博物館的消防設計及啟示

1、闡述了博物館建筑防火安全的特殊性。分別對該工程的消火栓系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)、水噴霧滅火系統(tǒng)、智能消防水炮系統(tǒng)、氣體消防系統(tǒng)進行了介紹。并就其中的一些技術問題進行了探討。 關鍵詞： 博物館 防火安全 消防水炮 水噴霧滅火 1 工程概況 博物館規(guī)劃建設用地面積24133.7，總建筑面積63390。建筑高度(檐口)36.4m，地上5層，地下2層，地下3層為22m層高的設備夾層。工程性質為大型綜合性博物館建筑。其中地上各層和地下1層南區(qū)為展陳、社教、科研、辦公、保安、綜合服務等功能區(qū)，由三大部分組成：橢圓斜展廳、矩形基本展廳、行政辦公區(qū)(見圖) 1)地下1，2層北區(qū)為地下車庫，地下2層南區(qū)為藏品庫、

2、設備機房、人防等。 博物館是一座全面反映中國悠久歷史、燦爛文化、革命傳統(tǒng)和現(xiàn)代化建設成就，展示國際大都市風貌的博物館。館內展示和珍藏著代表中華民族五千年歷史的重要文物。消防系統(tǒng)的設計不但要重在防，而且要重在滅。除設有普通的消火栓系統(tǒng)和自動噴水滅火系統(tǒng)外，還設有水噴霧滅火系統(tǒng)、智能消防水炮系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)等特殊的消防措施。 2 消防總水量的確定 消防水池容積按所有水消防系統(tǒng)同時作用來計算，顯然是不經濟也是不可能的，消火栓系統(tǒng)和自動噴水滅火系統(tǒng)是全方位保護，任何一處著火，兩個系統(tǒng)都要發(fā)揮作用。水噴霧系統(tǒng)為鍋爐房服務，水炮系統(tǒng)為禮儀大廳服務，兩系統(tǒng)都是局部保護。很明顯，水噴霧系統(tǒng)和水炮系統(tǒng)不可能同

3、時作用，但兩系統(tǒng)是否會與自動噴水滅火系統(tǒng)同時作用呢?筆者認為，可從兩方面來考慮：一是從一處著火考慮。鍋爐房是一個獨立的防火分區(qū)，內部只是水噴霧系統(tǒng)。一旦著火，除水噴霧系統(tǒng)作用外，鍋爐房以外的消火栓系統(tǒng)協(xié)助滅火。這種情況，水噴霧系統(tǒng)不與自動噴水滅火系統(tǒng)和水炮系統(tǒng)同時作用。二是從安全角度出發(fā)。鍋爐房著火，不排除波及鄰近區(qū)域的可能性，鄰近區(qū)域的自動噴水滅火系統(tǒng)將作用。所以，可以認為水噴霧系統(tǒng)與自動噴水滅火系統(tǒng)和消火栓系統(tǒng)同時作用。兩種可能性都是存在的。禮儀大廳也同此考慮。針對博物館的重要性，消防水量的確定還是要保守一些。所以，有兩種同時作用的系統(tǒng)組合，一種組合是水噴霧系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)、消火栓系

4、統(tǒng)；另一種組合是水炮系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)、消火栓系統(tǒng)。消防水量按上述兩種組合的較大值確定為650m3，計算見表1。 3 消火栓系統(tǒng) 室內消火栓水量30Ls，延續(xù)時間3h。系統(tǒng)為穩(wěn)高壓制，豎向不分區(qū)。系統(tǒng)示意見圖2。館內防火分區(qū)的分隔，多處設置了防火卷簾，防火卷簾的種類與水消防系統(tǒng)密切相關。根據(jù)“高規(guī)”第544條的條文說明，如采用無機復合特級防火卷簾，則不需水冷卻。但此種防火卷簾軌道較寬，建筑空間美觀受到影響，為此建筑要求采用汽霧式特級防火卷簾 (“高規(guī)”條文說明第544條將此種卷簾納入了特級防火卷簾之列)。其作用機理是：當火災發(fā)生時，感溫閥開啟，簾節(jié)內充水，水滿外溢形成“水簾”，火場高溫致使

