(硕士论文)超高层建筑消防给水系统超压及减压措施模拟研究

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超高层建筑消防给水设计规范推荐度：
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ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｕｄｙｏｆＳｕｐｅｒ－ｈｉｇｈｂｕｉｌｄｉｎｇｆｉｒｅｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｉｔｓｐｒｅｓｓｕｒｅｄｅｃｒｅａｓｅｍｅｔｈｏｄｓ

Ｃａｎｄｉｄａｔｅ：ＳｕｎＳｈｕａｉｙｉｎ

Ｍａｊｏｒ：Ｈｅａｔｉｎｇ，ＧａｓＳｕｐｐｌｙ，ＶｅｎｔｉｌａｔｉｎｇａｎｄＡｉｒ

ＣｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

ＳｔｕｄｅｎｔＩＤ：２１２００９０８１４０４００４

Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：Ｐｒｏｆ．ＹｕＢｏ

ＡｓｓｏｃｉａｔｅＰｒｏｆ．ＬｉＴａｉｆｕＡｐｒｉｌ，２０１２

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西华大学学位论文独创性声明

作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。

学位论文作者签名：写＾）＼，／巾ａｙ指导教师签名：屏≥朗殳钕富日期：如（１。兮．沏Ｉ日期耐≥ Ａ场

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学位论文作者签名：孙＼№呷‘指导教师签名：墨∑刃殳条富

日期：）｜科２．今、２０日期２矽ｆ＞．今．２＿ｏ

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西华大学硕二卜学位论文

摘要

本文结合某超高层建筑，运用Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ软件建立其消火栓供水系统模型，对系统在不同的消火栓开启数量工况下进行动态模拟，研究了消火栓给水系统在灭火初期的超压现象，主要进行了以下研究：（１）总结了高层、超高层建筑常见的消防给水系统形式及其特点；（２）总结了高层建筑消防给水系统的超压现象及解决措施；（３）介绍了Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ软件的数学理论基础；（４）运用Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ软件对消火栓和闭式喷头进行二次开发；（５）对采用普通消防水泵的消火栓系统进行动态模拟，分析其超压原因；（６）对采用稳压消防泵的消火栓系统进行动态模拟，检验其减压效果，分析超压仍存在的原因，提出解决措施。

动态模拟结果表明：

（１）采用普通消防水泵的消火栓给水系统在灭火初期超压严重。

（２）消火栓给水系统在火灾初期的超压现象，主要由消防水泵扬程偏高和管路的实际水头损失偏小造成。

（３）采用恒压消防泵能有效解决由水泵扬程偏高引起的系统超压。

（４）采用恒压水泵不能完全解决系统的超压问题，此时管路水头损失偏小是造成超压的主要原因。

针对以上问题，应采取以下措施：选用恒压消防水泵：在水力计算的基础上增加使用减压稳压消火栓楼层的数量；缩短系统在小流量工况的运行时间。关键词：超高层建筑；消火栓系统；Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ；超压；减压措施

