高層建筑中消防設(shè)備電氣防火設(shè)計(jì)策略探究

莊孝凡，毛仕漢

（1浙江省嘉興市嘉善縣消防救援大隊(duì)，浙江 嘉興 314100；2浙江省嘉興市平湖消防救援大隊(duì)，浙江 平湖 314200）

按照我國(guó)國(guó)家規(guī)定，高層建筑是指建筑高度超過24m的公共建筑、工業(yè)建筑（非單層）和建筑高度超過27m的住宅建筑，而如果建筑高度超過100m時(shí)，無論是住宅亦或是公共建筑則統(tǒng)一稱為超高層建筑?，F(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展導(dǎo)致城市資源日益緊缺，高層建筑順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，在城市中不斷出現(xiàn)，按照我國(guó)國(guó)家規(guī)定，針對(duì)高層建筑進(jìn)行消防設(shè)備電氣防火設(shè)計(jì)時(shí)，必須更加規(guī)范和嚴(yán)謹(jǐn)，要從根本上去保障高層建筑的電氣安全和消防能力，這一方面也體現(xiàn)出我國(guó)高層建筑消防設(shè)備電氣防火設(shè)計(jì)存在著一定的不足，需給予更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹贫纫?，才能夠?guī)范設(shè)計(jì)、保證科學(xué)。

1 高層建筑消防設(shè)備電氣火災(zāi)特點(diǎn)分析

1.1 火勢(shì)蔓延速度快

高層建筑消防設(shè)備一旦出現(xiàn)電氣火災(zāi)，往往會(huì)呈現(xiàn)出火勢(shì)蔓延速度極快的特點(diǎn)，而且隨著高層建筑的高度越高，風(fēng)速越大，蔓延的速度將越快。按照有關(guān)資料顯示高層建筑離地面高度10m時(shí)，風(fēng)速將達(dá)到5m/s；高度在30m處時(shí)，風(fēng)速將達(dá)到8.7m/s；而當(dāng)高度達(dá)到100m時(shí)，風(fēng)速則能夠達(dá)到18m/s。大風(fēng)速將使火勢(shì)得到風(fēng)的助力，十分難以控制。在火災(zāi)發(fā)生的初期，空氣溫度尚且不高，火災(zāi)所生成的煙和氣會(huì)集中在水平方向，速度在每秒0.3m/s左右，當(dāng)火災(zāi)發(fā)展到中后期，溫度將迅速提高，煙氣擴(kuò)散速度增加，煙和氣體的擴(kuò)散速度將達(dá)到0.8m/s，是原來的二倍以上，同時(shí)煙和氣體會(huì)沿著高層建筑的外墻以及內(nèi)部空間之中的管道迅速擴(kuò)散，速度能夠達(dá)到4m/s左右，風(fēng)將助推火勢(shì)的蔓延，風(fēng)速越高，火勢(shì)蔓延的速度就會(huì)越大，高溫空氣也會(huì)迅速蔓延，如果沒有有效的進(jìn)行防火分隔設(shè)計(jì)，高層建筑內(nèi)的高溫?zé)煔饩湍茼樦鞣N渠道，1min之內(nèi)迅速地蔓延到高層建筑頂層，即便是超過百米的高層建筑從底樓燃燒，煙氣蔓延到頂樓最多也僅需要10min。

1.2 容易形成煙囪效應(yīng)

高層建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，功能區(qū)域多，垂直方向上存在著各種管道、豎井，包括排氣管道、下水管道、電梯井等等，這些都將成為火情蔓延的路徑，一旦出現(xiàn)火災(zāi)，低層所產(chǎn)生的煙氣將通過這些渠道快速蔓延，由于空氣密度低，加上一些管道會(huì)產(chǎn)生抽風(fēng)作用，大量的管道井就猶如高聳的煙囪，使火情和煙氣集中于此，并迅速蔓延，高層建筑高度越高，這一現(xiàn)象就越為明顯，極容易出現(xiàn)煙囪效應(yīng)。而如果高層建筑內(nèi)存放著大量的易燃物，遇到火情時(shí)幕墻將會(huì)迅速破損，之后將帶來大量的新鮮空氣，在充分的氧氣支持下，火勢(shì)將一發(fā)不可收拾，增加撲滅難度。高溫氣體不斷在高層建筑的頂層內(nèi)積蓄，容易在頂層內(nèi)發(fā)生另一場(chǎng)火災(zāi)，危及周邊的建筑物的同時(shí)，也會(huì)危及在天井疏散的逃生者生命安全。

