随着我国电子商务、物流业的高速发展,工业产品的仓库朝着高层、立体、自动化控制的趋势发展,全自动高架立体仓库应时而生。为了保证自动化立体仓库及货物不受火灾之害,自动喷水灭火系统应根据其自身特点进行设计,做到经济、合理、安全。
高架仓库:货架高度大于7 m,且采用机械化操作或自动化控制的货架仓库[1]71,占地面积通常大于10 000 m2,高空净高度在18~35 m,有的仓库达到50 m,见图1。
库内货物搬运、分拣为全自动操作,具有效率高、工程单位造价高的特点。
由于高架仓库高度集中且货物多、货架高,而且储运自动化、货物运输设备多的特点,其火灾时,火灾荷载大,蔓延迅速,烟气流动气流复杂,如果初期火灾不能有效控制快速扑灭,容易形成立体火灾,人工救火困难,货架火灾发展速度极快,点火后1 min便会蔓延到整个货架顶部,导致货架轰燃,造成巨大的财产损失[2]。
现行《建筑设计防火规范》(GB 50016-2014)(以下简称“建规”)、《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50084-2017)(以下简称“喷规”)中关于高架仓库参考的设计依据条目多、内容复杂、分类细致、针对性强,本文就自动喷水灭火系统在高架仓库中的应用问题进行系统比对、计算分析,为立体仓库项目的自动灭火系统的设计提供参考。
此工程地处天津市,建筑面积15 874 m2,单层建筑、局部二层,室内外高差1.3 m,建筑高度28.5 m,为单层高架仓库,门式钢架结构,屋顶坡度为3%,合理使用耐久年限为50年,为有轨巷道式高层货架仓库,库内储存物品火灾危险性为危险级Ⅱ级,为有效利用空间,每个防火分区两侧为单排货架、中间为双排货架(共计6排),层数为15层,单层高度为1.8 m。
对于立体仓库消防设施的设置,根据“建规”第8.3.2条之规定:应设置自动灭火系统,并宜采用自动喷水灭火系统[5]。
对于最大净空高度大于13.5 m、最大储物高度大于12.0 m的危险级Ⅱ级的立体仓库,根据“喷规”5.0.8条之规定:为了有效灭火,除了在仓库顶板下方设置喷头,还应设货架内置洒水喷头[6]17。并根据本条规范条文解释:不推荐采用仓库顶板下布置ESFR喷头+货架内喷头的布置方式。另外,为了保证货架内喷头在火灾初期迅速爆破灭火,货架内设置洒水喷头上方的隔板应为实层板以阻止火灾初期烟气的垂纯直上升。因此,本仓库确定自喷方案为:顶板喷头+货架内喷头,两处喷头均为普通喷头的自动喷水灭火系统。
项目地处北方,仓库内不采暖,为避免冰冻危险,顶板自喷系统及货架内自喷系统均为预作用自动喷水灭火系统,系统由火灾自动报警系统直接控制预作用装置。火灾发生时,火灾探测器动作,开启电磁阀使控制腔泄压,预作用报警阀开启,报警阀后管道快速排气、充水,当着火点温度达到喷头开启温度后,系统迅速开始喷水灭火。
顶板喷头选用标准响应(80<RTI<350(m·s)0.5)、标准覆盖面积(K=80),动作温度68℃的洒水喷头,参照厂房屋顶的平面布置,喷头间距S为1.8≤S≤3.0 m,根据屋面的梁格布置喷头,作用面积内喷头布置见图3。
货架内喷头选用标准响应(80<RTI<350(m·s)0.5)、标准覆盖面积洒水喷头(K=80)或扩大覆盖面积洒水喷头(K=115),动作温度68℃,按照“喷规”之5.0.8条规定,自地面起每3.0 m设置一层货架内喷头,设置2层及以上内置洒水喷头时,交错布置,以减少相邻层喷头直接的干扰[6]117。奇数层平面布置见图5。
自喷系统的水力计算,是系统设计的关键,系统管网的配水管管径越大,造成投资也就越大[7]。为了确保投资合理,自喷系统能确保火灾时达到消防效果,本文在满足喷水强度的前提下,对系统进行水力计算。
喷头流量的计算公式:
式中,q为喷头处节点流量(L/min);K为喷头流量系数;P为喷头工作压力处水压(MPa)。
顶板喷头系统的计算采用“喷规”中推荐的作用面积法进行,根据规定:顶板喷头系统的作用面积喷水强度不应低于20 L/(min·m2),作用面积不应小于200 m2,喷头为选用标准响应(80<RTI<350(m·s)0.5)、标准覆盖面积K=80洒水喷头,最不利处喷头工作压力为0.1 MPa试算,保证管道流速<5 m/s,以免流速过大,破坏管道系统的均衡性及增大提升设备的能耗[6]11。计算步骤如下:
(1)确定作用面积:选用11.2 m×18.0 m的矩形,面积为201 m2。
