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关于水幕系统设计中几个问题的分析

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2020年4月19日
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关于水幕系统设计中几个问题的分析

保定市民用建筑设计院   周涛  王重亮 
保定市燕赵建筑设计有限公司   赵文志
      提要  水幕系统持续喷水时间应根据不同场所、不同设置条件，区别对待，否则会造成建设投资增加或不能安全控制火灾。《高规》中防火卷帘的两侧设置闭式自动喷水灭火系统喷头间距应根据喷头不同流量系数和工作压力考虑。
     关键词  水幕  喷头  持续喷水时间  喷头间距
     一 水幕系统持续喷水时间
    水幕系统是民用建筑中消防系统设计的一部分，由于事关人身财产安全，倍受设计人员重视。我们知道水幕系统是由开式洒水喷头或水幕喷头、雨淋报警阀组或感温雨淋阀，以及水流报警装置等组成，用于挡烟阻火和冷却分隔的喷水系统。水幕系统有两种形式，一种是防护冷却水幕既利用水的冷却作用配合防火卷帘或防火幕等分隔物进行防火分隔。另一种是防火分隔水幕既利用密集喷洒形成的水墙或水帘阻火挡烟，起防火分隔作用。水幕系统的喷水强度设计参数在《自动喷水灭火系统设计规范》GB 50084- 5.0.10规定水幕系统的设计基本参数应符合表5.0.10的规定：
     表5.0.10 水幕系统的设计基本参数
水幕类型
喷水点高度（M）
喷水强度（l/s.m）
喷头工作压力（Mpa）
防火分隔水幕
<12
2
0.1
防护冷却水幕
<4
0.5
0.1
注：防护冷却水幕喷水点高度每增加1m，喷水强度应增加0.1L/s.m，但超过9m时喷水强度仍采用1.0L/s.m。

与《全国民用建筑工程设计技术措施》（给水排水）中的一致，但在持续喷水时间上是不同的。在《自动喷水灭火系统设计规范》5.0.11条规定“自动喷水灭火系统的持续喷水时间，应按火灾延续时间不小于1h确定”。一般情况下按1h计。《全国民用建筑工程设计技术措施》（给水排水）7.2.13条10款“水幕系统的设计基本参数应符合表7.2.13-5的规定：
表7.2.13-5  水幕系统的设计基本参数
水幕类型
喷水点高度（M）
喷 水 强 度（l/s.m）
喷头工作压力（Mpa）
持续喷水时间（h）
防火分隔水幕
<12
2
0.1

