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中國國家博物館的消防設計——大空間滅火

時間:2019-02-25 13:57:57 來源:建筑給水排水分會

 
中國國家博物館的消防設計
Fire protection design of The National Museum of China
車輝  衛海東
中國建筑科學研究院建筑設計院
【摘  要】
針對國家博物館改擴建工程中博物館建筑消防設計安全的特殊性,對本工程的消火栓系統、自動噴水滅火系統,大空間智能滅火系統、水噴霧系統、雨淋系統、氣體滅火系統等消防措施進行了系統介紹。同時對文物保護遇到的消防問題和大空間消防等一些技術問題及解決措施進行了探討。
Abstract
According to the particularity of fire protection design of The National Museum of China,this article introduces in detail the project fire protection system:fire hydrant system、 automatic sprinkler system、Large-space intelligent active control sprinkler systems、water spray extinguishing system、deluge system 、gas fire extinguishing system、etc. Meanwhile this article discuss the issues on fire protection : protection of cultural relics and fire protection in large space.
關鍵詞:國家博物館  消防性能化設計  文物保護  大空間智能滅火系統  氣體滅火系統
Key words: The National Museum of China; Performance-based Fire Design; Protection of cultural relics;Large-space intelligent active control sprinkler systems; Gas fire extinguishing system
 
1.     工程概況:
中國國家博物館不僅是首都北京天安門地區的標志性文化建筑,也是北京邁向國際化大都市的一個標志性建筑。改擴建工程完成后的中國國家博物館成為以展示歷史與藝術并重,集收藏、研究、考古、展覽、文化交流于一體的綜合性國家博物館。
國家博物館總建筑面積191900 m2,其中地上建筑面積115131 m2,包括保留的老館建筑面積35452 m2。老館原來沒有地下室,因此地下面積全部由新擴建的部分解決,共76769 m2。新館地上地下總面積共156448 m2。新館地上5層,地下2層。建筑高度42.50m。老館建筑高度26.5m,其中北側老館地上3層,南側老館地上經過內部加層后為5層。
建筑平面按博物館職能分為九大功能區:文物保管區、陳列展覽區、社會教育區、公共服務和活動區、業務與學術研究區、行政辦公區、武警用房、設備用房、地下停車庫。改擴建后的國家博物館建筑空間形式豐富,內部功能復雜多樣。
2.     消防系統概述:
國家博物館工程的消防設計有著特殊性,文物是博物館的根本,消防設計既要有可靠的防火和滅火措施,在保護人員安全的同時更要保證文物在火災和滅火時的安全,這為博物館的消防設計帶來巨大挑戰。
由于單體體量龐大、空間復雜、功能繁多、工藝及安防等方面要求高,出現了很多現有防火設計規范不能完全解決的問題,這也是目前在許多大規模的建筑設計中常常會遇到的。如果按照現行防火設計規范進行設計,建筑內的防火分區劃分、疏散寬度等將難以實現,也難以保證各功能區的有效使用和空間效果的完整。因此,針對防火設計中出現的一些特殊問題,沒有完全局限于國內的規范,而是引進國際先進的消防性能化手段進行分析,并進行了專家論證,以確保設計采用的消防措施的合理有效。
國家博物館的消防設計除了常規的消火栓系統、自動噴水滅火系統,還設置了大空間智能滅火系統、水噴霧系統、雨淋系統、氣體滅火系統、滅火器配置、廚房專用滅火裝置等消防措施。
3.     消防水量
消防用水由兩路市政給水管提供,各系統消防用水標準和用水量如下:
從既要保證安全又要考慮經濟性出發,避免盲目將所有消防水量疊加增加不必要的造價投資,根據博物館不同空間、不同功能區域可能發生火災時各個消防系統同時作用的需要進行組合分析,統計消防總水量如下: 
       注:自動噴灑系統以8~12m高大凈空場所水力計算結果90 L/s取值。
地下消防水池貯水量以三種組合中總水量大者確定。消防水池貯存室內消防用水量756m3,即包括3小時室內消火栓用水、1小時中危險Ⅱ級的自動噴灑系統及1小時雨淋滅火系統用水量。
為了使消防水池內的水能循環使用不造成死水,將用水量很大的冷卻塔補水與消防用水共同貯存在消防水池內,在冷卻塔補水泵吸水管上設置保證消防用水不被動用的措施,同時避免生活水箱過大保證生活用水的水質。
 