2 高層建筑消防設(shè)備電氣防火設(shè)計(jì)原則

為了保障高層建筑消防設(shè)備電氣設(shè)計(jì)的質(zhì)量，我國(guó)要求必須采取可靠的防火措施，技術(shù)可靠安全，科學(xué)經(jīng)濟(jì)適用，并能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)自防自救，所以，高層建筑進(jìn)行消防設(shè)備電氣防火設(shè)計(jì)時(shí)，所構(gòu)建起的供電系統(tǒng)需要嚴(yán)格按照國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范要求，并根據(jù)實(shí)際供電系統(tǒng)的特點(diǎn)來進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，應(yīng)該達(dá)到具備良好的可靠性、耐火性和安全性的標(biāo)準(zhǔn)，而這其中最為主要的則是消防設(shè)備供電線路的可靠性，在出現(xiàn)火災(zāi)火情時(shí)，供電系統(tǒng)的可持續(xù)性以及電氣設(shè)備線路的耐火能力都將直接關(guān)系到整個(gè)消防電氣系統(tǒng)的安全保障能力。消防設(shè)備電氣線路的可靠性意味著高層建筑出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，尤其是撲救過程中，電氣設(shè)備應(yīng)該具備良好的可靠性，不僅不會(huì)出現(xiàn)更進(jìn)一步的火災(zāi)問題，也能夠在一定程度上輔助營(yíng)救工作。

3 高層建筑消防設(shè)備電氣防火設(shè)計(jì)策略分析

3.1 消防設(shè)備電源負(fù)荷等級(jí)設(shè)計(jì)

對(duì)高層建筑中防電氣設(shè)備電源的負(fù)荷等級(jí)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，可以更進(jìn)一步的提高消防設(shè)備電氣供電安全和可靠系數(shù)，這也將成為高層建筑防火設(shè)計(jì)過程中的基本內(nèi)容。高層建筑中的消防電源負(fù)荷等級(jí)需要按照國(guó)家的規(guī)范要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般可以分為2類，分別是一類等級(jí)和二類等級(jí)。一類等級(jí)為一類高層建筑消防用電負(fù)荷等級(jí)；二類等級(jí)為二類高層建筑消防用電負(fù)荷等級(jí)。具體而言，一類等級(jí)供電電源需要滿足的設(shè)計(jì)要求是有兩個(gè)獨(dú)立的電源，如果出現(xiàn)負(fù)荷容量過大或者是高壓用電設(shè)備較多時(shí)，應(yīng)該適用兩路電源提供穩(wěn)定的高壓電能。如果負(fù)荷容量不大，可以優(yōu)先從整個(gè)電力系統(tǒng)內(nèi)選擇使用第二低壓電源或者是應(yīng)急發(fā)電機(jī)組設(shè)備。一級(jí)防負(fù)荷供電電源主要針對(duì)的是照明設(shè)備、通信系統(tǒng)電能源的使用，可以選擇設(shè)計(jì)蓄電池組作為儲(chǔ)備電源。一級(jí)消防負(fù)荷供電電源中，主要負(fù)荷來源除了以上供應(yīng)系統(tǒng)外，必要的情況下也需要設(shè)計(jì)硬件電源設(shè)備。二級(jí)消防負(fù)荷供電電源在設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該滿足出現(xiàn)電力變壓器故障或者是電路系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)仍然能夠保持穩(wěn)定的電能源供應(yīng)，即便出現(xiàn)中斷也能夠迅速得以恢復(fù)。按照國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范要求二類高層建筑應(yīng)該設(shè)計(jì)出兩條回線路來保持穩(wěn)定的供電能力，如果無法滿足設(shè)計(jì)要求則應(yīng)該設(shè)計(jì)一些柴油發(fā)電機(jī)組或者是蓄電池機(jī)組作為備選電源，以此來更進(jìn)一步的保障高層建筑消防設(shè)備電氣防火能力。