3

防护冷却水幕
<4
0.5
注：防护冷却水幕喷水点高度每增加1m，喷水强度应增加0.1L/s.m，但超过9m时喷水强度仍采用1.0L/s.m。
    在《全国民用建筑工程设计技术措施》（给水排水）中规定持续喷水时间3h。那么在我们的消防系统设计中水幕系统的持续喷水时间是按1h还是3h呢。这不但仅是喷水时间长短的问题，它涉及到消防水池储水量的增加，建设单位的投资的增加和人民生命财产安全。水幕系统设置场所在《建筑设计防火规范》GBJ16—87（ 修订版）第8.7.2条，《人民防空工程设计防火规范》GB 50098-98( 修订版) 第7.3.2条，《高层民用建筑设计防火规范》GB 50045—95( 修订版) 第5.4.4条 第7.6.5条，《剧场建筑设计规范》（JGJ57- ）第8.1.1条  第8.1.2条  第8.3.4条均有规定。上述有关条文的规定，能够概括讲1种用于剧场、会堂、礼堂建筑中的水幕系统，另1种用于防火分区间水幕。
    1 剧场、会堂、礼堂设计中的水幕系统
    《建筑设计防火规范》GBJ16—87（ 修订版）有这样的规定：
    第8.7.2条下列部位应设水幕设备：
    一、超过1500个座位的剧院和超过 个座位的会堂、礼堂的舞台口，     以及与舞台相连的侧台、后台的门窗洞口；
三、防火卷帘或防火幕的上部。
    《高层民用建筑设计防火规范》GB 50045—95( 修订版)有这样的规定：
    7.6.5  超过800个座位的剧院、礼堂的舞台口宜设防火幕或水幕分隔。
  《人民防空工程设计防火规范》GB 50098-98( 修订版)有这样的规定：
    7.3.2 第2款规定“观众厅与舞台之间台口宜设防火幕或水幕分隔；”
  《剧场建筑设计规范》（JGJ57- ）有这样的规定：
    8.1.1 甲等及乙等的大型、特大型剧场舞台台口应设防火幕。超过800个座位的特等甲等剧场及高层民用建筑中超过800个座位的剧场舞台台口宜设防火幕。
    8.1.2 舞台主台通向各处洞口均应设甲级防火门，或按本规范第8.3.4   （规范8.3.2有误）条规定设置水幕。
    8.3.4 剧场内水幕系统设置应符合下列规定：
    1 按本规范第8.1.1（规范8.2.1有误）条规定设置的防火幕上部，应设       防护冷却水幕系统；
    2 按本规范第8.1.1条规定应设置防火幕有困难的部位，超过1500个座位的剧场舞台台口及与舞台相连的侧台、后台的门窗洞口，应设防火分隔水幕；
    3 按本规范第8.1.1条规定宜设置防火幕有困难的部位，宜设防火分隔水幕。
    上述位置均为舞台与观众厅、后台间。本人认为剧场、会堂、礼堂中水幕系统持续喷水时间按1h能够满足消防要求，原因如下：
    （1） 防护冷却水幕和防火分隔水幕系统均非直接灭火而是阻断烟气和火势的蔓延或配合防火卷帘等防火分隔物进行防火分隔。
    （2）《建筑设计防火规范》7.2.2条 剧院等建筑的舞台与观众厅之间的墙，应采用耐火极限不低于3.5h的非燃烧体。舞台口上部与观众厅闷顶之间的隔墙，可采用耐火极限不低于1.5h的非燃烧体，隔墙上的门应采用乙级防火门。电影放映室(包括卷片室)应用耐火极限不低于1h的非燃烧体与其它部分隔开。观察孔和放映孔应设阻火闸门。《剧场建筑设计规范》8.1.3舞台与后台部分的隔墙及舞台下部台仓的周围墙体均应采用耐火极限不低于2.5h的不燃烧体。《建筑设计防火规范》第2.0.1条规定防火墙的耐火极限4h，《高层民用建筑设计防火规范》3.0.2规定防火墙的耐火极限3h。从上述条文的规定看，舞台与观众厅、后台间隔墙均非防火墙，也能够说舞台与观众厅、后台是一防火分区。也能够这样讲舞台与观众厅、后台间水幕系统不是用于替代用防火墙。
    （3）舞台与观众厅、后台间水幕系统用于当舞台出现火情时阻挡烟气和火势迅速蔓延，为观众厅、后台人员疏散提供时间。从疏散时间看，观众厅和后台相比，观众厅内的人员多，并对疏散路线不熟悉，因此观众厅内人员疏散时间最长。在《建筑设计防火规范》5.3.4条的条文说明中和《剧场建筑设计范》8.2疏散的条文说明中均要求控制一二耐火等级剧场建筑出观众厅的控制疏散时间是按2min考虑的，三耐火等级剧场建筑出观众厅的控制疏散时间是按1.5min考虑的。也能够说当舞台出现火情时，舞台与观众厅、后台间水幕系统为观众厅人员疏散提供足够时间后，就完成了使命。
    因此，剧场、会堂、礼堂建筑设计中水幕系统持续喷水时间是按1h能够满足消防要求。
    2 防火分区间的水幕系统
   《建筑设计防火规范》GBJ16—87（ 修订版）有这样的规定：
    第8.7.2条下列部位应设水幕设备
    二、应设防火墙等防火分隔物而无法设置的开口部位；
   《高层民用建筑设计防火规范》GB 50045—95( 修订版)有这样的规定：
    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。
   《人民防空工程设计防火规范》GB 50098-98( 修订版)有这样的规定：
