某办公楼消火栓统系设计

第 1页 摘 要 本次课程根据国家的相关法规、、以及建筑的实际情况。首先对建筑的防 火分区进行了划分。又根据《高层民用建筑防火规范》（GB50045--2005）的有关，对 辽宁某办公楼进行了室内消火栓计算与设计。根据消火栓系统的设计程序，通过对消火栓及 水利管网的计算选定符合的消火栓、水带、水枪、消防水泵、水泵接合器、消防水枪及 消防水池等。并对消防给水管网进行布置。通过结合低投入高输出、提供最大安全保护的设 计理念进行设计，最终达到设计要求。 关键词：防火分区；水头损失；扬程；水泵 建筑消防给水系统对于确保建筑物的消防安全，防止和减少火灾危害，保护人身和财产 安全起着十分重要的作用。大量火灾统计资料表明，由于火场缺乏消防用水造成火灾扑救失 利的次数，占火灾扑救总次数的 81.5%。因此，为给建筑物营造良好的消防安全环境，建筑 工程建设质量管理工作中各责任主体必须按照国家消防法律法规的规定，设计好、施工好、 使用好建筑消防给水系统。 室内消火栓给水系统是建筑物应用最广泛的一种消防设施。其既可供火灾现场人员使用 消火栓箱内的消防水喉、水枪扑救建筑物的初期火灾，有可供消防队员扑救建筑物的大火。 就现阶段而言，消火栓仍然具有着不可替代的作用。首先，水作为一种廉价、高效的灭 火剂被人们一直沿用到今天，而且，依旧发挥着自身重要的作用。其次，消火栓可以提供火 灾全周期的灭火条件，而不像灭火器一样，若是火灾初期不能有效的控制，火灾很快便会蔓 延开来。最后，消火栓不仅仅作为一种灭火工具，它在灭火战斗中，也担负着保护消防队员， 开辟疏散通道的作用。 因此，我们应该合理的设计消火栓系统，是火灾对人的伤害减小到最低。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 第 2页 1．工程概况 1.1建筑概况 辽宁某办公楼是一座楼长 36.3m，宽 12.9m，占地面积 468.27m2的公共办公楼，办公楼 搞 27m，共九层，设有两个消防楼梯间和一个电梯，其余房间为办公室、会议室、接待室等。 根据《高层民用建筑防火规范》（GB50045--2005）[1]的有关规定，将该建筑划为二类民用公 共类建筑。 1.2自然条件 辽宁省地处欧亚大陆东岸、中纬度地区，属于温带大陆性季风气候区。境内雨热同季， 日照丰富，积温较高，冬长夏暖，春秋季短，四季分明。雨量不均，东湿西干。全省阳光辐 射年总量在 100-200卡/平方厘米之间，年日照时数 2100-2600小时。春季大部地区日照不足； 夏季前期不足，后期偏多；秋季大部地区偏多；冬季光照明显不足。全年平均气温在 7-11 ℃之间，最高气温零上 30℃，极端最高可达 40℃以上，最低气温零下 30℃。受季风气候影 响，各地差异较大，自西南向东北，自平原向山区递减。年平均无霜期 130-- 200天，一般 无霜期均在 150 天以上，由西北向东南逐渐增多。辽宁省是东北地区降水量最多的省份， 年降水量在 600-1100毫米之间。东部山地丘陵区年降水量在 1100毫米以上；西部山地丘陵 区与内蒙古 高原相连，年降水量在 400毫米左右，是全省降水最少的地区；中部平原降水 量比较适中，年平均在 600毫米左右。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 第 3页 2．防火分区的划分 根据《高层民用建筑防火规范》（GB50045--2005）[1]第 3.0.1条可知本建筑为二类建筑。 高层建筑内应采用防火墙等划分防火分区，每个防火分区允许最大建筑面积，不应超过 表 2.1的规定。 表 2.1 每个防火分区允许的最大建筑面积 建筑类别 每个防火分区建筑面积（m2） 一类建筑 1000 二类建筑 1500 地下室 500 根据表 2.1规定，以及《高规》[1]第 5.1.3条的规定：“5.1.4 高层建筑内设有上下层相连 通的走廊、敞开楼梯、自动扶梯、传送带等开口部位时，应按上下连通层作为一个防火分区， 其允许最大建筑面积之和不应超过本规范第 5.1.1条的规定。当上下开口部位设有耐火极限 大于 3.00h 的防火卷帘或水幕等分隔设施时，其面积可不叠加计算。”因此，可做如表 2.2 的划分。 