展覽
 
4.     消火栓系統
室內消火栓系統采用臨時高壓系統,豎向不分區。新館的屋頂設置高位消防水箱和穩壓設備。消火栓設計出口壓力控制在0.19~0.5MPa,栓口壓力超過0.5MPa的各層采用減壓穩壓消火栓。全樓設置消火栓,布置在明顯易于取用處。
地下文物庫區是博物館的重中之重,消防滅火措施有其特殊姓,在消防防護設計需要考慮的多項因素:庫區規模面積龐大,整體性強,不易按照常規防火分區面積進行區域劃分;庫房區作為禁區不對外開放,除庫房出入口,沒有通往外界的消防疏散口;庫區駐留人數少,除少量專業文物保管人員工作,沒有閑雜人員;庫區內存放有大量珍貴文物,根據文物質地歸類有書畫文物類、絲綢織繡皮革類、磚陶瓷玉器文物類、金屬文物類等,常規的消防防火措施極易對文物造成不可恢復的損壞。綜合上述多方面的特殊條件制約,文物庫房的消防設計采取了消防性能化分析的手段進行設計,確定消防設計方案。設計初期根據性能化分析,文物庫區的庫房房間內全部采用氣體滅火,走廊不再設置水消防設施;后經過多輪專家會論證審查討論結果,在庫區走廊補充了消火栓系統。但為了保障文物庫區內文物的安全,庫區走廊內消火栓系統獨立成環,環管入口處設置了電動閥,平時電動閥關閉,閥后管道泄空,消火栓管線為空管。文物庫區走廊各消火栓的啟泵按鈕與庫區入口電動閥和環管末端電動閥及快速排氣閥聯動,發生火災時按下啟泵按鈕啟動消防泵的同時打開電動閥,快速排氣閥打開排氣,管道內充水,轉入正常的濕式消火栓系統。在消防控制中心也可控制電動閥和快速排氣閥的開啟。火災結束后電動閥關閉,管道泄空。以上空管消火栓措施避免了因意外導致管道跑冒滴漏對庫區引發的水患,充分保障了文物的安全。
5.     自動噴水滅火系統
   除西入口大廳、中央大廳等空間凈高大于12米的場所,變配電室、消防、安防控制中心等電氣用房和不宜用水撲救的場所外均設自動噴水滅火系統。其中地下車庫考慮防凍、所有展廳、庫區外側文物走廊、文物管理區(除氣體滅火系統保護區域外)、科技保護中心、演播室部分附屬及后期用房、圖書資料中心等場所考慮防水漬的安全性采用預作用自動噴水滅火系統;其余區域均采用濕式自動噴水滅火系統。
地下車庫、圖書資料中心書庫、學術報告廳舞臺為中危險Ⅱ級,其余部位為中危險I級。常規區域(K=80)中危險Ⅱ級的設計噴水強度8L/min.m2,作用面積160m2;中危險級I級設計噴水強度6L/min.m2,作用面積160m2。靜空高度在8~12m的高大空間展廳(K=115),設計噴水強度12L/min.m2,作用面積300m2
新老館共設31套報警閥組,其中老館預作用閥3套、濕式報警閥5套;館預作用閥15套、濕式報警閥8套。因國博體量龐大,所有展廳的展品為防止誤噴均采用了預作用系統,為了保證預作用系統及時排氣,控制充水時間不大于2min,新老館報警閥間分散設置了14間。每個報警閥負擔噴頭數不超過800個,報警閥前的管道布置成環狀。預作用報警閥組配置有空氣壓縮機及控制裝置,其下游管網充有低壓空氣,監測管網的密閉性,空氣壓力0.03MPa~0.05MPa。火災時,保護區內兩路火災探測器都發出火災報警后,打開預作用報警閥上的電磁閥,同時打開著火區域管網末端電動快速排氣閥前的電動閥排氣,使閥前的壓力水進入管路,同時空壓機停機。預作用噴灑管路布置考慮大面積大系統采用多支干管末端均設置快速排氣閥,以保證管網的快速排氣快速充水,使系統迅速動作保障安全。
 