    7.3.2 第3款“采用防火卷帘替代防火墙或防火门，当防火卷帘不符合防火墙耐火极限的判定条件时，应在防火卷帘的两侧设置闭式自动喷水灭火统，喷头间距应为2.00m，喷头与卷帘的距离应为0.5m；有条件时，也可设置水幕保护。”
上述位置均为防火分区间的水幕系统, 既防护冷却水幕配合防火卷帘或防火幕等分隔物或防火分隔水幕系统替代防火墙，起防火分隔作用。本人认为此处水幕系统持续喷水时间应按防火墙耐火极限来满足消防要求，同时考虑防火墙两侧防火分区内的消防设施的完善程度。对于高层民用建筑，《高层民用建筑设计防火规范》3.0.2规定防火墙的耐火极限3h，高层民用建筑防火分区间的水幕系统持续喷水时间是按3h时合理的。《建筑设计防火规范》规定的防火分区间的水幕系统，当防火墙两侧防火分区内或一侧防火分区内设有自动喷水灭火系统时，由于喷淋灭火系统灭控火的成功率高达95%以上，尽管《建筑设计防火规范》第2.0.1条规定防火墙的耐火极限4h，此时防火分区间的水幕系统持续喷水时间按3h时合理的；当防火墙两侧防火分区内均未设有自动喷水灭火系统时，因防火墙的耐火极限4h，此时防火分区间的水幕系统持续喷水时间按4h时方能够满足消防要求。
    结论：经过上述分析，水幕系统持续喷水时间是应根据不同场所不同设置条件，区别对待，不能笼统规定。
    二《高层民用建筑设计防火规范》的独立的闭式自动喷水系统
   《高层民用建筑设计防火规范》5.4.4条规定“在设置防火墙确有困难的场所，可采用防火卷帘作防火分区分隔。当采用包括背火面温升作耐火极限判定条件的防火卷帘时，其耐火极限不低于3.00h；当采用不包括背火面温升作耐火极限判定条件的防火卷帘时，其卷帘两侧应设独立的闭式自动喷水系统保护，系统喷水延续时间不应小于3.00h”。并在条文说明中讲道“在卷帘两侧设独立的闭式自动喷水系统保护，喷水延续时间不低于3.00h，喷头的喷水强度不应小于0.5L/s。m，喷头间距应为2.00m至2.50 m，喷头距卷帘的距离宜为0.5m”。
在《自动喷水灭火系统设计规范》5.0.10条条文说明中讲道“喷水高度为4m，喷水强度为0.5L/s。m的规定，折算成对卷帘面积的平均喷水强度为7.5L/min.m2,能够形成水膜并有效保护钢结构不受火灾损害。”
    我们知道，喷头的喷水强度与喷头的工作压力和流量系数K有关。 根据规范，喷头的流量公式为
       q=k√10P
       式中 q: 喷头流量，L/min
       K: 流量系数
       P: 喷头的工作压力，Mpa.
   在工作压力0.1Mpa，对于小口径喷头（K=57）喷水量为0.95L/s，由于喷头的喷射是向四周均匀喷洒，取其50%喷向卷帘，则每支小口径喷头喷喷向卷帘水量为0.48L/s，为实现保护卷帘形成水膜喷水强度为0.5L/s.m，喷头间距应为0.95m 对于标准喷头（K=80）喷水量为1.33L/s，取其50%喷向卷帘，则每支标准喷头喷喷向卷帘水量为0.67L/s，为实现保护卷帘形成水膜喷水强度为0.5L/s.m，喷头间距应为1.35m。对于大口径喷头（K=115）喷水量为1.92L/s，取其50%喷向卷帘，则每支大口径喷头喷头喷喷向卷帘水量为0.96L/s，为实现水膜喷水强度为0.5L/s.m，喷头间距应为2.00m。在工作压力0.2Mpa，对于小口径喷头（K=57）喷水量为1.34L/s，小口径喷头间距应为1.34m。对于标准喷头（K=80）喷水量为1.88L/s，喷头间距应为1.88m，对于大口径喷头（K=115）喷水量为1.92L/s，喷头间距应为2.71m。现根据《自动喷水灭火系统设计规范》表5.0.10规定的防护冷却水幕系统的设计基本参数，将喷头在不同的工作压力和流量系数时的喷头间距编制表1。
    经过上述分析论述得出结论：为了对防火卷帘形成水膜保护，应根据喷头不同流量系数和工作压力采用不同的喷头间距。
    三《人民防空工程设计防火规范》中防火卷帘两侧的闭式自动喷水系统
   《人民防空工程设计防火规范》GB 50098-98( 修订版)有这样的规定：
    7.3.2 第3款“采用防火卷帘替代防火墙或防火门，当防火卷帘不符合防火墙耐火极限的判定条件时，应在防火卷帘的两侧设置闭式自动喷水灭火系统，喷头间距应为2.00m，喷头与卷帘的距离应为0.5m；有条件时，也可设置水幕保护。”
   《人民防空工程设计防火规范》7.3.2条条文说明解释如下：“参照《高层民用建筑设计防火规范》5.4.4条规定，作了在防火卷帘的两侧设置闭式自动喷水加密喷头保护的规定加密喷头可与室内其它闭式自动喷水灭火系统连接，水量可不计。”
根据上文分析，我们能够这样认为：
    (1)       为保护防火卷帘防护冷却水幕系统持续喷水时间应按防火墙耐火极限来满足消防要求，即3h或4h。 室内自动喷水系统的喷水延续时间为1h。因此，防火卷帘的两侧设置闭式自动喷水系统是不能与室内其它闭式自动喷水灭火系统连接。
    (2)   为了对防火卷帘形成水膜保护，应根据喷头不同流量系数和工作压力采用不同的喷头间距。而不能简单的规定喷头间距，否则就不能对防火卷帘形成有效的保护。
    结论：《人民防空工程设计防火规范》7.3.2条部分规定和条文说明有误，应与修订。