(2)确定最不利喷头及作用面积内的喷头个数。
(3)作用面积内流量和水头损失的计算:确定最不利喷头处的压力及流量;从最不利喷头处开始计算,直至作用面积内的最后一只喷头。
(4)作用面积外的管道的计算:只计算管道的水头损失而不再叠加喷头的流量。
计算结果见表1。
由计算结果可知,满足规范要求。
货架喷头系统的计算参照“喷规”之5.0.8条规定,计算单元内喷头同时喷水的总流量确定:喷头开放数量为货架最顶层的2层,每层开放喷头数量为7个[6]17。当喷头流量系数K=80时,工作压力不应小于0.2 MPa,K=115时,工作压力不应小于0.10计算步骤同4.3.1节。
对于两种工况分别进行计算,结果见表2、表3。
根据“喷规”之9.1.6条规定,本工程考虑顶板喷头系统、货架喷头系统分别计算流量,并按照其设计流量之和确定系统的设计流量[6]39。
由表1~表3计算结果可知,K=80货架内喷头的入口压力与顶板喷头入口压力更为接近,对于水泵的选择更为有利,因此本项目采用K=80的喷头为货架内喷头,自喷系统设计流量为:68.95+32.25=101.20 L/s,持续喷水时间不小于2 h。
消防泵房位于地下一层地面标高为-4.50 m,喷淋系统选用管材为内外壁热镀锌钢管,系统流量为101.20 L/s,干管管径为DN250,流速为2.03 m/s。
根据“喷规”之9.2.4条规定,水泵扬程为[6]40:
式中,Pp为管道沿程和局部水头损失的累计值,预作用报警阀取8 m,水流指示器取2 m;P0为最不利点工作压力值(m);Z为最不利点处喷头与水泵吸水口的高程差(m);hc为水池吸水时取0。
水泵扬程计算:
水泵选型:消防泵3台,两用一备,单台流量Q=60 L/s,扬程为H=140 m,电量为132 kW。
(1)喷头数和管径应严格按照水力计算设计,不应采用管径估算表,表4为“喷规”中危险级标准喷头管径和喷头数量与本项目计算结果对照,差距比较大。
(2)货架内喷头的布置,虽然让货架高度不受限制,但是失去了处理和储藏货架的可变性,即失去仓库的柔性设计,业主之后如果对于仓库布置变更成本将有所增加。
(3)“喷规”为了保证系统安全可靠运行,设计时应严格执行“喷规”的其他细节要求:6.2.3条之规定,预作用系统一组报警阀控制的洒水喷头水量不宜超过800只[6]22;8.0.7条之规定,配水管不应超过6只[6]36;8.0.13条之规定,水平设置的管道坡度不宜小于0.004[6]37;7.1.10条之规定,当货架内置洒水喷头上方有孔洞、缝隙时,可在喷头上方设置挡水板,其面积不宜小于0.12 m2,周围弯边与喷头的溅水盘平齐[6]26。
(4)喷头与顶板之间的数据:仓库其溅水盘与上方层板的距离≥75 mm,且不应>150 mm,与其下方货品顶面的垂直距离不应<150 mm[8]。
(5)预作用系统管道冲水时间不宜大于2 min,为了达到系统启动后立即喷水的要求[9]。
(6)自喷系统安装时,尤其货架内喷头的安装,需要考虑搬运设备移动、地震等动载因素对管道破坏作用,对于抗震烈度为6度及6度以上地区的建筑机电工程必须进行抗震设计,自喷管材为热浸镀锌钢管,对于管径大于或等于DN65的水平管道,应按要求设置抗震支撑及防晃支架[10]。
(7)货架内系统的管道、喷头安装应与货架供应商紧密配合,以免影响货物的搬运及减小货架的净空高度,施工图设计采用基于Revit的协同模式,专业内通过工作共享(即工作集)的方式进行实时协同,以解决管道、货架之间的碰撞问题[11]。
(8)自喷系统的施工、验收及维护管理,应满足《自动喷水灭火系统施工及验收规范》(GB 50261-2017)的相关要求[12]。
根据2018年01月01日实施的《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50084-2017),结合实际工程对最大净空高度大于13.5 m、最大储物高度大于12.0 m的危险级Ⅱ级的立体仓库的自喷系统设计、计算做了详细介绍,自动喷水灭火系统为高架立体仓库的消防提供了安全保障,在设计过程中应严格执行相关规范、注重细节,从系统形式、喷头布置、水力计算等方面,确定经济的设计流量、管径,选择满足要求的消防水泵,以保证自喷系统的安全可靠。
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