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超高层建筑消防给水系统超压及减压措施模拟研究

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｆｏｒｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｆｆｉｒｅｈｙｄｒａｎｔｓｙｓｔｅｍａｔｅａｒｌｙｆｉｒｅｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇｓｔａｇｅ，ｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆａｓｕｐｅｒ－ｈｉｇｈｂｕｉｌｄｉｎｇｆｉｒｅｈｙｄｒａｎｔｓｙｓｔｅｍｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｗｉｔｈＦｌｏｗｍａｓｔｅｒ，ａｎｄｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｍａｄｅａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｎｕｍｂｅｒｏｆｏｐｅｎｉｎｇｆｉｒｅｈｙｄｒａｎｔ．Ｔｈｅｍａｉｎｓｔｕｄｙｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒａｒｅａｓｆｏｌｌｏｗｓ：（１）Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｃｏｍｍｏｎｆｏｒｍｓｏｆｈｉｇｈ—ｒｉｓｅ、ｓｕｐｅｒ－ｈｉｇｈｂｕｉｌｄｉｎｇｆｉｒｅｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｅａｃｈ；（２）Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｆｆｉｒｅｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍａｎｄｓｏｍｅｓｏｌｖｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ；（３）ＩｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｔｈｅｏｒｙｏｆＦｌｏｗｍａｓｔｅｒ；（４）Ｒｅ．ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｆｉｒｅｈｙｄｒａｎｔａｎｄｓｐｒｉｎｋｌｅｒｈｅａｄｗｉｔｈＦｌｏｗｍａｓｔｅｒｗｅｒｅｍａｄｅ；（５）Ｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｆｉｒｅｈｙｄｒａｎｔｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｃｏｍｍｏｎｆｉｒｅｐｕｍｐａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｒｅａｓｏｎｏｆｏｖｃｒｐｒｃｓｓｕｒｅｗｅｒｅｍａｄｅ；（６）Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｔｅｓｔｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｄｕｃｉｎｇ，ｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｆｉｒｅｈｙｄｒａｎｔｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｐｒｅｓｓｕｒｅｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｐｕｍｐＷａｓｍａｄｅ．Ａｎａｌｙｚｉｎｇｏｎｔｈｅｒｅａｓｏｎｓｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｅｎｃｅｏｆｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｐｕｔｔｉｎｇｆｏｒｗａｒｄｔｏｔｈｅｓｏｌｖｉｎｇｍｅａｓｕｒｅｓ．

Ｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ：

（１）Ｔｈｅｒｅｉｓｓｅｒｉｏｕｓｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｉｎｆｉｒｅｈｙｄｒａｎｔｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｃｏｍｍｏｎｆｉｒｅｐｕｍｐａｔｅａｒｌｙｆｉｒｅｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇｓｔａｇｅ．

（２）Ｔｈｅｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｆｆｉｒｅｈｙｄｒａｎｔｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｃｏｍｍｏｎｆｉｒｅｐｕｍｐｉｓｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｈｉｇｈｆｉｒｅｐｕｍｐｈｅａｄａｎｄｓｍａｌｌｐｉｐｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｌｏｓｓ．

（３）ＴｈｅｕｓｅｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｐｕｍｐＣａｎｓｏｌｖｅｓｙｓｔｅｍｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｗｈｉｃｈｉｓｃａｕｓｅｄｂｙｈｉｇｈｐｕｍｐｈｅａｄ．

（４）ＴｈｅｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅＣａｎｎｏｔｂｅｓｏｌｖｅｄｔｏｔａｌｌｙｂｙｔｈｅｏｎｌｙｕｓｉｎｇｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｐｕｍｐ，ｂｅｃａｕｓｅｏｆｓｍａｌｌｐｉｐｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｌｏｓｓ．

Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｐｒｅｖｅｎｔｔｈｅｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｆｆｉｒｅｈｙｄｒａｎｔｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｍｅａｓｕｒｅｓｓｈｏｕｌｄｂｅｔａｋｅｎ：Ｕｓｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｐｕｍｐ；ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｆｌｏｏｒｓｉｎｗｈｉｃｈｐｒｅｓｓｕｒｅ—ｒｅｄｕｃｉｎｇｆｉｒｅｈｙｄｒａｎｔｗｅｒｅｕｓｅｄｂａｓｅｄｏｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｒｕｎｎｉｎｇｔｉｍｅａｔ１０Ｗｆｌｏｗｒａｔｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．

ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｓｕｐｅｒ－ｈｉｇｈＢｕｉｌｄｉｎｇ；ＦｉｒｅＨｙｄｒａｎｔＳｙｓｔｅｍ；Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ；Ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ；Ｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｒｅｌｉｅｆＭｅａｓｕｒｅｓ

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…………………………………………………………………………Ｉ