表1

喷水强度（l/s.m）
喷头工作压力（Mpa）
喷头类型
喷水量（l/s.m）
喷头间距(m)

     0．5

       0．1
小口径K=57
0.95
0.95
标准口径K=80
1.33
1.33
大口径K=115
1.92
1.92

       0.2
小口径K=57
1.34
1.34
标准口径K=80
1.88
1.88
大口径K=115
2.71
2.71

     0．6

       0．1
小口径K=57
0.95
0.79
标准口径K=80
1.33
1.10
大口径K=115
1.92
1.60

       0.2
小口径K=57
1.34
1.11
标准口径K=80
1.88
1.57
大口径K=115
2.71
2.26

     0．7

       0．1
小口径K=57
0.95
0.68
标准口径K=80
1.33
1.95
大口径K=115
1.92
1.37

       0.2
小口径K=57
1.34
1.28
标准口径K=80
1.88
1.34
大口径K=115
2.71
1.94

     0．8

       0．1
小口径K=57
0.95
0.59
标准口径K=80
1.33
0.83
大口径K=115
1.92
1.20

       0.2
小口径K=57
1.34
0.84
标准口径K=80
1.88
1.18
大口径K=115
2.71
1.69

     0．9

       0．1
小口径K=57
0.95
0.53
标准口径K=80
1.33
0.74
大口径K=115
1.92
1.07

       0.2
小口径K=57
1.34
0.74
标准口径K=80
1.88
1.03
大口径K=115
2.71
1.50

     1.0

       0．1
小口径K=57
0.95
0.47
标准口径K=80
1.33
0.66
大口径K=115
1.92
0.96

       0.2
小口径K=57
1.34
0.67
标准口径K=80
1.88
0.93
大口径K=115
2.71
1.36