3.2 消防設(shè)備配電方式設(shè)計(jì)

高層建筑消防設(shè)備電氣設(shè)計(jì)的低壓配電一般選擇接電方式是將消防用電設(shè)備的供電回路電源端與變壓器低壓母線直接相連，這樣可以設(shè)計(jì)成單母線分段和放射式供電，利用這樣的設(shè)計(jì)方法如果出現(xiàn)非消防負(fù)荷故障，就可以使變壓器空氣開關(guān)自動(dòng)閉合。與此同時(shí)，在對(duì)母線進(jìn)行檢修時(shí)，變壓器自動(dòng)空氣開關(guān)也將實(shí)現(xiàn)自主斷開，以此來更進(jìn)一步的保障消防供電的安全可靠性。為了更好的提高高層建筑消防設(shè)備電氣設(shè)計(jì)的安全系數(shù)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，建議將消防用電設(shè)備的供電回路電源直接與變壓器低壓出現(xiàn)自動(dòng)空氣開關(guān)之前進(jìn)行連接，這樣的設(shè)計(jì)方法更加靈活，能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的。按照國(guó)家規(guī)定，高層建筑的消防控制室、水泵房、消防電梯、防排煙系統(tǒng)等電源應(yīng)該在最末一級(jí)配電箱內(nèi)設(shè)計(jì)出能夠自動(dòng)切換的設(shè)備，而其他消防用電設(shè)備，比如門窗、閥門、卷簾、自動(dòng)滅火系統(tǒng)等尚沒有詳細(xì)的規(guī)定，需要因地制宜來進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)。一些電氣設(shè)備容量較小，布局分散，如果在末一級(jí)配電箱內(nèi)都設(shè)置自動(dòng)切換裝置，只能會(huì)導(dǎo)致配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，徒增成本，卻無法帶來良好的使用效果，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中必須要根據(jù)建筑項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行合理的規(guī)劃，可以按照高層建筑不同的樓層和防火分區(qū)功能區(qū)域等內(nèi)容來設(shè)計(jì)雙電源自動(dòng)切換裝置，并采取運(yùn)用耐火配線的方式對(duì)各消防用電設(shè)備進(jìn)行分別的連接。

3.3 消防設(shè)備配電線路防火設(shè)計(jì)

在進(jìn)行高層建筑消防設(shè)備電氣防火設(shè)計(jì)時(shí)，最基本的策略是應(yīng)該積極的運(yùn)用耐火耐熱的配線裝置來提高防火能力，比如線纜的選擇敷設(shè)以及線路保護(hù)等等。在高層建筑內(nèi)重要的消防電氣設(shè)備的配電線路應(yīng)該選擇使用礦物性的電纜，可以更好地保障絕緣性能，比如M1電纜，電纜內(nèi)部為純銅材質(zhì)，能夠保持良好的通電能力，絕緣材料則為氧化鎂等化合物，保護(hù)套為沒有接縫的銅質(zhì)管套。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)考證，在輻射熱或者是高溫火焰的燃燒下，礦物絕緣電纜能夠保持非常優(yōu)秀的耐熱能力，即便經(jīng)受一個(gè)半小時(shí)的高溫灼燒，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)良好的導(dǎo)電性能。礦物絕緣電纜不僅具備優(yōu)秀的耐熱能力，同時(shí)還有防水、耐腐蝕、導(dǎo)電能力強(qiáng)、耐物理?yè)p傷、耐電磁輻射等性能，另外礦物絕緣電纜所使用的銅保護(hù)套還能夠?qū)崿F(xiàn)直接接地功能，也就是可以做地線用。

