防给水管道内，以满足各个消防设备用水需求，当达到一定的压力时，多余的水会进入气压罐，此时，水泵以及自动控制系统进入准备状态，当消防管道内水压小于规定的水压值时，气压罐将自动启动，并向消防给水管网及时给水。但是气压罐的应用，需要与之配套的水泵和自动控制系统的参与，使得消防给水的成本大幅度增加。二次加压方式，是为了应对多层建筑的集群布置管理的形式，当单独的某个气压罐无法满足水压要求时，需要对气压罐内的水进行二次加压，以达到集中加压与稳压的目的，该给水方式的缺点是：投资成本比较大，且需要专门的技术人员做维护。
1.2高层建筑消防给水硬件设施的布置。
1.2.1水泵接合器水泵接合器的主要用途是当建筑物内部的消防给水管道水压低、供水不足或无法供水时，消防车可通过水泵结合器向室内管网供水，达到灭火的目的。《高层民用建筑设计防火规范》指出：消防水泵接合器的数量应按室内消防用水量经计算确定，每个水泵接合器的流量应按10～15L/s计算。在实际工作中，水泵接合器的数量既要按照室内消防用水量来进行计算，还要结合实际室外供水能力的状况，两者要兼顾，不可顾此失彼。对于一些灭火系统水泵接合器的数量可以分别设3～5个，这样既达到了节省资金，又保证了消防安全。
1.2.2消防水池消防水池是用来储存消防用水的构筑物，是天然水源或市政给水管网的一种重要补充手段。《高层民用建筑设计防火规范》规定：市政给水管道和进水管或天然水源不能满足消防用水量，市政给水管道为枝状或只有一条进水管（二类居住建筑除外），只要具备上述一种情况，就应该设置消防水池。《高规》第7.3.3条对消防水池的容积做了详细规定：当室外给水管网能保证室外消防用水量时，消防水池的有效容积应满足在火灾延续时间内室内消防用水量的要求；当室外给水管网不能保证室外消防用水量时，消防水池的有效容量应满足火灾延续时间内室内消防用水量和室外消防用水量不足部分之和的要求。消防水池的构建还要考虑工程造价及管理方面的要求，在保证城市环状供水稳定可靠的前提下，可以采取适当放大进水管尺寸的方式，保证在室外消防用水量充足的前提下，进水管可以补充消防水池需求的消防用水量，这样就可以适当缩小消防水池的容积，减少工程造价。
1.2.3消防水箱消防水箱是为了保证扑救高层建筑初期火灾时，满足火灾前10min的消防用水量的需要而设置的消防设备。自动喷水灭火系统设计规范》第10.3.1条规定：采用临时高压给水系统的自动喷水灭火系统，应设高位消防水箱，其储水量应符合现行有关国家标准的规定。消防水箱的供水，应满足系统最不利点处喷头的最低工作压力和喷水强度。在消防水箱的施工设计过程中应注意：消防用水与生活用水合用的水箱，在设计时应采取确保消防用水不作他用的技术措施，可采用将生活用水管的出水口设在消防用水管出水口的上部并使两个管口之间水箱的容积达到消防水箱容积的要求；安装消防水箱时，在消防管网的出水管上应安装止回阀，阻止消防水泵启动后消防用水进入消防水箱。 1.2.4消防水泵用来输送和提升消防用水的机器称为消防水泵。消防水泵应保证在火警后5分钟内开始工作，并在火场断电时仍能正常运转。消防水泵宜采用自灌式引水（当泵轴标高低于水源（或吸水井）的水位时，称为自灌式引水），在吸水管上应设阀门，以便于检修。一组消防水泵的吸水管不应少于两条，当其中一条损坏时，其余的吸水管仍能通过全部用水量。对于高压或临时高压消防给水系统，其每台消防泵（工作水泵和备用泵）应有独立的吸水管。为了不使吸水管内积聚空气，吸水管应有向水泵渐渐上升的坡度，一般大于或等于千分之五。消防水泵出水管与环状管网连接时，其出水管不应少于两条。当其中一条出水管检修时，其余的出水管应仍能供应全部用水量。消防水泵的出水管上应设置单向阀。同时为使水泵机件润滑，启动迅速，则在水泵的出水管上应设检查和试验用的放水阀门，试验用过的水，可放回消防水池。
2.高层建筑消防给水系统的加压、超压问题
2.1高层建筑给水系统加压常用方法：一次性加压、分区并联加压、分区串联加压。
（1）一次性加压：一般是在高层建筑的地下室的泵房内，对生活用水和消防用水进行集中加压，加压后的水沿着给水管道输送到相应的位置。但对于高层建筑楼层较低部位，需要加装减压阀设备。