5、部分水汽化，在水汽雙重作用下，把簾面的溫升始終限制在一個極低的水平，進而有效阻斷火災蔓延。既然是特級防火卷簾，就意味著不設置獨立的噴水滅火系統(tǒng)。所以，汽霧式特級防火卷簾所需要的3 h冷卻水從附近的消火栓管道接至卷簾，由68感溫閥控制水路開啟。消防水池的容積和消火栓加壓泵均考慮了這部分水量。由于水量很小，不但對消火栓系統(tǒng)影響不大，而且簡化了系統(tǒng)。 4 自動噴水滅火系統(tǒng) 41 設計流量的確定(表2) <自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范>(簡稱“自規(guī)”)第913條要求設計流量按作用面積內的噴頭實際流量之和計算，噴頭布置疏密影響設計流量的大小，這與噴水強度與作用面積的乘積是有出入的。精確計算應經水

6、力計算算出每個噴頭的流量。而往往在噴頭布置之前就要確定設計流量，我們就按噴水強度乘作用面積，再乘一個13的安全系數(shù)確定設計流量，本工程自動噴水滅火系統(tǒng)設計流量按表1各部位的最大值確定為28 Ls。施工圖完成后，經水力計算復核每個噴頭流量，與設計流量基本吻合。 42 系統(tǒng)的選擇 系統(tǒng)為穩(wěn)高壓制，豎向不分區(qū)，見圖3。展廳和汽車庫為預作用系統(tǒng)，其它部位為濕式系統(tǒng)。預作用系統(tǒng)平時管內充有低壓氣體，煙、溫感探頭感應到火災信號(此時還沒有達到噴頭的感應溫度)后，打開預作用閥，系統(tǒng)排氣充水并啟動加壓泵。在噴頭動作之前，如發(fā)現(xiàn)是誤報警，手動停泵。這樣，有效地防止了系統(tǒng)誤噴所造成的損失。所以，預作用系統(tǒng)適用于能

7、用水消防并絕對防止誤噴的場所及有冰凍危險的場所，用來代替干式系統(tǒng)。展廳是博物館的重要區(qū)域。展出的展品雖不一定遇水就會完全損壞，如青銅器、古代兵器等，但這些歷代保存下來的精品都是經多工序修復而成的。如果浸水，或多或少對文物都是不利的。而展廳又是人流密集的地方，為防止產生誤噴，所以除精品展廳以外的所有展廳都采甩了預作用系統(tǒng)。車庫內沒有采暖系統(tǒng)，為滿足防凍要求，可為干式系統(tǒng)或預作用系統(tǒng)。但為了使系統(tǒng)具有一致性，車庫內也采用預作用系統(tǒng)。只是兩者的目的不一樣，前者是防止誤噴，在電氣控制上設置了煙、溫感雙路探測器；后者是防凍，只設置了單路火災探測器控制系統(tǒng)的啟動，從而節(jié)省了一半的探測器。 43 預作用系統(tǒng)

8、的幾點探討431 充水時間的控制“自規(guī)”第809條"充水時間不宜大于2min"。這個時間如何控制呢?目前沒有精確的計算方法，設計者往往也不太重視，審圖者也無從考證。筆者認為，只能從控制管道容積入手。一套預作用報警閥所帶的噴頭數(shù)是一個因素，最重要的是管道容積不能太大。預作用系統(tǒng)的充水過程首先是靠屋頂消防水箱重力向管道充水，再反映到報警閥的壓力開關報警，啟動加壓泵向系統(tǒng)充水。從電磁閥打開充水，到加壓泵啟動，這個過程是非常短暫的，可以認為充水過程是由加壓泵來完成的。加壓泵在設計工況下運行，流量30Ls，2 min內的水容積為3 600 L (假定管內氣體全部排盡，其實是不可能的，

9、這個問題在4，32中探討)。所以，一套預作用報警閥后的管道容積小于3 600l，才能保證充水時間小于2rain。當然，要逐段計算管道容積比較繁瑣，一種較為簡捷的方法供大家參考：支管均按平均管徑DN40計，干管按DNl00計，量出支管總長和干管總長，即可算出管道容積，表3是預作用系統(tǒng)在不同噴水強度下要保證充水時間所要求的最大管道容積。4.32 排氣閥的設置“自規(guī)”中只要求預作用系統(tǒng)應設排氣閥，但設在何處、設幾個都沒有規(guī)定，致使設計中排氣閥的設置五花八門。下面以圖4為例分析一下預作用系統(tǒng)只設置一個排氣閥的充水過程。 探測器感應到火情，同時打開預作用閥上電磁閥和排氣閥前的電磁閥，充水和排氣是同時進行