………………………………………………………………………．．ＩＩ

………………………………………………………………………ＩＩＩ

………………………………………………………………………．．１

１．２课题研究的目的和意义………………………………………………………１

１．２．１研究背景………………………………………………………………１

１．２．２研究意义………………………………………………………………２

１．３国内外研究现状………………………………………………………………３

１．４课题主要研究内容……………………………………………………………５

２消防给水系统及其减压、防超压措施……………………………………………．．６

２．１消防给水灭火系统的分类……………………………………………………６

２．２建筑消火栓给水系统…………………………………………………………６

２．２．１消火栓给水系统的组成………………………………………………．６

２．２．２消火栓给水系统的设置场所和基本参数……………………………８

２．１．３高层建筑消火栓给水系统形式……………………………………．．１０

２．２．４消火栓给水系统的水力计算………………………………………．．１８

２．３自动喷水灭火系统…………………………………………………………。２２

２．３．１自动喷水灭火系统及其分类………………………………………一２２

２．３．２湿式自动喷水灭火系统的组成……………………………………．．２３

２．４消防给水系统的减压措施…………………………………………………．２４

２。４．１减压孔板……………………………………………………………．．２５

２．４．２节流管………………………………………………………………．．２６

２．４．３减压阀…………………………………………………………………２６

２．４．４减压型消火栓…………………………………………………………２６

２．４．５减压稳压消火栓………………………………………………………２６

２．５消防给水系统的超压及防范措施…………………………………………．２８

２．５．１超压的原因…………………………………………………………．．２８

２．５．２解决措施………………………………………………………………２９

３Ｆｌｏｗｍａｓｔ２仿真软件及其组件的二次开发………………………………………．３１ＩＩＩ

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超高层建筑消防给水系统超压及减压措施模拟研究

３．１流体动力系统仿真的阻抗网络计算法原理…………………………

３．１．１组件的线性方程………………………………………………．

３．１．２线性化系数的求解……………………………………………．

３．１．３网络模型的求解………………………………………………。

３．２Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ２自定义组件二次开发方法……………………………．．

３．２．１绘制图标…………………………………………………………………………．

３．２．２编制数据表……………………………………………………．

３．２．３编写程序代码…………………………………………………．

３．３消火栓和喷头组件的二次开发………………………………………．

３．３．１计算线性化系数………………………………………………．

３．３．２绘制图标…………………………………………………………………………．

３．３．３编制数据表……………………………………………………．

３．３．４编写程序代码……………………………………………………

３．４模型检验……………………………………………………………………．４１４系统建模及超压分析………………………………………………………………．４３

４．１工程简介……………………………………………………………………．４３４．２消火栓系统的水力计算……………………………………………………．４３

４．２．１水枪充实水柱的计算………………………………………………。４３

４．２．２水枪喷嘴处水压计算…………………………………………………４３

４．２．３水枪喷嘴的出流量……………………………………………………４３

４．２．４水带的阻力…………………………………………………………．．４４

４．２．５消火栓栓口所需的水压……………………………………………。４４

４．２．６给水管网的水力计算…………………………………………………４４

４．２．７消防水泵扬程的计算………………………………………………一４６

４．３系统建模……………………………………………………………………．４６

４．３．１模型的简化原则……………………………………………………．．４６

４．３．２消防水泵……………………………………………………………．．４６

４－３．３管道…………………………………………………………………………………………４６

４．３．４消防水池………………………………………………………………．．４７

４．３．５阀门…………………………………………………………………………．．４７

４．３．６ＣＯＭ控制器…………………………………………………………４７

４．３．７弯头类设备…………………………………………………………．．４７ＩＶ

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４．４模拟计算及数据分析………………………………………………………．４８

４．４．１采用普通消防泵系统超压分析……………………………………．．４８

４．４．２采用恒压消防水泵系统超压分析…………………………………．．５５

４．４．３结论和解决措施………………………………………………………６１

结论…………………………………………………………………………………………………………．．６２参考文献……………………………………………………………………………．６４攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果…………………………………………．．６６致谢…………………………………………………………………………………………………………．．６７Ｖ

