摘要：博物馆建筑可燃物多、人流密集、安防级别高等特点决定了其消防安全的特殊性。本文结合某省博物馆项目，着重对工程特点、遇到的设计问题以及解决措施进行了总结：书画、绘画、丝织品展厅及临时展厅由于体量较大，对防护分区设置、人员疏散的引导、防护区维护结构的耐火等级、防护结构的承受内压等均有较高要求，设计采用预作用自动喷水灭火系统替代气体灭火系统，并通过计算对预作用自动喷水灭火系统管道排气、充水时间进行了分析验证，确保设计满足2min内管网充满水的要求。同时对消防系统设计中遇到的其他问题进行了梳理，对解决措施进行了探讨。
关键词：博物馆；消防设计；自动喷水；灭火系统
1 自动喷水灭火系统
根据《建筑设计防火规范》[1] （GB50016-2006）（以下简称“建规”）、《自动喷水灭火系统设计规范》[2]（GB50084-2001 2005年版）（以下简称“喷规”），本工程以下部位设置自动喷水灭火系统：
陈列展厅、文物保护工作区以及文物库房区的走道等部位设置预作用型自动喷水灭火系统，展厅及文物库区走道的消防系统选择将在本文“二 3”中详细论述；地下车库因设有采暖系统，设置普通湿式自动喷水灭火系统，按照中危险II 级设计；其他适合用水扑救部位如观众配套服务区、文物保护工作区、综合业务区、报告厅等均设置湿式自动喷水灭火系统；陈列展厅、文物保护工作区以及文物库房的走道等部位设置预作用型自动喷水灭火系统，按照中危险I 级设计。
设计在消防主管部门认可情况下，尽量不采用水系统的消防设施。
2 特殊展厅消防系统的选择
书画、绘画、丝织品展厅及临时展厅的使用功能主要是呈列具有特殊意义的重要文物、珍品字画等贵重物品，大部分为遇水即损藏品。为考虑火灾时文物藏品的万无一失，博物馆方要求上述展厅内设置气体灭火系统。设计中存在的问题是：《气体灭火系统设计规范》（GB50370-2005）（以下简称“气规”）要求使用气体灭火系统防护区容积不大于3600m3，而本项目书画、绘画、丝织品展厅及临时展厅的容积均超过了此限值，其中面积最大的临时展厅容积达到了12000m3。针对上述约束条件，提出了以下解决方案：
方案一：缩小防护区面积。将每个展厅用防火卷帘划分为3~4个防护区，使每个防护区容积小于3600m3。针对此方案，消防性能化按照最不利情况选取慢速下降卷帘，结合卷帘关闭时间对气体灭火防护区的人员疏散做了模拟分析。分析结果为各个展厅的疏散时间均大于30s，甚至有的达到了104s，显然防火卷帘的关闭严重影响了人员疏散。另一方面，防火卷帘的承压小于《气规》要求的1200kPa，因此必须采取相应措施，保证人员的疏散安全。
方案二：采用预作用自动喷水灭火系统替代气体灭火系统。预作用自动喷水灭火系统是将火灾自动报警与自动喷水灭火有机结合的固定灭火装置[5]，该系统的适用范围为：系统处于准工作状态时严禁管道漏水；严禁系统误喷；能替代干式系统。火灾时，安装在博物馆展厅等处的烟感温感或者红外等火灾探测器早于喷头数分钟前动作，发出火灾报警信号，火灾报警控制器在接到报警信号后发出指令信号，打开预作用阀上的电磁阀（常闭）和快速排气阀前的电磁阀，使阀前压力水进入管道内，同时水路报警压力开关接通声光显示盒，显示管网中已充水，空压机停止，系统转为湿式系统。系统继续充水过程中，消防控制柜接到报警阀上压力开关的报警信号后，自动启动自动喷水系统加压泵，向系统快速充水，同时水力警铃报警。在喷头未动作之前，如消防控制柜确认是误报警，手动停泵，防止系统误喷造成文物损毁。
3 预作用自动喷水灭火系统充水时间的验证
发生火灾时，控制系统管网的充水时间是保证预作用系统正常运行的关键。《喷规》第8.0.9条规定“预作用喷水灭火系统的配水管道的充水时间不宜大于2min”。为了确保预作用自动喷水灭火系统划分满足充水时间要求、以地上某防火分区为例，对管道容积、排气、充水时间进行了简单分析。以下为计算过程：