10、的。如著火區(qū)沒有排氣閥，則在充水時，著火區(qū)的噴頭未打開之前，氣體排不走。管內的低壓氣體在高壓水作用下受壓縮，著火區(qū)管網內充不進水或充水緩慢，致使火情擴大；溫度達到噴頭的溫級，噴頭才爆裂排氣。這就失去了預作用系統(tǒng)的功能。所以，筆者認為排氣閥應多設，每個支干管的末端設一個。但排氣閥越多，電氣控制點也越多，成本也提高。關于排氣閥的設置，在此只是拋磚引玉地提出來。如何設置才能充分發(fā)揮預作用系統(tǒng)的功能，有待同行商榷。 4.4 大流量噴頭的采用 本館內有一個10m高的展廳，標準噴頭在大于8m的場合已不起作用。但對于這樣重要的場所，又不能沒有任何防火措施。在設計中，參照“自規(guī)”中用于高架倉庫的快速響應早期抑

11、制噴頭的有關要求，選用了流量系數(shù)K=360的大流量噴頭用于10m高的展廳內，一個噴頭釣流量為8.7 Ls。如按標準噴頭的間距布置噴頭，作用面積內的流量就遠遠大于設計流量，顯然是不合適的，但“自規(guī)”中又沒有這種特殊噴頭的間距要求。為此，我們根據(jù)噴水強度和流量系數(shù)計算出噴頭的最大間距。 噴水強度6L(min·m2)，流量系數(shù)K=360，最大保護高度10.7m，噴頭最小壓力0.21 MPa。 4.5機械停車位的噴頭布置 (汽車庫、修車庫、停車庫設計防火規(guī)范)(GB5006797)第7.2.3.2條要求：“機械停車位的托板位置分層設噴頭?！痹鯓邮箛婎^既不影響托板的升降，又能直接噴向車位呢?見

12、圖5。噴頭數(shù)量是按上下兩層計算，還是按單層計算，也是眾說紛紜。筆者認為：機械停車位的托板是滿足耐火極限的鋼制材料，如果下部車位著火，火焰在上升的過程中受托板的阻擋，向兩邊蔓延，感應托板下的側噴頭動作，由于室內車庫不受風向的作用，火焰繼續(xù)向臨近車位的上方蔓延，波及臨近車位的上部噴頭動作。如果上部某一車位著火，火勢向上蔓延，下層噴頭更不可能動作。由此可見，機械車位的上、下噴頭不是同時動作的，所以報警閥所帶噴頭數(shù)按單層計算，水量也按單層動作計算是可行的。 5水噴霧滅火系統(tǒng) “高規(guī)”第766條強制規(guī)定：高層建筑內燃氣鍋爐房應設水噴霧滅火系統(tǒng)。系統(tǒng)設計根據(jù)<水噴霧滅火系統(tǒng)設計規(guī)范>(GB50

13、21995)(簡稱“霧規(guī)”)進行。 51 設計參數(shù)的確定“霧規(guī)”中對鍋爐房的設計噴霧強度與持續(xù)噴霧時間沒有作出具體規(guī)定，表312只有可燃氣體生產、輸送、的防護冷卻的噴霧強度9U(min m2)比較接近于燃氣鍋爐的條件，但冷卻時間為6h。在當時沒有其它依據(jù)的情況下，設計取用了該參數(shù)。新近發(fā)行的地方標準<民用建筑設置鍋爐房消防設計規(guī)定>(DBJ016142002)中第523條明確規(guī)定：燃氣鍋爐房的水噴霧滅火系統(tǒng)應按防護冷卻設計，噴霧強度為9L(mln·m2)，噴霧時間為1 h。前者與后者的噴霧強度完全吻合，噴霧時間相差甚大，則消防水量就相差5倍。這樣一來，設計人員就很難掌握，

14、導致設計結果多種多樣。筆者認為：“國標”與“地標”有矛盾的地方，理應按“國標”執(zhí)行。但“國標”對某一對象沒有明確規(guī)定的情況下，可以參照 “地標”執(zhí)行。所以在以后的設計中，鍋爐房的水噴霧系統(tǒng)設計參數(shù)按“地標”取值是可行的。當然，盡快完善統(tǒng)一各種法律、法規(guī)，使設計取值有據(jù)可依，是廣大設計人員所希望的。52 噴頭的選用和布置 按體積保護法布置噴頭，一臺鍋爐的長、寬、高分別為4.5 m，2.5 m，2.5 m，則表面積S為4625m2(取50m2)。 最不利噴頭壓力P=0.2 MPa，平均噴頭壓力取035 MPa，噴水強度9 L(min·m2)，計算流量1.1Qj=11X9X 5060=8.