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１绪论

课题名称

超高层建筑消防给水系统超压及减压措施模拟研究１．１

１．２课题研究的目的和意义

１．２．１研究背景

（１）超高层建筑的发展

国际上通常将建筑高度超过１００ｍ的建筑称为超高层建筑【１】。１８５１年电梯的发明和１８５７年第一台自控客用电梯的出现，解决了高层建筑的竖向运输问题，为建造更高的建筑创造了条件【ｌ】。１８９８年，高１１８ｍ的ＰａｒｋＲｏｗ大厦在美国纽约建成，成为１９世纪最高的建筑。２０１０年四月竣工的哈里发塔（迪拜塔），共１６０层，建筑高度为８２８ｍ，是目前世界上最高的超高层建筑。

我国国内第一座超高层建筑是１９７６年落成的广州白云宾馆，高１１５ｍ。目前在建的上海中心总高度６３２米，预计在２０１４年建成后将成为亚洲第一、世界第二高楼。截至到２００９年末，除港澳台地区外，我国现有百米以下高层建筑２１２７５７幢，百米以上的超高层建筑１６９９幢【ｌ】。

（２）超高层建筑火灾特点

超高层建筑功能复杂，在各种防火条件大致相同的条件下，其火灾危险性要较普通多层建筑高，并且随着建筑高度的增加，危险性也会相应增大，更容易造成重大人员伤亡和财产损失事故。其火灾特点主要是：

①建筑功能更加复杂，火源更多

超高层建筑大多于多种功能一体，使用单位较多，人员集中且流量大，管理不便，发生人为火灾的可能性较普通建筑高。其次各种配套设施复杂，用电负荷高，且电气化程度较高，线路复杂，极易发生电气火灾。另外该类建筑标准高，装修豪华，室内含有大量的可燃物质，如家具、窗帘、地毯、吊项装饰等，其火源较普通建筑多。

②火灾蔓延迅速

为满足使用功能需求，在超高层建筑中存在大量的竖向通道，如：电梯井、通风井、电缆井等，火灾时它们会形成巨大的“烟囱”效应，烟火一旦进入这些竖井中，巨大的抽吸作用将使烟火迅速蔓延，而且建筑越高，抽吸效应越剧烈。据研究，

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超高层建筑消防给水系统超压及减压措施模拟研究

烟火在高层建筑中的垂直蔓延速度为３＂－一４ｍ／ｓ，在超高层建筑中可达到８ｍ／ｓ，那么仅仅不到三分钟火灾就能蔓延整个一栋２００ｍ高的建筑。此外随着建筑高度的增加，室外风速也不断增加，这也加剧了火灾水平蔓延的速度，增加了火灾的危险性。

③人员疏散困难

超高层建筑，人员密集，一座高度为３００ｍ的建筑即可容纳万人。以建筑高为４２０１１１的上海金茂大厦为例，在工作时间内该大厦约有４００００多人聚集，这是一个庞大的数字。据测试在正常情况下由身强力壮的消防员从最高层跑至最底层用时最短为３５ｒａｉｎ，而在火灾时大量人员将涌向楼梯间，势必造成人员的拥堵，影响正常的疏散，疏散时间将大大超过３５ｍｉｎ。而１９９３年纽约世贸中心遭遇恐怖袭击，共用了９个小时才将大楼内的１０万人疏散。因此，从技术角度看，对于超高层建筑，一旦发生火灾，人员疏散极度困难。

④火灾扑救工作复杂、困难

超高层建筑灭火系统复杂，自动化程度高，任何一个环节出错都将导致灭火设施失效。消防队员因攀登高楼体力不够，不能及时到达起火层进行扑救【２】，即使及时赶到也不能立即投入灭火战斗，此外消防队员呼吸器的使用时间有限，不能保证长时间灭火作业，这些都极大的影响了灭火效率。

