博物馆设计方案

1工程概况博物馆规划建设用地面积24133.7㎡，总建筑面积63390㎡。建筑高度(檐口)36.4m，地上5层，地下2层，地下3层为2．2m层高的设备夹层。工程性质为大型综合性博物馆建筑。其中地上各层和地下1层南区为展陈、社教、科研、办公、保安、综合服务等功能区，由三大部分组成：椭圆斜展厅、矩形基本展厅、行政办公区(见图)1)地下1，2层北区为地下车库，地下2层南区为藏品库、设备机房、人防等。博物馆是一座全面反映中国悠久历史、灿烂文化、革命传统和现代化建设成就，展示国际大都市风貌的博物馆。馆内展示和珍藏着代表中华民族五千年历史的重要文物。消防系统的设计不但要重在防，而且要重在灭。除设有普通的消火栓系统和自动喷水灭火系统外，还设有水喷雾灭火系统、智能消防水炮系统、气体灭火系统等特殊的消防措施。2消防总水量的确定消防水池容积按所有水消防系统同时作用来计算，显然是不经济也是不可能的，消火栓系统和自动喷水灭火系统是全方位保护，任何一处着火，两个系统都要发挥作用。水喷雾系统为锅炉房服务，水炮系统为礼仪大厅服务，两系统都是局部保护。很明显，水喷雾系统和水炮系统不可能同时作用，但两系统是否会与自动喷水灭火系统同时作用呢?笔者认为，可从两方面来考虑：一是从一处着火考虑。锅炉房是一个独立的防火分区，内部只是水喷雾系统。一旦着火，除水喷雾系统作用外，锅炉房以外的消火栓系统协助灭火。这种情况，水喷雾系统不与自动喷水灭火系统和水炮系统同时作用。二是从安全角度出发。锅炉房着火，不排除波及邻近区域的可能性，邻近区域的自动喷水灭火系统将作用。所以，可以认为水喷雾系统与自动喷水灭火系统和消火栓系统同时作用。两种可能性都是存在的。礼仪大厅也同此考虑。针对博物馆的重要性，消防水量的确定还是要保守一些。所以，有两种同时作用的系统组合，一种组合是水喷雾系统、自动喷水灭火系统、消火栓系统；另一种组合是水炮系统、自动喷水灭火系统、消火栓系统。消防水量按上述两种组合的较大值确定为650m3，计算见表1。3消火栓系统室内消火栓水量30L／s，延续时间3h。系统为稳高压制，竖向不分区。系统示意见图2。馆内防火分区的分隔，多处设置了防火卷帘，防火卷帘的种类与水消防系统密切相关。根据“高规”第5．4．4条的条文说明，如采用无机复合特级防火卷帘，则不需水冷却。但此种防火卷帘轨道较宽，建筑空间美观受到影响，为此建筑要求采用汽雾式特级防火卷帘(“高规”条文说明第5．4．4条将此种卷帘纳入了特级防火卷帘之列)。其作用机理是：当火灾发生时，感温阀开启，帘节内充水，水满外溢形成“水帘”，火场高温致使部分水汽化，在水汽双重作用下，把帘面的温升始终限制在一个极低的水平，进而有效阻断火灾蔓延。既然是特级防火卷帘，就意味着不设置独立的喷水灭火系统。所以，汽雾式特级防火卷帘所需要的3h冷却水从附近的消火栓管道接至卷帘，由68℃感温阀控制水路开启。消防水池的容积和消火栓加压泵均考虑了这部分水量。由于水量很小，不但对消火栓系统影响不大，而且简化了系统。4自动喷水灭火系统4．1设计流量的确定(表2)自动喷水灭火系统设计规范(简称“自规”)第9．1．3条要求设计流量按作用面积内的喷头实际流量之和计算，喷头布置疏密影响设计流量的大小，这与喷水强度与作用面积的乘积是有出入的。精确计算应经水力计算算出每个喷头的流量。而往往在喷头布置之前就要确定设计流量，我们就按喷水强度乘作用面积，再乘一个1．3的安全系数确定设计流量，本工程自动喷水灭火系统设计流量按表1各部位的最大值确定为28L／s。施工图完成后，经水力计算复核每个喷头流量，与设计流量基本吻合。4．2系统的选择系统为稳高压制，竖向不分区，见图3。展厅和汽车库为预作用系统，其它部位为湿式系统。预作用系统平时管内充有低压气体，烟、温感探头感应到火灾信号(此时还没有达到喷头的感应温度)后，打开预作用阀，系统排气充水并启动加压泵。在喷头动作之前，如发现是误报警，手动停泵。这样，有效地防止了系统误喷所造成的损失。