关于民用建筑消防给水系统流量、压力的计算分析

宋明岩 刘仁涛 于景洋

0 引言

自《消防给水及消火栓系统技术规范》（GB50974-2014）、《自动喷水灭火系统设计规范》（GB50084-2017）、《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）（2018）、《〈消防给水及消火栓系统技术规范〉图示》15S909颁布以来，业内反响强烈。

关于消火栓系统与自动喷水灭火系统中的流量与压力计算问题，一直是从业人员探讨较多的一个话题，关于消火栓系统流量的计算，由于近些年来合建建筑较多，规范及手册中仅对其进行了一些总体的概述，很难做到面面俱到，导致实际应用中，“擦边球”设计和“保守派”设计的出现；对于自喷系统流量的设计，《建筑给水排水设计手册》（第三版）[中又分别给出了“作用面积法”和“按加压供水情况”计算方法等，两者计算的方式各有优缺点；对于消火栓系统和自喷系统，两者供水压力的计算，规范中，仍以“海澄-威廉”公式，“舍维列夫”公式，“达西”公式等为依托，择优选取，而无论哪种方法，都体现了其计算的复杂性，于是，各种估算的经验公式悄然流传，其适用度及注意事项是设计人员尤为需要关注的问题。本文对相关问题进行简要阐述，供行业人员分析选用。

1 关于消火栓系统的流量设计

民用建筑消火栓系统的设计流量选取，相对比较容易，理论来说确定建筑需设置消火栓后，按文献[1]第3.3 节和第3.5 节直接选取即可，但对于合建建筑仍有部分模糊地带令设计人员感到迷茫，经查阅大量的相关资料，现将部分疑难问题及处理相关问题主体思路表述如下，供设计人员参考。（注：部分地区有特殊规定，应按当地规定执行，常规设计步骤不在此赘述）

1.1 消火栓系统的设置原则

建筑物是否需要设置室外消火栓应按文献[3]第8.1.2 条执行，建筑物是否需要设置室内消火栓按文献[3]第8.2 节相关规定执行，这个对于初入行业的设计者来说容易存在一个误区，不是设置了室内消火栓的建筑就一定要设置室外消火栓；也不是设置了室外消火栓的建筑就一定要设置室内消火栓。

1.2 室外消火栓系统流量的计算原则

对于合用建筑，室外消防设计流量，应直接计算整个建筑物整体体积，如建筑含地上部分和地下部分时，无论地上部分与地下部分是否连通，均应体积加和考虑，按整体体积计算室外消防设计流量。

1.3 室内消火栓系统流量的计算原则

对于合用建筑，室内消防设计流量，应分别把整个建筑整体体积当作各功能建筑，查文献[1]第3.5.2 节表格内容，计算室内消火栓设计流量，对于带有地下室的建筑，当地下室与地上部分有连通时，应按围合总体积分别按不同功能计算流量取大值；当地下部分与地上部分完全分隔无任何连通时，地上部分与地下部分应分别计算各自体积。此处单独提出，是因为对于“室内消火栓设计流量”与“室外消火栓设计流量”的体积计算方式并不相同，这也是设计者容易混淆的一个地方。

1.4 关于争议性问题的探讨举例

对于住宅与车库合建的建筑，多层公共建筑与车库合建的建筑，规范中存在的争议性问题相对较多，其主要源自于规范中以下几句话：

（1）文献[3]中，第5.4.10-3 条指出“住宅部分和非住宅部分的室内消防设施配置，可根据各自的建筑高度分别执行”。

（2）文献[1]中，第3.5.2 条表下注释指出“当多层建筑有多种使用功能时，室内消火栓设计流量应分别按不同功能计算，且应取最大值”。

（3）文献[4]中，第3.5.2 条指出对于室内消火栓设计流量要求“地下室的汽车库按《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》GB50067-2014 执行”。