１．２．２研究意义

当前消防科学技术的发展远落后于建筑高度的迅速提高，超高层建筑消防安全问题已成为世界面临的共同难题。超高层建筑的消防不仅仅是对传统的消防手段进行直接的扩展，而是有着自己的特殊性【３】，如：消防给水系统分区更多，配套设施种类和数目繁多，电气化程度高，管理维护复杂，易发生故障；受消防部门灭火设备性能的限制，发生火灾时从外部对超高层建筑予以支援的难度较普通建筑大，对自身消防系统的要求更高。目前国内消防给水系统的研究相对薄弱，且尚无超高层建筑的防火规范，面对我国国民经济持续快速发展的大好形势，分析总结超高层建筑消防给水系统的经验，以提高我国超高层建筑消防技术的水平，具有十分重要的现实意义【３Ｊ。

系统超压是当今各类消防给水系统中普遍存在问题之一。它会导致管网管材、设备的故障、损坏，实际灭火水量偏大，消防水池和水箱的储水量不能满足正常火灾延续时间内的使用等，降低系统的可靠性。而对于消火栓系统，在火灾初期，系统中只有少量消火栓投入使用，消防水泵处于小流量高扬程工况，导致系统压力较设计工况高，消火栓栓口压力大于０．５ＭＰａ，消火栓无法正常使用，浪费宝贵的灭火时间，这与扑灭初期火灾的原则相违背。结合超高层建筑自身特点，其消防系统超压问题更加明显，危害也２

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更加严重，这是由于超高层建筑火灾危险性高，设计消防用水量大（超高层建筑室内消火栓系统设计水量为４０ＵＳ，是规范中的最大值。而当建筑高度大于２５０ｍ时，建筑设计采取的特殊的防火措施，应提交国家消防主管部门组织专题研究、论证。其具体的用水量还需结合建筑的实际情况进行专门的研究论证，有可能会更高。），系统自启动达到设计工况的历时长，消防水泵在小流量工况下运行时间长且其扬程较额定流量时更高，此外对于水泵直接串联供水系统，水泵的小流量大扬程工况还会被系统叠加放大。因此为保护人民群众的生命财产安全，提高消防系统安全可靠性，必须研究分析管网超压产生的原因，并采取相应的措施和技术方法来减少超压产生的可能【４１。

１．３国内外研究现状

在消防理论方面，在上世纪８０年代，国外首先提出了以人为本的性能化防火设计理论。性能化防火设计（Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ－ｂａｓｅｄｆｉｒｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｒｏａｃｈ）【５】就是运用消防安全工程学的原理与方法，根据建筑物的结构、用途、内部可燃物和人员流动等情况，对建筑火灾危险性和危害性进行定量评估，在此基础上得到最优的设计方案。到目前为止已有不少于１３个国家和两个国际组织积极发展或采用性能化防火设计【６】。具有代表性的成果有：英国于１９９７年编制了ＢＳＤＤ２４０《火灾安全工程原理应用指南》，为消防安全工程应用提供统一的框架。Ｃａｓｔｅｒ和Ｍｅａｃｈａｍ等人于１９９７年合著了《以性能化为基础的火灾安全导论》。在２０００年，美国消防工程师协会在Ｃａｓｔｅｒ等人的研究基础上，编写了《建筑性能化防火分析与设计工程指南（草案）》。美国已经完成性能目标的确定，基本完成性能级别分级的确定，并于２００１年发布了《国际建筑性能规范》和《国际防火性能规范》。国内在性能化消防安全设计理论研究方面起步较晚，自１９９６年才开始组织有关单位和人员开展相关研究【７】。主要研究成果有：进行了对普通建筑、中庭、地下和大空间建筑的火灾蔓延、烟气流动规律和计算机模拟技术、人员疏散安全评估技术等的研究，并初步建立了大型复杂建筑火灾蔓延模型、烟气流动模型和人员疏散模型，为进一步开展复杂建筑物消防安全性能化设计的研究工作奠定了必备的基础【８】。四川消防科研所进行了《大空间公共建筑火灾疏散评估技术》和《高层建筑性能化防火设计安全评估技术》的相关研究【５Ｊ。湖南大学的徐海斌运用性能化设计方法对某大型会展中心进行了消防安全水平验证研究，他建立了该会展中心的防火性能化评估目标体系，并运用日本疏散经验公式、Ｓｉｍｕｌｅｘ人员疏散模拟软件、Ｆｄｓ火灾动力学模拟软件等对研究对象的人员安全疏散时间、辐射热通量、烟气运动与蔓延等进行模拟计算，定性分析了人员行为和火灾蔓延等方面的不确定性因素以及对预测结果准确性的影响ｔ９］。天津理工大学的蒲云通过分析国外性能化设计思路，建立了适合我国的国情的性能化设计模式，使