電纜可以明敷，施工較為簡(jiǎn)單，后期的維修也十分便捷，與其他的電纜類型相比較，礦物絕緣電纜雖然成本較高，但是如果從綜合的角度分析，其可靠系數(shù)、敷設(shè)方法以及傳導(dǎo)系數(shù)等都有極佳的優(yōu)勢(shì)，這樣就會(huì)使后期的成本投資得到有效的降低，這對(duì)于高層建筑可持續(xù)發(fā)展而言是有其積極意義的。另一方面普通的電線電纜絕緣系數(shù)就相對(duì)較差，無論是絕緣老化和能力等等，都存在著極大的不足，有時(shí)甚至容易成為導(dǎo)致直接火災(zāi)的根本性原因。絕緣層和保護(hù)層在燃燒的過程中，普通的電纜都會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體，不僅會(huì)助燃，而且還會(huì)進(jìn)一步的威脅人身安全。所以選擇使用礦物絕緣電纜從根本上和經(jīng)濟(jì)效益上而言，可以更適用于高層建筑重要消防設(shè)備電氣防火設(shè)計(jì)要求，能夠更好地保持供電性能的連續(xù)性和整個(gè)電源線路的穩(wěn)定性。

高層建筑中防火設(shè)備電氣設(shè)計(jì)中的低壓配電干線則建議使用耐火性能強(qiáng)的密集型的母線槽，這樣的設(shè)計(jì)方法相較于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，雖然缺陷是不如空氣式母線槽分支回路易操作，但是卻可以獲得更好的機(jī)械性能，外殼接地可靠性強(qiáng)，安全系數(shù)高，而且具備良好的防火性能。密集型母線槽的敷設(shè)需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地勘測(cè)，安裝的線槽距離必須有很強(qiáng)的精準(zhǔn)度，母線槽的叉接方式、開關(guān)箱的高度都需要根據(jù)實(shí)際的情況來進(jìn)行規(guī)劃。

消防設(shè)備配電線路如果是暗敷，應(yīng)該采用普通的電信線纜，并且應(yīng)該埋在不燃燒的結(jié)構(gòu)體之內(nèi)。暗敷的保護(hù)層厚度應(yīng)該大于3cm；消防設(shè)備配電線路如果是明敷，則建議使用耐火系數(shù)強(qiáng)的礦物絕緣電纜，如果必須使用普通電纜，則必須優(yōu)先選用具有防火保護(hù)層的金屬管或者是封閉式金屬線槽，必要的情況下應(yīng)該再加噴防火涂料，以此來更進(jìn)一步的保障防火能力。消防電氣設(shè)備電源線路選擇的絕緣和保護(hù)套應(yīng)該是不具有可燃性的電纜，并將其敷設(shè)在電纜豎井內(nèi)，因?yàn)槭忻嫔系碾娎|大多都已經(jīng)具備良好的耐火性能，所以可以不穿金屬保護(hù)套，但是如果將電纜敷設(shè)在同一個(gè)電纜井之中時(shí)，電纜之間必須要使用耐火材料進(jìn)行阻隔。

消防電氣設(shè)備電源線路如果在高層建筑吊頂內(nèi)進(jìn)行敷設(shè)，所使用的耐火礦物絕緣電纜往往可以避免使用防火橋架，這樣就可以避免吊頂導(dǎo)致增加層高度的問題，如果使用普通線纜，同樣需要將線纜包裹金屬管或者是在金屬線槽內(nèi)進(jìn)行布線，必要的情況下應(yīng)該使用硬質(zhì)塑料管或者塑料線槽進(jìn)行布線。

4 結(jié)語(yǔ)

高層建筑消防設(shè)備電氣設(shè)計(jì)作為高層建筑防火設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，在設(shè)計(jì)的過程中必須充分根據(jù)工程實(shí)際，嚴(yán)格按照國(guó)家規(guī)定要求，盡可能提高防火能力。電氣設(shè)備既要保持良好的供電性能，也要具備良好的耐火性，這樣才能夠維持高層建筑的使用安全，這對(duì)于廣大建筑設(shè)計(jì)工程人員而言，既是挑戰(zhàn)也是技術(shù)發(fā)展的機(jī)遇，值得我們深思。