表 2.2 防火分区划分 防火分区编号 位置 防火分区面积 A（ 2m ） 1 电梯及电梯前室 320.8 2 消防楼梯间 1 160.4 3 消防楼梯间 2 160.4 4 一层 397.0 5 二层 397.0 续表 2.2 6 三层 397.0 7 四层 397.0 8 五层 397.0 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 第 4页 9 六层 397.0 10 七层 397.0 11 八层 397.0 12 九层 397.0 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 第 5页 3．消火栓安装计算 3.1 室内消火栓给水方式 当高层建筑最低消火栓设备处的静水压力不超过 0.8MPa或建筑高度不超过 50m时，可 采用不分区给水方式。 所以本设计采用临时高压不分区给水方式。 3.2消火栓、水带、水枪的型号 根据《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045--2005）7.4.6.6 规定：“ 消火栓应 采用同一型号规格。消火栓的栓口直径应为 65mm，水带长度不应超过 25m，水枪喷嘴口径 不应小于 19mm。” 通常，喷嘴口径 19mm的水枪与 65mm的水带配套。室内消火栓目前多配套直径为 65mm 或 50mm的胶里水带，因此本设计选用消火栓选用 65mm口径消火栓、19mm喷嘴水枪、直 径 65mm长度 20m胶里水带。 3.3水枪充实水柱、水枪设计流量计算和设计喷嘴压力 3.3.1 水枪充实水柱计算 为有效扑灭建筑物火灾，要求水枪射流时的充实水柱应能到达建筑物每层 的任何高度。 因此，水枪的充实水柱应按层高计算确定。通常水枪射流上倾角不宜超过 45°，在最不利 情况下也不能超过 60°。 按上倾角 45°考虑，则 1 2 k H HS sin 45 - = ° (3.1) 式中：Sk为水枪充实水柱，m； H1为建筑物层高，m； H2为水枪喷嘴离地面高度，m，一般取 1m。 本建筑层高为 3m，因此充实水柱为 k 3 1S 2.83m sin 45 - = = ° 根据《高规》[1]第 7.4.6.2条规定：“消火栓的水枪充实水柱应通过水力计算确定，且建 筑高度不超过 100m 的高层建筑不应小于 10m；建筑高度超过 100m 的高层建筑不应小于 13m。” 因此，Sk=10m。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 第 6页 3.3.2 水枪压力和流量计算 水枪压力计算公式为 q kH α S= ´ (3.2) 式中：α为系数，与喷嘴直径和压力有关，见表 3.1； Sk为水枪充实水柱，m。 查表可得α为 0.0135，因此 q kH α S 0.0135 10 0.135MPa= ´ = ´ = 水枪流量计算公式为 qQ βH= (3.3) 式中：β为系数，与喷嘴直径有关，见表 3.2； Q为水枪流量，L/s。 查表得=157.7，因此水枪流量 Q 157.7 0.135 4.6m= ´ = 根据《高规》[1]第 7.2.2条规定，室内消火栓最小用水量为 20 L/s,每根竖管最小流量 10 L/s，每支水枪最小流量 5 L/s。 因此，Q=5L。将 Q带入(3.2)、(3.3)得水枪压力 Hq为 0.16MPa，充实水柱高度 Sk为 12m。 表 3.1 系数 系数 充实水柱/m 水枪喷嘴口 径 13mm 水枪喷嘴口 径 16mm 水枪喷嘴口 径 19mm 水枪喷嘴口 径 22mm 7 0.0133 0.0132 0.0128 0.0122 10 0.0150 0.0140 0.0135 0.0115 13 0.0185 0.0169 0.0158 0.0138 表 3.2 系数 喷嘴口径 /mm 13 16 19 22 3.46 7.93 157.7 283.6 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 第 7页 3.4消火栓的保护半径和布置间距 根据《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045--2005）[1]7.4.6.3 规定：“消火栓的间距 应由计算确定，且高层建筑不应大于 30m，裙房不应大于 50m。” 消火栓保护半径可按下式计算 d kR fL L= + (3.4) 式中： dL 为一条水带的实际长度，20m； kL 为水枪充实水柱在平面上的投影长度； f 为水带铺设系数，一般 f =80%—90%，取 f =85%。 