博物馆的消防设计及启示

　　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。

 

　　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。

 

　　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3 h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。

 

　　4．1 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28 L／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，2 min内的水容积为3 600 L (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3 600l，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8.7 L／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0.21 MPa。 

 

　　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。

 

　　“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(min m2)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1 h。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4.5 m，2.5 m，2.5 m，则表面积S为46．25m2(取50m2)。

 

　　最不利喷头压力P=0.2 MPa，平均喷头压力取0．35 MPa，喷水强度9 L／(min·m2)，计算流量1.1Qj=1．1X9X 50／60=8.25 L／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 1．1X 8．3：9．2 L／s> (实际取10L／s)。

　　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55 m(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／so

 

　　6.4 水炮系统的水量计算

　　根据“报批稿”4.1 3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1 h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)、消防水炮、解码器、电磁阀、手动控制盘、信息处理主机、控制程序及管道系统组成。其中，解码器由功率趋动模块、微处理模块、远程通讯模块和数据采集模块组成。它提供了消防水炮的驱动、状态反馈、火焰定位和远程通讯四项基本功能。从“报批稿”4．1．3条的理解，消防水炮管网可以为空管系统，且消防车可以直接进入大厅协作灭火，故消防水炮系统不必要再设置为消防车接口的水泵接合器。系统见图9。

 

　　6．6 水炮系统的控制(见图10)

　　双波段火灾探测器将火灾探测和图像监控有机结合在一起具有同时获取现场火灾信息和图像信息的功能。将采集到的彩色或黑白视频信号经视频同轴电缆或其它图像传输设备送回控制中心，经视频处理设备送至图像显示设备、图像记录设备及信息处理主机显示器上，实现图像监控功能。

 

　　数控消防炮解码器是远程自动控制设备，采用微处理模块作为控制核心。可以在控制中心根据双波段火灾探测器传输的图像信息，自动或手动控制电动阀开关和炮口的定位，可对水炮进行上、下、左、右的方向控制，也可以由信息处理主机与其通讯实现远程自动控制，最远控制距离达1 200m。自动状态下，火灾初期，由于起火点可能不在消防水炮定位器的视角范围内，软件控制消防水炮以每次 角自动地从左往有、自上而下进行扫描，直到找准着火点，消防水炮自动对起火点进行精确定位，并在定位过程中进行火灾确认，然后根据系统设计，自动启动电动阀和消防水泵进行喷水灭火。程序控制还可根据探测到的火灾大小，数控启动一门或两门炮。

 

　　控制中心一般设在消防控制室内，包括信息分析处理设备，视频处理设备(图像切换、显示、记录设备)，以及火灾报警设备。该部分主要实现监控现场的信息分析，火灾信息提取，火灾报警等功能。

 

　　6.7 小结

　　智能型数控消防水炮是集远程通讯，火灾探测报警，火焰自动定位和灭火等多项功能于一身的消防设备。它具有体积小、报警及时、灭火迅速、水渍圬染少等优点，在大空间场馆有不可替代的作用。当务之急是出台相应的法规，使设计有据可依。

　　7．1 气体消防部位的确定

　　博物馆的藏品库是全馆的心脏，大量的国粹、国宝存放在此，特别是一些珍品文物如丝织品、精品字画、文房四宝、竹木漆器等均是易燃晶，且一旦浸水损坏，对国家会造成重大损失。这些部位首选气体消防。另外一些文物库，如钱币库、青铜器库等，虽然遇水不会完全损坏，但这些文物都是经过特殊修夏而成的，遇水损失是无法估计的。且如果用水喷淋，水溅损失可能会波及到其它文物库。经过比较，地下29个文物库总面积近1万m2的库区，全部采用气体灭火系统。

 

　　展厅是博物馆的窗口，这里向人们展示中华民族的传统文化，厅内人流密集，火灾危险性大。如果所有展厅均采用气体灭火系统，当然是万无一失的，但对于这样大体量的展厅，气体灭火系统投资巨大，所以根据展厅内展品的重要程度，采用不同的消防措施，以节省投资。将重要文物的展出集中在三个精品展厅内，厅内采用气体消防系统，这也与“高规”第7.6.8.4条“一级纸、绢质文物的陈展室应设气体灭火系统”的条文相吻合。