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超高层建筑消防给水系统超压及减压措施模拟研究

用灰色综合评价方法，建立了建筑火灾危险性指标与评价人员安全疏散状态值的关系，将ＢＰ神经网络与灰色综合评价方法相结合，建立了基于建筑火灾危险性的人员安全疏散评价模型并将其用于评价场模拟软件适用性【ｌ…。

在消防系统的安全可靠性方面，Ｅｄｗａｒｄ对历史数据进行分析，得出了喷淋系统的可靠性估计值［１ｌ】。Ｒｏｎｔｙ等给出了民用自动喷水灭火系统各组成部分的可靠性统计数据

【１２１。在国内，华东建筑设计研究院的杨琦探讨了系统评价方法在水灭火系统中的应用，提出了水灭火系统的评价因素，对灭火系统的理论分析有指导意思。东南大学的刘炎教授与贺墨梅运用层次分析法（ＡＨＰ），对超高层建筑消防给水系统建立了综合模型，并通过Ｍａｔｌａｂ工具对模型求解，得到了各个系统的综合总权值，以此值的大小来反映各个系统的优越程度，并指出层次分析方法在建筑给水排水的各方面都有广阔的应用前景１３】。杨琦论述了高层建筑消防给水系统可靠性模型和计算方法，指出了提高可靠性的方法。南开大学的刘茂教授与其学生毛星运用事件树方法分析事故发生时消防系统不同的运行情况，建立了消防系统可靠性随时间的数学模型，最后运用蒙特卡洛法对模型进行了敏感性分析。重庆大学的范海英对消防系统进行了可靠性分析，得出串联系统可靠性小于其任何组件，并联系统的可靠性大于其任何组件；对于系统各个单元可靠度相同的消火栓系统，并联分区给水方式的可靠性较高，减压阀分区给水方式和串联分区给水方式的可靠性相差不大【ｌ引。

消防系统的超压问题会严重降低消防系统安全可靠性，针对这一难题国内主要进行了以下研究。姜文源、田燕、徐唤杏等人从实际工程角度指出了消防系统常见的超压现象及部分原因，并提出了相关解决措施【１４－１６】。何升华具体论述了采用全自动变频调速供水设备等四种常用的防超压措施。张明华、赵树雷等人推导出在水箱供水与水泵供水两种工况下，高层建筑消防栓处实际压力和超压计算公式，指出应按水箱供水工况来确定减压孔板孔径，按水泵供水工况来校核【１７１。西安建筑科技大学的易泰伟结合某实际工程，采用数学方法分别计算出系统在一个、两个和三个消火栓开启工况下的运行参数（包括系统流量、水枪流量、水泵实际扬程、栓口压力和剩余水头），指出在灭火初期系统超压现象严重，许多楼层消火栓因反作用力太大而无法使用。在消防设备的研发方面，目前国内已有多个厂家研制并生产出性能曲线平滑、泵出Ｉ：３压力恒定的稳压或恒压消防泵。国家建设部也推出国标图集《消防专用水泵选用及安装》（０４Ｓ２０４），推广该类型消防专用水泵的使用，以改善系统在灭火初期的运行状况。此外北京惠普机电技术开发公司已开发出减压稳压型消火栓，并于１９９６年投入实际工程。该类型消火栓内置减压稳压装置，即使栓前压力较大，也能够保证栓后压力不超过Ｏ．５ＭＰａ，有效的保证了消火栓的使用效果。２０００年该公司又推出新一代减压稳压消火栓，将产品结构从原来的栓前４