水枪充实水柱在平面上的投影长度可按下式计算： cosk kL S a= (3.5) 式中：a 为水枪射流上倾角，由层高、充实水柱确定，一般不超过 45°，取a =45° 则有已知可计算出保护半径： mLfLR kd 48.2545cos122085.0 =´+´=+= o 根据《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045--2005）[1]第 7.4.2条：“消防竖管的布置， 应保证同层相邻两个消火栓的水枪的充实水柱同时达到被保护范围内的任何部位。” 消火栓单排双水柱的布置间距计算公式为 2 2 f fS R b= - (3.6) 式中：Rf为消火栓保护半径，m； bf为消火栓最大保护宽度，m。 有图纸可看出 bf=7.5m，因此最大布置间距为 2 225.48 7.5 =24.35mS = - 图纸设计符合规范要求，详细设计见图纸。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 第 8页 4．管路水力计算 4.1 选择最不利点消火栓和确定最不利计算管路 建筑中，最不利消火栓选在九层的最右侧。见图 4.1。 图 4.1 最不利管路 在计算时，将管路分为三段，分别是 1-2段、2-3段、3-4段。 4.2 计算最不利点消火栓栓口处所需的水压 水流通过水带的损失为 2 d fH Sq= (4.1) 式中：S为每条水带（长 20m）的阻抗系数，其值见表 4.1； fq 为水带所通过的实际流量（即水枪的设计流量），L/s。 表 4.1 每条水带的阻抗系数 水带 S值 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 第 9页 水带直径 50mm 水带直径 65mm 水带直径 75mm 水带直径 90mm 麻质水带 0.0030 0.00086 0．00030 0.00016 胶里水带 0.0015 0.00035 0.00015 0.00008 查表 4.1可知，S=0.00035 ，水枪的设计流量为 5L/s 。将其带入式(4.1)得 20.00035 5 0.00875MPadH = ´ = 消火栓栓口压力计算公式为 xh qs dH H H= + (4.2) 式中： qsH 为水枪喷嘴处的设计水压，MPa； dH 为每条水带的水头损失，MPa。 带入数值可得最不利点的消火栓栓口压力为 0.16 0.00875 0.16875xhH = + = 根据《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045--2005）[1]第 7.4.7.2条：“高位消防水箱 的设置高度应保证最不利点消火栓静水压力。当建筑高度不超过 100m时，高层建筑最不利 点消火栓静水压力不应低于 0.07MPa；当建筑高度超过 100m时，高层建筑最不利点消火栓 静水压力不应低于 0.15MPa。当高位消防水箱不能满足上述静压要求时，应设增压设施。” 满足上述要求，不设增压设施。 4.3 确定消防给水管网的管径 管径大小的计算公式为： 4Qd pn = (4.3) 式中:Q为管段流量, sL ； n 为流速, sm ,小于 2.5 sm ； d 为管段直径,mm。 根据《建筑消防给水系统》[1]的设计规定，不超过 50m的办公楼消火栓用水量为 20L/s， 同时使用水枪数为 4支，每只水枪的最小流量为 5L/s，每根竖管最小流量为 10L/s。 竖管的管径 34 10 10 1000 71.36mm 2.5 π d -´ ´ ´ = ´ ＞ ； PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 第 10页 水平横管的管径 34 20 10 1000 100.9mm 2.5 π d -´ ´ ´ = ´ ＞ 。 根据《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045--2005）[1]第 7.4.2条规定：“消防竖管的 布置，应保证同层相邻两个消火栓的水枪的充实水柱同时达到被保护范围内的任何部位。每 根消防竖管的直径应按通过的流量经计算确定，但不应小于 100mm。” 所以，竖管应采用 DN100钢管；水平横管应采用 DN150钢管。 