所以，预作用系统适用于能用水消防并绝对防止误喷的场所及有冰冻危险的场所，用来代替干式系统。展厅是博物馆的重要区域。展出的展品虽不一定遇水就会完全损坏，如青铜器、古代兵器等，但这些历代保存下来的精品都是经多工序修复而成的。如果浸水，或多或少对文物都是不利的。而展厅又是人流密集的地方，为防止产生误喷，所以除精品展厅以外的所有展厅都采甩了预作用系统。车库内没有采暖系统，为满足防冻要求，可为干式系统或预作用系统。但为了使系统具有一致性，车库内也采用预作用系统。只是两者的目的不一样，前者是防止误喷，在电气控制上设置了烟、温感双路探测器；后者是防冻，只设置了单路火灾探测器控制系统的启动，从而节省了一半的探测器。4．3预作用系统的几点探讨4．3．1充水时间的控制“自规”第8．0．9条充水时间不宜大于2min。这个时间如何控制呢?目前没有精确的计算方法，设计者往往也不太重视，审图者也无从考证。笔者认为，只能从控制管道容积入手。一套预作用报警阀所带的喷头数是一个因素，最重要的是管道容积不能太大。预作用系统的充水过程首先是靠屋顶消防水箱重力向管道充水，再反映到报警阀的压力开关报警，启动加压泵向系统充水。从电磁阀打开充水，到加压泵启动，这个过程是非常短暂的，可以认为充水过程是由加压泵来完成的。加压泵在设计工况下运行，流量30L／s，2min内的水容积为3600L(假定管内气体全部排尽，其实是不可能的，这个问题在4，3．2中探讨)。所以，一套预作用报警阀后的管道容积小于3600l，才能保证充水时间小于2rain。当然，要逐段计算管道容积比较繁琐，一种较为简捷的方法供大家参考：支管均按平均管径DN40计，干管按DNl00计，量出支管总长和干管总长，即可算出管道容积，表3是预作用系统在不同喷水强度下要保证充水时间所要求的最大管道容积。4.3．2排气阀的设置“自规”中只要求预作用系统应设排气阀，但设在何处、设几个都没有规定，致使设计中排气阀的设置五花八门。下面以图4为例分析一下预作用系统只设置一个排气阀的充水过程。探测器感应到火情，同时打开预作用阀上电磁阀和排气阀前的电磁阀，充水和排气是同时进行的。如着火区没有排气阀，则在充水时，着火区的喷头未打开之前，气体排不走。管内的低压气体在高压水作用下受压缩，着火区管网内充不进水或充水缓慢，致使火情扩大；温度达到喷头的温级，喷头才爆裂排气。这就失去了预作用系统的功能。所以，笔者认为排气阀应多设，每个支干管的末端设一个。但排气阀越多，电气控制点也越多，成本也提高。关于排气阀的设置，在此只是抛砖引玉地提出来。如何设置才能充分发挥预作用系统的功能，有待同行商榷。4.4大流量喷头的采用本馆内有一个10m高的展厅，标准喷头在大于8m的场合已不起作用。但对于这样重要的场所，又不能没有任何防火措施。在设计中，参照“自规”中用于高架仓库的快速响应早期抑制喷头的有关要求，选用了流量系数K=360的大流量喷头用于10m高的展厅内，一个喷头钓流量为8.7L／s。如按标准喷头的间距布置喷头，作用面积内的流量就远远大于设计流量，显然是不合适的，但“自规”中又没有这种特殊喷头的间距要求。为此，我们根据喷水强度和流量系数计算出喷头的最大间距。喷水强度6L／(min·m2)，流量系数K=360，最大保护高度10.7m，喷头最小压力0.21MPa。4.5机械停车位的喷头布置(汽车库、修车库、停车库设计防火规范)(GB50067—97)第7.2.3.2条要求：“机械停车位的托板位置分层设喷头。”怎样使喷头既不影响托板的升降，又能直接喷向车位呢?见图5。喷头数量是按上下两层计算，还是按单层计算，也是众说纷纭。笔者认为：机械停车位的托板是满足耐火极限的钢制材料，如果下部车位着火，火焰在上升的过程中受托板的阻挡，向两边蔓延，感应托板下的侧喷头动作，由于室内车库不受风向的作用，火焰继续向临近车位的上方蔓延，波及临近车位的上部喷头动作。如果上部某一车位着火，火势向上蔓延，下层喷头更不可能动作。