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而针对其

该软件建模方便、模拟精度高等优点，现结合某超高层建筑消火栓给水系统，研究该系统在灭火初期的超压现象和某些防超压措施的减压效果，促进软件在该领域的应用。

本论文主要完成了以下方面内容：

（１）总结高层、超高层建筑常见的消火栓系统形式及其特点。

（２）总结高层建筑消防给水系统的超压现象及其解决措施。

（３）介绍Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ软件的数学理论基础。

（４）运用Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ软件中对消火栓等组件进行二次开发。

（５）对采用普通消防水泵的消火栓系统进行动态模拟，分析其超压原因。

（６）对采用稳压消防泵的消火栓系统进行动态模拟，检验其减压效果，分析超压仍存在的原因，提出解决措施。

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超高层建筑消防给水系统超压及减压措施模拟研究

２消防给水系统及其减压、防超压措施

建筑灭火系统就是将灭火剂经过加压（外网压力不满足需要时），输送到建

以扑灭火灾而设置的固定灭火设备。水是不燃液体，在与燃烧物接触后会通过物学反应吸取热量，从而降低燃烧物温度，此外被加热的水形成大量的水蒸气，可燃烧区域内氧气的浓度，进一步阻断燃烧的继续。由于水具有来源广泛、价格便火效果好等一系列优点，水是目前最常用的灭火剂，消防给水系统也成了最常用系统。

２．１消防给水灭火系统的分类

按照不同的划分标准，建筑消防给水灭火系统可以分为多种。按照灭火方式

为消火栓给水系统和自动喷水灭火系统。按给水服务范围，可分为区域集中消防统和独立消防给水系统。独立消防给水系统投资高、管理分散，但安全可靠性高在人防要求高、地震区或是重要的建筑内使；而对于区域性型消防系统多栋建筑

个加压泵房，系统管理方便、投资低，但在地震区系统可靠性较低，适合使用在有合理规划的高层建筑区内。按系统内压力大小可分为高压和临时高压消防给水系统。高压消防给水系统的管网能够保持系统灭火所需的压力和流量要求，发生火灾时可直接灭火，不需要启动任何加压设备，因此该系统供水安全，可靠性高，有条件时应当优先采用。而临时高压给水系统有两种情况：一为系统管网内平时水压不高，不能满足最不利点灭火的水压和水量的要求，当火灾时需要通过系统的消防水泵加压，使系统在火灾工况下满足灭火需求：另外一种情况，目前较为广泛应用于消防给水系统，即通过系统内的稳压泵或气压给水设备增压稳压，使管网平时能够维持系统最不利消火栓的静压需求，当发生火灾时再启动系统的消防水泵，使系统水压和水量达到灭火需求。

２．２建筑消火栓给水系统

２．２．１消火栓给水系统的组成

建筑消火栓给水系统主要有以下几部分组成：

（１）消防水池消防水池用于贮存当室外消防水源不能满足建筑灭火需求时，火灾持续时间内的室内外消防用水量。《建筑设计防火规范》（ＧＢ５００１６８．２００６，以下简称《防火规范》）规定当建筑灭火系统出现以下情况的时应设置消防水池：当生产、生活用水量达到最大时，市政给水管道、进水管或天然水源不能满足室内外消防用水量；市政给水管道为枝状或只有１条进水管，且室内外消防用水量之和大于２５Ｌ／ｓ。６

建筑给排水设计

西华大学硕士学位论文

当存在在火灾时能够连续向水池连续补水时，消防水池的体积可以减去火灾延续时间内的补水量，补水时间不宜超过４８ｈ；当消防水池的体积超过５００ｍ２时，应分成两个能独立使用的水池；若消防水池与生活、生产水池合用，则应采取有效保证消防用水量的措施；在严寒地区的消防水池应采取有效的防冻措施。

（２）消防水箱消防水箱用以储存火灾初期前１０ｍｉｎ的消防用水量，这对于扑灭初期火灾起着重要的作用。规范要求设置临时高压给水系统的建筑物均应设置消防水箱（包括气压水罐、水塔、分区给水系统的分区水箱）。消防水箱应该设置在建筑物的最高部位，其高度应该满足最不利点消火栓的水压要求，当不能满足时应设置加压稳压设施。另外消防用水与其它用水合用的水箱应采取消防用水不作他用的技术措施，发生火灾后，由消防水泵供给的消防用水不应进入消防水箱。