4.4 计算最不利管路的水头损失 水利坡度计算公式 2 5.30.00001736 Qi d = (4.4) 式中：i为水利坡度，MPa/m； Q为管道流量，m3/s； d为计算内径，m，取值应按管道的内径减 1mm确定。 管道沿程水头损失及局部水头损失计算公式为 fh i L= ´å (4.5) j dh i L= ´å (4.6) 式中：L为计算管段长度，m； Ld为管件和阀门局部水头损失当量长度，m，当量长度见表 4.2。 由前面可知，1-2 管段的流量为 5L/s，消火栓山口压力 Hxh1=0.16875MPa，因此 1-2 管 段的水利坡度 3 2 -4 5.3 5 100.00001736 2.90 10 MPa/m 0.099 i -´ = = （ ） 。 管 道 沿 程 损 失 ( )4 31 2.9 10 3 1.3 1.247 10 MPafh - -= ´ ´ + = ´ ； 局 部 损 失 ( )4 31 2.9 10 6.1 3.1 2.668 10 MPajh - -= ´ ´ + = ´ 。 次不利点的栓口压力为 2 1xh xhH H H h= + D + å (4.7) 因此 ( ) 32 0.16875 3 /100 1.247 3.538 10 0.203535 MPaxhH -= + + + ´ = 。根据公式 4.2 可推算出 Q2=5.5L/s。因此 2-4段的流量为 10.5L/s。 表 4.2 不同管径的管件局部水头损失当量长度 管件直径（mm） 管件 名称 25 32 40 50 70 80 100 125 150 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 第 11页 45º弯 头 0.3 0.3 0.6 0.6 0.9 0.9 1.2 1.5 2.1 90º弯 头 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 3.1 3.7 4.3 三通或 四通 1.5 1.8 2.4 3.1 3.7 4.6 6.1 7.6 9.2 蝶阀 1.8 2.1 3.1 3.7 2.7 3.1 闸阀 0.3 0.3 0.3 0.6 0.6 0.9 止回阀 1.5 2.1 2.7 3.4 4.3 4.9 6.7 8.3 9.8 32 25 40 32 50 40 65 50 80 65 100 80 125 100 150 125 200 150 异径接 头 0.2 0.3 0.3 0.5 0.6 0.8 1.1 1.3 1.6 注：1.过滤器当量长度的取值，由生产厂提供； 2.当异径接头的出口直径不变而入口直径提高 1级时，其当量长度应增大 0.5倍；提高 2级或 2级以上时当量长度应增加 1.0倍。 由图 4.1可得出各个管段所需要计算得当量长度，具体数值间表 4.3。 表 4.3最不利管路局部损失当量长度 管段 管段包含管件 管段当量长度（m） 1~2 DN100的 90度弯头一个 DN100的三通一个 9.2 2~3 DN100闸阀一个 0.6 3~4 DN150止回阀一个， DN150闸阀两个 DN150三通两个 30 由公式 4.4、4.5、4.6可计算出管道各个部分的局部水头损失和沿程水头损失，见表 4.4。 表 4.4 水头损失计算 计算管段 管 段 流 量 （ /L s） 管长 （m） 管径 DN(mm) i(MPa/ m) 局部水 头损失 （MPa） 沿程水 头损失 （MPa） 1～2 5 4.3 100 2.90×10-4 2.668×10-3 1.247×10-3 2～3 10．5 25 100 1.28×10-3 7.68×10-4 1.344×10-2 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 第 12页 3～4 21 22.1 150 5.12×10-3 0.1239 0.1131 总计 —— —— —— —— 0.1282 0.1278 所以最不利点水头总损失为 0.1282 0.1278 0.256MPaf jh h h= + = + =å å 。 4.5 减压装置的设置 一层消火栓的出口压力为 1 xhH H H h= + D + å (4.8) 式中： xhH 为最不利消火栓的出口压力，MPa； HD 为静水压差，MPa； hå 为水头损失，MPa。 最不利点出口压力 xhH 为 0.16875MPa，两个消火栓的高度差为 24m，两个消火栓间的 水头损失为 2.668×10-3+7.68×10-4+1.247×10-3+1.344×10-2=1.81×10-2MPa。 