（2）分区串联加压：当高层建筑物达到一定的高度时，一台水泵无法满足高层的水压的需求，如果采用增加水泵的方法加压，那么给水管道又无法承受如此高的压力，为此提出了水泵串联加压的方法，它的设计理念是：高层建筑的各分区分别设置调速泵或水泵与吸水箱或吸水池，然后按合理的顺序启动。但是水泵串联应用的设备比较多，且比较分散，致使工程给水工程的开支大大增加。
（3）分区并联加压：它的应用理念也是对给水系统进行分区管理，因为每个区域都有备用的水泵，使得该方法可靠性大大增加，同时水泵功耗利用率高，能量不会发生浪费，但是水泵并联加压存在着：设备的投资较大，且主干管道铺设增加，给水系统复杂的难题。
2.2消防给水系统超压超压是指消防给水系统管道内的水压超过其正常工作压力的限值，从而对管道、附件、器材和设备等造成损害，影响了给水系统的正常运行，不利于消防灭火。
2.2.1防超压措施。
2.2.1.1设置回流泄压装置。在消防水泵的出水管上设置一条去消防水池的支管，支管上设置泄压阀，当管网压力超过设定工作压力一定范围时，泄压阀自动打开回流泄压，以防管网超压。
2.2.1.2选用流量——扬程曲线平缓的消防水泵。在火灾发生后，消防用水量由小到大，变化幅度较大，如果选用流量——扬程曲线比较平缓的水泵，那么水泵的扬程变化也就比较小，管网的实际压力比较接近设计压力，可达到防超压的目的。
2.2.1.3采用可调式减压阀减压。可调式减压阀可以起到稳压的作用，只要给它设定一个阀后压力，那么不管阀前压力如何变化，都不影响阀后的工作压力。因此，可调式减压阀后面的消防管网就不会出现超压现象。
2.2.1.4采用全自动变频调速供水设备。它的主要特点是可以恒压变流量，即在恒定工作压力下，流量根据实际消防用水量发生动态变化，达到需求流量，不出现超压现象。
2.2.1.5增强给水系统管道的性能，提高其承压能力。使系统在运行过程中即使出现超压现象，也属于系统所能承受的压力允许范围之内，不会出现超压现象。
3.消防给水系统的可靠性研究
消防给水系统的可靠性是对消防安全系数的综合性评价，也是各个消防设备以及给水管道的功能正常发挥的评定标准。首先，它源自于对消防安全的全面认识，包括消防安全器材的使用，以及如何最快的应用现有的消防资源去减少火灾对建筑以及居民的伤害。其次，要明白消防给水系统的功能以及失效问题的解决方法，并通过建立合理的消防给水仿真模型，来探究消防给水系统的各个关联组件对系统的可靠度的影响情况。最后，要做好消防给水设施的安全检测与验收，如检验消防设施的设置是否合理，施工是否符合要求，最不利点的水压是否达到要求，室内消火栓的布置是否合理，必要时对消火栓的材料加以检验（如是否有防锈处理等）；检测消火栓箱内是否设置了直接启泵按钮；检测在消火栓按钮发出确认信息后，是否达到启动和报警的效果等。
4.小结
综上所述，高层建筑消防给水系统设计，应根据高层建筑的消防水压要求以及市政管网供水压力、管路布置等情况，合理选择消防给水系统形式。在高层建筑消防给水的超压和泄压问题上，要对给水系统进行科学布置，在管材及设备上进行合理选取，在达到要求的前提下减少额外投资。对于消防给水系统的可靠性研究，要知道不同的消防设备发挥功能状况可靠度是不同的，因此对待可靠性研究要在对消防给水系统全面认识的基础上，通过大量试验，去发现可靠度与各个消防组件之间的函数关系，以便达到高层建筑消防给水系统预期的消防安全能力以及安全效果。
参考文献
[1]杨琦；住宅生活消防共用给水系统中的问题[J].给水排水，2001，07.
[2]蔡勇，黄晓家；浅谈自动喷水灭火系统喷头的选择和应用[J].2003，29（10）：103～104.
[3]王彤等.室内消火栓给水管网的数学模型分析[J]；西北建筑工程学院学报（自然科学版）；2003，02.
[4]姜令军.建筑内部消火栓环状给水系统设计优化的研究[D]；西安建筑科技大学，2004.
[5]张明华等.高层建筑消火栓系统超压与减压[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2003，03.
[6]周国雅；西宁地区高层民用建筑的消防给水设计[J]；消防科学与技术；1987年02期.