（３）消火栓设备该设备由水枪、水带、消火栓组成，是消火栓给水系统的最末端设备。水带有５０、６５ｍｍ两种口径，长度一般为１５、２０、２５ｍ；材质有化纤和麻织两种，有衬胶和不衬胶之分，衬胶水带阻力较小，工程中采用最多。水枪一般为直流式，口径有１３、１６、１９ｍｍ三种。消火栓均为内扣式接口的球形阀式龙头，有单出口和双出口之分，口径有５０ｍｍ和６５ｍｍ之分。一般ＳＮ６５的消火栓配直径为１９ｍｍ和１６ｍｍ的水枪，直径为６５ｍｍ的衬胶水带。

（４）水泵接合器水泵接合器是连接消防车和室内消防给水系统的供水装置，当建筑内部的消防给水系统发生故障或是水量不足时，消防车可以把室外消防水源通过水泵接合器输送到室内消防给水管网中，保证系统灭火时对水压和水量的需求。高层建筑、超过五层的其他非高层民用建筑以及设有消火栓管网的住宅等的消防给水系统中均应设置水泵接合器。当本地的消防车的供水能力不能满足建筑灭火的需求时，还应该设置水泵接合器的接力水泵，接力水泵一般设置在避难层或地下室中，且宣选用柴油机泵。

（５）消防水泵临时高压系统应设置消防水泵，它是系统的主要加压设施，在火灾时通过启动该设备以保证系统有足够的水压和水量。消防水泵的额定流量应该根据系统类型确定，当为独立的消防给水系统时，其值为该系统的设计消防用水量。消防水泵一般设置在消防泵房内，并应设置备用泵，备用泵的工作能力不应小于最大一台消防工作泵。

（６）消防卷盘消防卷盘是小口径消火栓，又称消防水喉、自救式消火栓等。由于室内消火栓在灭火时反作用压力太大，没有经过专业训练的人难以控制，因此在一些建筑中设置消防卷盘，以便普通人在发生火灾时及时灭火。消防卷盘由阀门、输入管路、软管、喷枪等组成的，其消火栓口径为ＤＮ２５ｍｍ，配口径不小于１９ｍｍ的胶管，水枪喷嘴口径不小于５ｍｍ，不大于９ｍｍ。消防卷盘对扑灭初期火灾有明显的作用，一般设

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超高层建筑消防给水系统超压及减压措施模拟研究

置在建筑标准较高的建筑内，它一般与普通消火栓放置在同一消火栓箱内，也可以单独放置，但必须保证建筑的任何部位能够有一股水柱到达。它可以与消防给水管连接，也可以与生活给水管连接，其水量不计入室内消防用水总量。

２．２．２消火栓给水系统的设置场所和基本参数

（１）《防火规范》规定室内消火栓的设置场所：

①建筑占地面积大于３００ｍ２的厂房（仓库）。

②体积大于５０００ｍ３的车站、码头、机场的候车（船、机）楼、展览建筑、商店、旅馆建筑、病房楼、门诊楼、图书馆建筑等。

③特等、甲等剧场，超过８００个座位的其它等级的剧场和电影院等，超过１２００个座位的礼堂、体育馆等。

④超过５层或体积大于１００００ｍ３的办公楼、教学楼、非住宅类居住建筑等其它民用建筑。

⑤超过７层的住宅应设置室内消火栓系统，当确有困难时，可只设置干式消防竖管和不带消火栓箱的ＤＮ６５的室内消火栓。消防竖管的直径不应小于ＤＮ６５。

此外凡是国家级文物保护砖木或木结构的古建筑，宜设置室内消火栓；人员密集的公共建筑（无论室内消火栓设置与否）和建筑面积大于２００ｍ２商业网点都宜设置消防卷盘。

（２）消火栓给水系统的设计参数