15、25 Ls。選用ZSTW63120水霧噴頭，K=26.72，霧化角度 噴頭按矩形布置，噴頭距鍋爐的距離B=1m，保護半徑 故R=1.73m，噴頭間距I=1.4R=24m。每個噴頭的流量： 水霧噴頭的計算數(shù)量： 水霧噴頭的實際數(shù)量取10個，見圖6。系統(tǒng)計算流量 10X5060=83Ls：系統(tǒng)設計流量 11X 83：92 Ls> (實際取10Ls)。 6 智能消防水炮系統(tǒng) 61 問題的引出 館內34m高的禮儀大廳是幾個展廳的重要樞紐，也是舉行重大集會及禮儀活動的場所，人流密集，火災危險性大。對這樣重要的場所，現(xiàn)行的消防規(guī)范已無法滿足。自動噴水滅火系統(tǒng)無能為力。規(guī)委關于“博物館新館初步設計審查

16、的批復”中提出：“特殊的消防問題還須組織專題論證，以市消防局發(fā)文為準，其中地下文物庫和中央大廳的消防問題應作為重點。”據(jù)此，消防局組織了專家專題論證會，在“首博新館消防安全專家論證會會議紀要”(消辦會字20022號文)中提出：“禮儀大廳頂部可開啟外窗與大氣相通，廳內設計消防車通行車道，可視為室外空間。結合建筑實際情況考慮禮儀大廳的適當部位增設消防水炮?！?6.2 設計依據(jù) 在沒有現(xiàn)行規(guī)范的情況下，參照<固定消防炮滅火系統(tǒng)設計規(guī)范(報批稿)>以下簡稱“報批稿”和產品樣本進行水炮系統(tǒng)的設計。 6.3 水炮的合理選型 水炮的射程與其炮口的壓力和流量成正比關系。水炮系統(tǒng)合理的流量和射程與其

17、要保護的空間大小密切相關，水炮位置的設置既要考慮對建筑平面的影響，又不能使水炮射程太大。射程大，炮口壓力和流量就大，勢必增加基建投資?！笆撞倍Y儀大廳的消防水炮位置見圖7。 水炮的最遠射程S計算為55 m(圖8中，A點為最遠保護點) 從產品樣本中可根據(jù)水炮的射程選定額定壓力和流量?！笆撞钡乃趨?shù)為：射程55m，額定壓力0.8MPa，流量20Lso 6.4 水炮系統(tǒng)的水量計算 根據(jù)“報批稿”4.1 3條“消防水炮的水量應按同時使用的水炮及供水管網的充水量之和計算” 4.57條“在人員密集的公共場所室內大空間建筑物內配置的消防水炮應能使兩門水炮的射流同時保護任一部位。水炮作用時間1小時”。所以

18、，水炮系統(tǒng)的用水量為兩門水炮1 h的水量與水炮管網容積之和，水炮加壓泵的供水量為兩門炮的流量。 65 水炮系統(tǒng)的構成 消防水炮系統(tǒng)由火災探測器、火焰定位器(位于水炮炮口上)、消防水炮、解碼器、電磁閥、手動控制盤、信息處理主機、控制程序及管道系統(tǒng)組成。其中，解碼器由功率趨動模塊、微處理模塊、遠程通訊模塊和數(shù)據(jù)采集模塊組成。它提供了消防水炮的驅動、狀態(tài)反饋、火焰定位和遠程通訊四項基本功能。從“報批稿”413條的理解，消防水炮管網可以為空管系統(tǒng)，且消防車可以直接進入大廳協(xié)作滅火，故消防水炮系統(tǒng)不必要再設置為消防車接口的水泵接合器。系統(tǒng)見圖9。 66 水炮系統(tǒng)的控制(見圖10) 雙波段火災探測器將火災

19、探測和圖像監(jiān)控有機結合在一起具有同時獲取現(xiàn)場火災信息和圖像信息的功能。將采集到的彩色或黑白視頻信號經視頻同軸電纜或其它圖像傳輸設備送回控制中心，經視頻處理設備送至圖像顯示設備、圖像記錄設備及信息處理主機顯示器上，實現(xiàn)圖像監(jiān)控功能。 數(shù)控消防炮解碼器是遠程自動控制設備，采用微處理模塊作為控制核心?？梢栽诳刂浦行母鶕?jù)雙波段火災探測器傳輸?shù)膱D像信息，自動或手動控制電動閥開關和炮口的定位，可對水炮進行上、下、左、右的方向控制，也可以由信息處理主機與其通訊實現(xiàn)遠程自動控制，最遠控制距離達1 200m。自動狀態(tài)下，火災初期，由于起火點可能不在消防水炮定位器的視角范圍內，軟件控制消防水炮以每次 角自動地從左