（1）充水时间的计算
展厅的预作用喷水灭火系统布置如图2-3，充水时间按下式计算：
T=V/Q （2-1）
式中 T—管道充水时间，min；
Q—消防系统设计流量，L/min；
V—管道容积，m3
计算结果如表2-1、表2-2所示：
图2-3 地上展厅预作用自动喷水灭火系统布置示意图
表2-1：管网充水时间计算（一）
表2-2：管网充水时间计算（二）
计算结果显示，在满足《喷规》8.0.7要求下，大管径管道对管网容积、充水时间影响较大，此算例通过调整DN100、DN150的管道长度便可将充水时间可缩短约34%。值得注意的是，调整管径后需对最不利面积的水力计算进行复算，同时对消防给水泵的流量、扬程进行校核。
（2）排气时间的确定
管道的排气过程为：报警控制器传送电信号，控制阀开启，快速排气阀排气。其中电讯号传送时间可忽略不计，根据阀门厂家提供的资料，排气阀前电磁阀的动作时间按2s考虑，排气阀开启后排气时间主要由排气量和管网容积决定。根据淮亚智[6]对低压气体实际排气速度的研究，排气阀打开后，管道内气体排除速度按96.7m/s～136.8m/s计算，得出理想状态下1098m管道内气体空需要10.02s～13.35s。目前的规范并未对排气阀的设置数量、设置位置有明确规定，本项目将主干管居中布置，干管及配水支管相对主干管对称布置，干管末端设置自动排气阀（如图2-2所示），最大程度简化各支路的排气路由，缩短整个系统的排气时间。
（3）管网容积的校核
美国国家防火协会规范NFPA13[7][8]规定，预作用报警阀控制的系统管道容积不得大于2839L，如果设计能使系统在正常气压下从末端排气开始到管道充水结束时间不大于60s，管道容积可以增大。本算例中管网总容积2635.7L（见表2-2），满足NFPA13的一般要求。
综上计算结果，将管网充水时间和排气时间相加和后可得管网排气、充水时间为75.91s～79.24s。实际上火灾发生时，排气阀和消防给水泵是同时启动的，且系统开始充水后管道内是汽水混合状态[9]，本文为了简化系统流态，按理想状态下管道内气体先排空再充水考虑，计算出的时间应略大于实际充水时间。
结论
预作用自动喷水灭火系统的管道充水是系统设计的关键所在，设计中需要对每个保护区分别结算，保证各个系统的充水时间满足规范要求。
本项目当时依据的规范《博物馆建筑设计规范》[3]（JGJ66-91）并未对展厅有设置气体灭火系统的要求，但目前此规范已更新为2015版，新规范10.2.9条[4]第2款明确规定“一级纸（绢）质文物的展厅应设置气体灭火系统”，在之后的设计中应引起注意。
参考文献
[1] GB50016-2006 建筑设计防火规范,2005年版.
[2] GB50084-2001 自动喷水灭火系统设计规范,2005年版.
[3] JGJ66-91博物馆建筑设计规范.
[4] JGJ66-2015博物馆建筑设计规范.
[5]方汝清,余斌,朱振平. 预作用自动喷水灭火系统的控制和运行.给水排水, 2001（09）.
[6]淮亚智.有压管道中排气速度与管道压力的关系.科技信息, 2007（04）.
[7]NFPA13 Standard for the Installation of Sprinkler Systems,2010 Edition,American.
[8]黄晓家,姜文源. 自动喷水灭火设计手册. 2002.
[9]张留霞.预作用自动喷水灭火系统的设计探讨.给水排水 Vol.35 增刊2009.
论文作者:张春苹
论文发表刊物:《防护工程》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/25
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