 

　　文物修复中心是博物馆的“门诊部”。这些部门的安全性对文物的存放和展出至关重要。因此，采用气体消防系统。

 

　　控制中心、电话机房、消防中心一旦发生火灾，遇水将使全馆系统陷入瘫痪，气体消防能使火灾消灭在萌芽阶段，不至于对设备造成破坏。

 

　　7．2 气体消防系统的选择

　　随着哈龙1211，1301的逐渐淘汰：各种替代品相继涌现。目前在国内有成功使用经验且技术成熟的产品主要有七氟丙烷(FM200)和烟烙尽(1G541)。因此，我们主要从这两种气体中选择。

 

　　气体消防系统设计的宗旨是：所用气体灭火剂必须是绿色环保气体，系统设计不但要以人为本，而且要以文物为本。所选气体不能对人体有害，对展品、文物、计算机、电子设备不产生任何破坏作用，且产品技术成熟。两种灭火剂的性能比较见表4。

 

　　综上所述，IG541和FM200都属于洁净、环保的灭火药剂，具备良好的灭火性能。究竟哪一种产品更适合于文物保护呢?

 

　　FM200输送距离较短，目前较成熟的设计软件最大可计算到70—80m。这就决定了瓶站需靠近防护区设置。并且FM200喷放过程中在高温条件下有少量的氢氟酸产生，对人体有害，对保护对象有腐蚀性。喷放时间越长，产生的酸性物质越多，这也是FM200必须在10s内喷放完毕的原因，但国内外用FM200。保护文物类对象的实例也不少，至于FM200气体对文物产生多大的危害，还有待考证。

 

　　最重要的是，博物馆的文物库是个安全性要求极高的地方，库区内不能有任何与文物无关的设备物品。这就要求钢瓶站必须设置在文物库区的安全通道之外。对29个文物库近1m2的库区保护的钢瓶输送距离最长达150m2左右，因此，在决定采用何种灭火系统时不能不考虑这个问题。针对这一特殊性，只有烟烙尽系统对输送长距离、大范围的防护区的应用技术是比较成熟的(系统分区示意见图11)。

 

　　为弥补FM200输送距离短的不足，美国大湖公司新推出一种备压式FM200气体灭火系统。它与贮压式系统的最大区别是：贮压式系统的药剂瓶内平时将药剂和氮气同时贮存在钢瓶中，钢瓶内压力为2.5MPa，喷放时由氮气推动FM200气体向管网输送。氮气在钢瓶中需占一定比例，才能推动FM200气体。国际上成熟的NFPA和ISO有关洁净气体规范中，严格规定FM200在钢瓶中的最大充装比为1150kg／m3；备压式系统平时将FM200药剂和加压氮气分开贮存，氮气瓶的压力为12．4MPa。只有在系统启动时，才将氮气注入到FM200药剂瓶中，注入时控制氮气压力的范围为2．06～2．27MPa。由于药剂瓶中没有氮气，所以钢瓶中的充装比没有严格限制，对同一大小的防护区来说，备压式系统所需钢瓶数比贮压式系统所需钢瓶数要少，而减少的钢瓶数被增加的氮气瓶数所取代，所以，备压式系统和贮压式系统所需瓶站面积没有太大区别，而输送距离大大加长。如本工程FM200的最大输送距离为162 m，该备压式系统可满足使用要求。该产品能同烟烙尽系统一样，钢瓶间集中设置，具有占地面积小，安全性高的优点。在“首博”项目中，只要投标商在不改变原有管道设计的基础上，经计算能满足要求，也不排除采用备压式FIVl200系统的可能性。该项目的气体灭火系统正处于招标阶段，待定标后，还需配合二次设计。到时，笔者将作专题介绍，在此不再赘述。

 

　　博物馆建筑对防火安全的要求是其他民用建筑无法比拟的。其消防系统的设计关系到百年大计随着越来越多像博物馆这种特殊建筑的出现，新型的消防措施也会不断涌现。我们期待着相应的法律法规相继出台。