20、往有、自上而下進行掃描，直到找準著火點，消防水炮自動對起火點進行精確定位，并在定位過程中進行火災確認，然后根據(jù)系統(tǒng)設計，自動啟動電動閥和消防水泵進行噴水滅火。程序控制還可根據(jù)探測到的火災大小，數(shù)控啟動一門或兩門炮。 控制中心一般設在消防控制室內，包括信息分析處理設備，視頻處理設備(圖像切換、顯示、記錄設備)，以及火災報警設備。該部分主要實現(xiàn)監(jiān)控現(xiàn)場的信息分析，火災信息提取，火災報警等功能。 6.7 小結 智能型數(shù)控消防水炮是集遠程通訊，火災探測報警，火焰自動定位和滅火等多項功能于一身的消防設備。它具有體積小、報警及時、滅火迅速、水漬圬染少等優(yōu)點，在大空間場館有不可替代的作用。當務之急是出臺相應

21、的法規(guī)，使設計有據(jù)可依。 7 氣體消防系統(tǒng) 71 氣體消防部位的確定 博物館的藏品庫是全館的心臟，大量的國粹、國寶存放在此，特別是一些珍品文物如絲織品、精品字畫、文房四寶、竹木漆器等均是易燃晶，且一旦浸水損壞，對國家會造成重大損失。這些部位首選氣體消防。另外一些文物庫，如錢幣庫、青銅器庫等，雖然遇水不會完全損壞，但這些文物都是經過特殊修夏而成的，遇水損失是無法估計的。且如果用水噴淋，水濺損失可能會波及到其它文物庫。經過比較，地下29個文物庫總面積近1萬m2的庫區(qū)，全部采用氣體滅火系統(tǒng)。 展廳是博物館的窗口，這里向人們展示中華民族的傳統(tǒng)文化，廳內人流密集，火災危險性大。如果所有展廳均采用氣體滅火

22、系統(tǒng)，當然是萬無一失的，但對于這樣大體量的展廳，氣體滅火系統(tǒng)投資巨大，所以根據(jù)展廳內展品的重要程度，采用不同的消防措施，以節(jié)省投資。將重要文物的展出集中在三個精品展廳內，廳內采用氣體消防系統(tǒng)，這也與“高規(guī)”第7.6.8.4條“一級紙、絹質文物的陳展室應設氣體滅火系統(tǒng)”的條文相吻合。 文物修復中心是博物館的“門診部”。這些部門的安全性對文物的存放和展出至關重要。因此，采用氣體消防系統(tǒng)。 控制中心、電話機房、消防中心一旦發(fā)生火災，遇水將使全館系統(tǒng)陷入癱瘓，氣體消防能使火災消滅在萌芽階段，不至于對設備造成破壞。 72 氣體消防系統(tǒng)的選擇 隨著哈龍1211，1301的逐漸淘汰：各種替代品相繼涌現(xiàn)。目前

23、在國內有成功使用經驗且技術成熟的產品主要有七氟丙烷(FM200)和煙烙盡(1G541)。因此，我們主要從這兩種氣體中選擇。 氣體消防系統(tǒng)設計的宗旨是：所用氣體滅火劑必須是綠色環(huán)保氣體，系統(tǒng)設計不但要以人為本，而且要以文物為本。所選氣體不能對人體有害，對展品、文物、計算機、電子設備不產生任何破壞作用，且產品技術成熟。兩種滅火劑的性能比較見表4。 綜上所述，IG541和FM200都屬于潔凈、環(huán)保的滅火藥劑，具備良好的滅火性能。究竟哪一種產品更適合于文物保護呢? FM200輸送距離較短，目前較成熟的設計軟件最大可計算到7080m。這就決定了瓶站需靠近防護區(qū)設置。并且FM200噴放過程中在高溫條件下有少量的氫氟酸產生，對人體有害，對保護對象有腐蝕性。噴放時間越長，產生的酸性物質越多，這也是FM200必須在10s內噴放完畢的原因，但國內外用FM200。保護文物類對象的實例也不少，至于FM200氣體對文物產生多大的危害，還有待考證。 最重要的是，博物館的文物庫是個安全性要求極高的地方，庫區(qū)內不能有任何與文物無關的設備物品。這就要求鋼瓶站必須設置在文物庫區(qū)的安全通道之外。對29個文物庫近1m2的