问题举例，地下车库与多层公共建筑合建的建筑，且有连通时，其室内消防用水量是否按整体体积考虑？还是车库与公建的体积分开考虑？对此，并未找到规范中的明确示意，如果多层公共建筑与车库合建，室内消防设计流量按整体考虑，其设计值更为安全，但这样做，容易使设计流量偏大，例如：“一个体积6 000m的III 类地下车库与一个体积8 000m的多层商店合建时，当地上与地下采用非消防电梯连通，仅为平时使用方便，而非着火时逃生疏散使用时”，如整体考虑，消防设计流量将会大很多。作为保守的设计者，通常会对模糊地带采取偏大值设计，整体按商店考虑，流量为最大，取25L/S，然而，应当采取的设计方案是，室内消火栓设计流量，车库与多层公建功能组合，即便上下有电梯连通，但满足“火灾时”各自疏散达到要求时，各自应单独计算设计流量，整体设计时，流量取15L/S 即可，但对于这种方式，并未在规范中找到有力支撑，在此提出该问题，供行业人员思考及专家再次修订规范时，作为参考。

2 关于消火栓系统的压力设计

消火栓系统选取水泵扬程压力的方式，在文献[1]中已明确给出，其计算公式为：

对于室内外的输配水管网，

各字母所代表的物理量详见文献[1]第十章节。

对于采用该公式的计算，其中稍为复杂的，就是比摩阻i的计算，往往设计人员在初步设计时，不好确定管道的具体走向，长度，导致不好选取水泵的扬程，从而无法在设计前期给各专业提资。对此，设计人员常采用估算法计算。

2.1 第一种估算方法

计算公式：

其中：P —供水压力（单位：KPa）；N —供水层数

（公式（4）的适用条件：层高不大于3.5m 的民用建筑）。

关于公式（4）的使用，有几点观点需要阐述：

（1）该公式的具体出处来源，目前已较难考证得知，据了解，该公式使用的普及率，也并不是很高。

（2）关于该公式的使用，公式中的数据应根据实际情况做相应调整，即N 的取值，并非要严格按照层数取值，如层高较高时，可按3～3.5m 的公式理论层高对实际层数进行折算。如一栋层高均为4.5m 的商场，总层数为6 层，其N 取值可为6×4.5÷3=9 层，即N=9。

（3）关于该公式的使用，此值略比文献[1]中的计算值偏大，但属于合理，可以推广使用。

2.2 第二种估算方法

计算公式：供水压力=竖直高度+末端消火栓栓口压力+估算沿程损失

关于该公式的使用，仍有几点观点需要阐述：

（1）该方法与规范中的方法基本相同，不同之处在于沿程水头损失采用了估算法，相对于竖直高度而言，一般建筑长度不是很大的建筑，竖向高度远大于沿程水头损失，设计人员甚至有时暂时忽略沿程水头损失，直接选取水泵时，水泵的压力参数与设计压力的少许出入值直接作为沿程损失。需注意的问题是，一般如果水泵直接设置在建筑主体下方且建筑物不太高时，管道沿程阻力及局部阻力损失的数值可以这样近似选取，但如果水泵房设置位置较远时，应按规范步骤，逐步计算其沿程及局部水头损失。

（2）对于末端消火栓栓口压力的计算，按文献[1]第7.4.12-2 条规范原文的要求应分别按不同建筑选取0.25MPa 满足10m 充实水柱或0.35MPa 满足13m 充实水柱要求，但该条的条文说明中指出，10m 充实水柱的压力值一般0.21MPa 即可达到，而13m 充实水柱的压力值一般0.251MPa 即可达到，此处也是专家人员产生争议较大的地方，此处考虑过多的未见因素，扩大末端压力，并不是很好。但此处建议，在规范未修订前，设计人员仍按大值选取。

3 关于喷淋系统的流量设计

3.1 部分从业人员设计现状

实际工作中，从业人员经常会遇到先给建筑专业提资，确定消防水池有效容积，但从实际水量确定角度来说，这样并不合理，设计行业人员之所以按此提资，很多为估算值，估算方法为按文献[2]第5 节“设计基本参数”中相关数据，用“喷水强度×作用面积÷60”作为标准水泵流量选择依据，再根据工程实际特点，在此基础上，扩大一定系数，1.2～1.3 倍左右。同时，建筑有吊顶或为干式系统、预作用系统时，喷头的喷水强度再按相关规定扩大相应倍数。对于上述设计方法，实际使用时会存在设计流量过大或过小问题，而严格的流量设计步骤，应结合文献[2]第9 节的计算步骤，结合喷头压力，喷头间距等计算完成。