 
國家博物館新館
 
6.     大空間智能型主動噴水滅火系統
從天安門廣場沿西大臺階進入國博的西入口大廳,參觀者都會被這個大廳所震撼,它象征著新國博敞開寬廣的胸襟迎接八方來客。這座長260米、寬34米、高27米巨大的廳堂也被預設為舉辦一些大型活動和慶典儀式的場所。
出于建筑設計效果的要求,大空間區域無法設計普通固定水炮,根據消防性能化和專家論證會的結果,入口大廳作為獨立防火分區,在采用大空間智能型主動噴水滅火系統、提高機械排煙量的條件下,可以作為人員疏散的臨時安全區,保障人員疏散的安全性,其他區域的人員可以借用入口大廳進行疏散。
除入口大廳外,中央大廳等凈空高度大于12米且地面有火災荷載的部位同樣設置大空間智能型主動噴水滅火系統,選用自動掃描射水高空水炮滅火裝置,因施工圖設計時沒有國家相應的國標規范,此設計采用了廣東省標準。高空水炮最大同時開啟個數為3個,設計流量為15L/s。每個水炮的射水流量為5L/s,最大允許保護半徑32米,安裝高度8~35米,標準工作壓力0.6MPa。火災延續時間以1小時計。自動掃描射水高空水炮滅火裝置為探測器、水炮一體化設備。紅外探測組件全天候探測保護范圍內的一切火情,當探測器探測到火災后發出指令聯動打開電磁閥,啟動水炮加壓泵、高空水炮噴水滅火,同時驅動現場的聲光報警器進行報警,并將火災信號傳至火災報警器。撲滅火源后,裝置再發出指令關閉電磁閥,停止噴水并停泵。大空間智能型主動噴水滅火系統設有自動控制、手動控制和現場控制三種控制方式。這種大空間智能滅火裝置具有體積小易于安裝、報警及時滅火迅速的優勢,在大空間場所的使用將日趨成熟。
7.     水噴霧滅火系統
國博地下室設置了燃氣鍋爐房和柴油發電機房,采用水噴霧系統保護,鍋爐和柴油發電機均是兩臺。燃氣鍋爐房內按防護冷卻設計,設計噴霧強度9L/min.m2,,設計流量為23L/s,
火災延續時間1小時;柴油發電機房,設計噴霧強度20L/min.m2,設計流量為50L/s,火災延續時間0.5小時。3. 水噴霧系統設計流量50L/s,系統響應時間60s,最不利點噴頭工作壓力0.35MPa。地下消防泵房設三臺與雨淋系統合用的水噴霧消防泵,設置兩套雨淋閥組,分別設置在燃氣鍋爐房和柴油發電機房內。
8.     雨淋滅火系統
國博出于社會教育功能的需要設置了600平米的演播室,特邀觀眾將有機會近距離鑒賞國寶,還可以與現場嘉賓進行互動交流,感受文博名家深厚的文化底蘊。演播室獨立設置了雨淋滅火系統。
雨淋滅火系統按照噴灑規范嚴重危險Ⅱ級設計,噴水強度16L/min.m2,作用面積260m2,雨淋系統設計流量為90 L/s。系統采用開式噴頭,其開啟由火災探測器控制,雨淋閥開啟后,其閥后連接的所有灑水噴頭同時噴水。雨淋系統設3組報警閥,雨淋閥設置在演播室附近,便于根據演播需要現場手動操作管理。室外設6組DN150地下式水噴霧水泵接合器,流量15L/S,其中4組與水噴霧系統共用。雨淋系統設有自動控制、消防控制中心手動遠控和現場應急操作三種控制方式。
9.     氣體滅火系統
變配電室、文物庫區的庫房、文物管理區部分房間;網絡數據中心、演播室配套控制室等重要機房及檔案資料室等房間均采用了氣體滅火系統。
因為博物館項目的特殊性,氣體滅火系統除了像常規項目一樣設置于重要的機房外,其更重要的功能是保護博物館所藏文物的安全。根據消防性能化及專家會論證結果文物庫房在每間庫房均設置為防火單元并采取氣體自動滅火系統保護、主通道設置為避難通道等條件下,可以保證人員疏散安全性。此外文物管理用房的文物鑒賞室、文物征集庫等特殊房間均設置了氣體滅火系統。而氣體滅火系統的氣體介質選擇也是主要是針對保護文物庫區的文物為出發點來經過多方面比選確定,在此我們對比了技術相對成熟且常用的潔凈氣體IG541和七氟丙烷FM200。
綜上比較,氣體滅火的氣體介質采用了IG541,主要原因如下:
1)  從滅火效果來看,FM200與IG541對于A、B類火災的差別不是很大。
2)  從安全性考慮,對于文物庫房內收藏的珍貴文物, IG541對保護對象的安全性最高,不會造成腐蝕損傷,而且其對庫區工作人員人身健康也是無害的。
3)  從環保角度考慮IG541更適應綠色消防發展趨勢。
4)  從初期及后期費用出發,IG541因其物理滅火方式滅火效率較低,需要占用較大的鋼瓶間,初期投資較高,但氣體滅火系統的維護保養費用也是一個不容忽視的因素,IG541后期藥劑充裝費用相對較低可以降低后期的維護使用費用。
5)  從建筑布置條件來說,因文物庫區面積龐大且有極高的安全性要求,鋼瓶間需分區域貼臨設置于文物庫區外,氣體輸送距離很遠。IG541能發揮其輸送距離大的優勢。
最終國博的氣體滅火系統使用IG-541潔凈惰性氣體,采用組合分配系統進行保護。系統最小設計濃度37.5%,最大設計濃度43.0%;滅火時間限于1分鐘內。氣體滅火系統的控制,要求同時具有自動控制、手動控制和應急操作三種控制方式。
10.   滅火器配置
博物館全部以嚴重危險級等級配置磷酸銨鹽干粉滅火器。每個組合式消火栓柜下面設置2具3A的手提式磷酸銨鹽干粉滅火器;地下車庫和柴油發電機房配置183B推車式磷酸銨鹽干粉滅火器;演播室的文藝錄音室、錄音控制室、音頻工作站等后期制作用房,劇場報告廳的聲光控室、放映室均采用手提、推車式氣體滅火器。
11.   廚房專用滅火裝置
根據消防性能化及專家論證會的結果要求,所有廚房操作間設置了廚房專用滅火裝置。
12.   消防末端與精裝的配合的一點體會
為了保證設計高完成度的同時避免建設的浪費,設計團隊在施工圖基本完成后隨即開展了精裝修設計,避免了二次裝修在時間、造價上的浪費。國家博物館是中方與外方設計師合作的結晶,不僅要做到整體建筑設計的精益求精,建筑內部的精裝修效果也是追求完美。尤其在是德國建筑師的嚴謹甚至苛刻的要求下,所有機電系統的末端,包括消火栓、風口、燈具、噴頭等,在數量、位置上根據精裝修的模數和美觀要求,經歷了反復討論、反復修改的過程,最終實現了全專業的精裝修一體化設計。
消防系統的消火栓、自動噴灑噴頭、大空間自動掃描射水高空水炮都會對精裝造成影響。國博公共區的消火栓是在初設及施工圖階段貫穿與建筑溝通配合完成的,與精裝的矛盾在于精裝希望所有消火栓數量越少越好、位置越隱蔽越對稱越好,除了常規的墻體留洞暗裝,還需要增加一些假墻、利用或局部增加裝飾面龍骨的厚度、甚至在剪力墻預留從吊頂接下的消防支管墻洞等一些措施來協調滿足墻面效果,因此越早溝通越容易實現,后期修改量也越少。國博的吊頂形式也是豐富多樣的,不僅有常用的石膏板吊頂、還有入口大廳最吸引人的藻井吊頂、劇場的金屬絲網吊頂、前廳木格柵吊頂、各層展廳多形式的吊頂、貴賓廳的特殊造型吊頂等等。在精裝確定了燈具、風口形式等吊頂上的大末端后,噴頭這個小細節在國博也受到了前所未有的重視,每一個空間不同吊頂上的噴頭都經過了精裝的討論和確認。有些吊頂設計成燈具、風口和噴頭共存的模塊式風格;有些金屬貼木皮的格柵條的噴頭進行內部處理加裝了集熱板;有些變標高的區域增設噴頭;入口大廳的吊頂與鋼結構配合設計成上凹鋼梁,使水炮外露尺寸盡可能減小以保證藻井造型的整體感等等。與精裝的配合過程是既要保證國家規范的要求又要滿足視覺效果的協調過程,也是既要堅持原則又要開動腦筋想辦法的過程。希望每一個觀眾不僅能欣賞到氣勢磅礴大體量的新國博,也能從中體驗到內部每個細節的精美與內涵。
13.   結束語
國家博物館從方案中標到工程竣工歷經了近七年的時間,消防設計在消防性能化和專家論證會的指導下也經過了多次調整,以文物安全為根本出發點的消防設計是科學、合理地確定博物館消防系統形式、設計參數的前提和基礎。國博的消防系統也將為國家博物館的安全運行保駕護航。
 

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