将数值带入 4.8得 H1=0.16875+24/100+0.0181=0.21085MPa。 根据《高规》[1] 第 7.4.6.5条规定：“消火栓栓口的静水压力不应大于 1.00MPa，当大于 1.00MPa时，应采取分区给水系统。消火栓栓口的出水压力大于 0.50MPa时，应采取减压措 施。”因为 H1小于 0.50MPa，所以不用设置减压设施。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 第 13页 5. 消防水泵及水泵接合器的选择 5.1 消防水泵的选择 消防水泵的扬程应按最不利点所需要的水压进行计算，计算公式为： c wH H H HD= + + (5.1) 式中：为最不利配水点与水池最低水位的静水压，m； 为最不利点灭火设备所需水压，mH2O； 为最不利管路的水头损失，mH2O。 最不利点处消火栓到消防水池最低水位静水压差为=25+5=30m；最不利点灭火设备所需 的水压为=16.875 mH2O；最不利管路的水头损失为=25.6 mH2O。所以，其扬程为 H=30+16.875+25.6=72.475 mH2O=0.72475MPa，流量为 Q=21L/s=75.6m3/h。可选用 6Sh—6 型离心泵，其规格见图 5.1。 图 5.1 离心泵规格表 5.2 水泵接合器的选择 每个水泵接合器的设计流量，一般按 10 ~15L/s计。当室内消防流量小于等于 20L/s时， 水泵接合器设计流量为 10L/s；当室内消防流量大于 20L/s时，水泵接合器设计流量为 15L/s。 水泵接合器的数量为 /N Q q= (5.2) 因此，应设置水泵接合器的数量为 N=21/15=1.4≈2。选用水泵接合器的型号为 SQB150。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 第 14页 6. 消防水箱及消防水池的设置 6.1 消防水箱的设置 根据《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045--2005）[1]第 7.4.7 条规定：“采用高压 给水系统时，可不设高位消防水箱。当采用临时高压给水系统时，应设高位消防水箱，并应 符 合 下 列 规 定 ： 7.4.7.1 高位消防水箱的消防储水量，一类公共建筑不应小于 18m3；二类公共建筑和一类居 住建筑不应小于 12m3；二类居住建筑不应小于 6.00m3。” 本建筑采用临时高压给水系统，所以应设置高位消防水箱。 水箱的有效容积计算公式为： 0.06f f xV Q T= (6.1) 式中： fV 为消防水箱有效容积， 3m ； fQ 为室内消防用水量，L s； xT 水箱保证供水时间，min ，一般取 10minxT = 。 消防水箱的有效容积为 Vf=0.06×21×10=12.6m3，符合以上规定。详细设计见系统图。 6.2 消防水池的设置 消防水池有效容积的计算公式为： 3.6 n i i i V q t= ´å (4.2) 式中：V 为消防水池有效容积， 3m ； iq 为所负担的某类灭火系统用水量， sL ； it 火灾延续时间，h。 根据《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045--2005）[1]第 7.3.3条规定：“当室外给水 管网能保证室外消防用水量时，消防水池的有效容量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。消防水池的补水时间不宜 超过 48h。商业楼、展览楼、综合楼、一类建筑的财贸金融楼、图书馆、书库，重要的档案 楼、科研楼和高级旅馆的火灾延续时间应按 3.00h计算，其它高层建筑可按 2.00h计算。自 动喷水灭火系统可按火灾延续时间 1.00h计算。消防水池的总容量超过 500m3时，应分成两 个能独立使用的消防水池。” 因此火灾延续时间取 2h，消防水池的有效容积为 V=3.6×21×2=151.2m3。本建筑消防 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 第 15页 水池的容积为 153m3。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com