3.2 设计思路方法简述

自喷系统流量的计算有“作用面积法”，“按加压供水情况方法”等，其中“作用面积法”较为简洁，按此计算方法，笔者基本操作方法如下：

确定好单个喷头设计流量后，按文献[2]中第9.1.3 条公式：

框选最不利喷头处“作用面积”内所有喷头数，用单个喷头流量与作用面积内总喷头个数的乘积作为消防水泵的设计流量。

关于该种计算方法，有以下几点观点，供设计行业人员参考：

（1）对于框选最不利喷头处作用面积问题，规范对此要求为“最不利点处喷头”，从水力计算角度来说，最不利点喷头应为整个系统设计的最末端，也即为设置末端试水装置的地方，但如果该处的喷头设置与该系统其他处相比间距过大，就会出现按此处喷头选取的水泵流量偏小，无法满足实际运行时的最不利状况，因此建议设计行业人员，如实际设计时，喷头疏密程度不均匀时，应按喷头较为密集处确定喷淋设计流量。

（2）规范中，第9.1.2 条规定，最不利点处喷头作用面积宜为矩形，此处尚应结合实际情况，如所选取的位置外围护结构或有喷头覆盖处的外围本身不为矩形，或为不规则图形，则应按实际面积框选。

（3）该种计算方法存在的一个缺点是，理论上来说，管网系统越靠近末端，喷头的压力越小，而管段的起始端压力较大，导致喷头的流量实际并不均衡，但如果按实际考虑，分别计算各喷头流量（即按“加压供水流量法”），虽然计算结果更为精确，但计算较为繁琐，并不很适合设计者，且由于管段起始端的压力较大，将导致实际管段起始端的喷头间距也可以放大，如不放大，更将导致管段起始端作用面积内的总流量大于末端的总流量，对此问题，文献[2]在8.0.7 条，第9.1.5 条做了具体规定，即轻中危险等级的场所各配水管入口压力不宜大于0.4MPa，设计流量应保证任意作用面积内的平均喷水强度不低于规范规定值。

4 关于喷淋系统的压力设计

4.1 计算公式的对比

在文献[2]出版以前，旧的《自动喷水灭火系统设计规范GB50084-2001（2005 年版）》计算公式看似简单，但实际着手操作计算较为复杂，主要体现在公式中“沿程阻力i 的计算”，“旧规”中，沿程阻力i 的计算值与管道流速有关，而作为设计人员，去计算各分管段内的流速，是个较大的工作量，于是，在实际应用时，又出现了许多设计人员总结出的经验公式，而这类经验公式存在的问题就是“适用性”与消火栓系统总结出的经验公式相比，更为不好统一。

文献[2]正式实施以后，这类问题得到了解决，文献[2]第9.2.4 条，水泵扬程设计公式：H=（1.2～1.4）ΣP+P+Z-h较文献[7]相比，补充了当从“城市市政管网直接抽水时”的计算要求，同时，在管道沿程阻力水力计算时，管道比摩阻i 的计算，虽然也较为复杂，但相对于文献[7]的计算公式来说，已较为方便，忽略了不好计算的流速v，而直接采用管道设计流量q进行计算。计算公式如下：

采用该公式计算比摩阻时，管道的设计流量q可按该管段所控制的喷头数确定，依次累加，当q值达到所选水泵的设计流量时，不再累加，后续管段均按水泵设计流量值确定。对于管道比摩阻的选取，可采用Excel 表格辅助编制完成。

4.2 关于管道沿程水头损失的计算

（1）经查阅相关资料，管道的沿程及局部水头损失计算，应仅计算最不利喷头处至水泵处的沿程及局部水头损失，而非作用面积内的所有喷头支管道的沿程及局部水头损失。

（2）自喷系统由于弯头，变径管较多，其局部水头损失不可忽略计算或简单扩大系数“1.1～1.2 倍”。

（3）此处并未推荐经验公式，是因为自喷系统管路设计相比消火栓系统而言，管路相对复杂，沿程及局部水头损失不好把握，因此，适合各类形式的自喷系统经验公式尚不成熟。

5 结论

以上，是对消防给水流量与压力的确定的相关阐述。在现行规范的背景下，消火栓流量的设计选取，要严格按照规范及地方规定执行，对于规范中的模糊地带，建议合理把握。对于自喷系统的流量计算，建议采用“作用面积法”较为方便。对于消火栓管网压力的计算，规范中的公式法与文中所述的经验法，只要掌握其要领，均比较可行。对于自喷系统的压力计算，更建议采用规范方法，按步骤进行。由于能力有限，文中观点如有不当之处，望各位专家及同仁批评指正。