由此可见，机械车位的上、下喷头不是同时动作的，所以报警阀所带喷头数按单层计算，水量也按单层动作计算是可行的。5水喷雾灭火系统“高规”第7．6．6条强制规定：高层建筑内燃气锅炉房应设水喷雾灭火系统％。系统设计根据水喷雾灭火系统设计规范(GB50219—95)(简称“雾规”)进行。5．1设计参数的确定“雾规”中对锅炉房的设计喷雾强度与持续喷雾时间没有作出具体规定，表3．1．2只有可燃气体生产、输送、……的防护冷却的喷雾强度9U(minm2)比较接近于燃气锅炉的条件，但冷却时间为6h。在当时没有其它依据的情况下，设计取用了该参数。新近发行的地方标准民用建筑设置锅炉房消防设计规定(DBJ01—614—2002)中第5．2．3条明确规定：燃气锅炉房的水喷雾灭火系统应按防护冷却设计，喷雾强度为9L／(mln·m2)，喷雾时间为1h。前者与后者的喷雾强度完全吻合，喷雾时间相差甚大，则消防水量就相差5倍。这样一来，设计人员就很难掌握，导致设计结果多种多样。笔者认为：“国标”与“地标”有矛盾的地方，理应按“国标”执行。但“国标”对某一对象没有明确规定的情况下，可以参照“地标”执行。所以在以后的设计中，锅炉房的水喷雾系统设计参数按“地标”取值是可行的。当然，尽快完善统一各种法律、法规，使设计取值有据可依，是广大设计人员所希望的。5．2喷头的选用和布置按体积保护法布置喷头，一台锅炉的长、宽、高分别为4.5m，2.5m，2.5m，则表面积S为46．25m2(取50m2)。最不利喷头压力P=0.2MPa，平均喷头压力取0．35MPa，喷水强度9L／(min·m2)，计算流量1.1Qj=1．1X9X50／60=8.25L／s。选用ZSTW63—120水雾喷头，K=26.72，雾化角度喷头按矩形布置，喷头距锅炉的距离B=1m，保护半径故R=1.73m，喷头间距I=1.4R=2．4m。每个喷头的流量：水雾喷头的计算数量：水雾喷头的实际数量取10个，见图6。系统计算流量10X50／60=8．3L／s：系统设计流量1．1X8．3：9．2L／s(实际取10L／s)。6智能消防水炮系统6．1问题的引出馆内34m高的礼仪大厅是几个展厅的重要枢纽，也是举行重大集会及礼仪活动的场所，人流密集，火灾危险性大。对这样重要的场所，现行的消防规范已无法满足。自动喷水灭火系统无能为力。规委关于“博物馆新馆初步设计审查的批复”中提出：“特殊的消防问题还须组织专题论证，以市消防局发文为准，其中地下文物库和中央大厅的消防问题应作为重点。”据此，消防局组织了专家专题论证会，在“首博新馆消防安全专家论证会会议纪要”(消办会字[2002]2号文)中提出：“礼仪大厅顶部可开启外窗与大气相通，厅内设计消防车通行车道，可视为室外空间。……结合建筑实际情况考虑礼仪大厅的适当部位增设消防水炮。”6.2设计依据在没有现行规范的情况下，参照固定消防炮灭火系统设计规范(报批稿)以下简称“报批稿”和产品样本进行水炮系统的设计。6.3水炮的合理选型水炮的射程与其炮口的压力和流量成正比关系。水炮系统合理的流量和射程与其要保护的空间大小密切相关，水炮位置的设置既要考虑对建筑平面的影响，又不能使水炮射程太大。射程大，炮口压力和流量就大，势必增加基建投资。“首博”礼仪大厅的消防水炮位置见图7。水炮的最远射程S计算为55m(图8中，A点为最远保护点)从产品样本中可根据水炮的射程选定额定压力和流量。“首博”的水炮参数为：射程55m，额定压力0.8MPa，流量20L／so6.4水炮系统的水量计算根据“报批稿”4.13条“消防水炮的水量应按同时使用的水炮及供水管网的充水量之和计算”4.5．7条“在人员密集的公共场所室内大空间建筑物内配置的消防水炮应能使两门水炮的射流同时保护任一部位。……水炮作用时间1小时”。所以，水炮系统的用水量为两门水炮1h的水量与水炮管网容积之和，水炮加压泵的供水量为两门炮的流量。6．5水炮系统的构成消防水炮系统由火灾探测器、火焰定位器(位于水炮炮口上)、