常大体育馆平面防火及气体灭火系统设计.doc
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常州大学体育馆消防工程设计
课程设计的目的
消防设计是确保建筑安全性的重要方面。
国内外大量火灾事例说明，未做出科学合理的防火设计，或未按照防火设计进行施工，而留下火灾隐患，是日后造成火灾事故的起因。
所以，从工程技术的角度来看，只是科学的防火设计和严格的工程施工相结合，才能为建筑预防火灾与爆炸灾害及安全提供可靠保障。
课程设计是综合性实践环节，是对平时作业的一个补充，课程设计应选择课程的主要理论与计算问题，这些问题由于工作量大而不适合平时作业。
通过课程设计可达到综合性训练的目的。
本课程设计的目的是让学生能认识建筑火灾发生和发展的规律，掌握建筑消防设计的基础知识和基本技能，了解建筑消防的新技术和新设备，提高建筑消防设计科学性、合理性和有效性意识。
使学生融会贯通本课程所学专业理论知识，学生分组完成指定章节，共同完成一个较完整的设计计算过程，以加深对所学理论的理解与应用。
培养学生综合运用已学的基础理论知识和专业知识来解决基本工程设计问题的初步技能，全面分析考虑问题的思想方法、工作方法以及计算、绘图和编写设计文件的能力。
1.体育场简介
常州大学武进校区体育馆位于常州市武进区滆湖中路以南、常武路东侧，科教城的西北角，是由常州大学与武进区人民政府共建的一座现代化功能综合性体育馆。
体育馆用地面积为36800m2，总建筑面积18518m2，于2010年8月竣工投入使用，工程总投资约1亿元人民币。
本体育馆属于乙级中型体育馆，可举办地区性和全国单项体育比赛，也可容纳文艺演出、师生集会等功能。
建筑分东西两个馆，分别为主馆和训练馆，建筑地上3层，局部地下1层（消防泵房等）。
建筑高度为23.95m。
主馆场地长47.2m，宽38.4m，可进行篮球、排球、羽毛球、乒乓球、跆拳道、击剑、武术、手球等比赛。
场地东侧为主席台，可临时搭台作为会议主席台使用。
场地周围设置了贵宾接待、运动员更衣以及各种赛事用房休息室。
主馆的观众入口位于建筑西侧，由西侧大台阶进入位于二层的入口平台。
主馆可容纳观众4998人，其中固定座位3622席，活动坐席1376个，可举办会展面积3300m2。
副馆位于主馆东侧，副馆的西侧靠近主席台为篮球训练馆，东侧为三层练习用房。
副馆中央为三层高采光中庭。
副馆北侧为游泳馆。
游泳馆在东侧设有单独门厅，开放时不影响学生锻炼。
游泳馆一层为泳池机房层，二层设置男女更衣室各一间，泳池为长25m、宽16m的温水短池，三层附设健身房、斯诺克等锻炼用房。
建筑南、北侧广场机动车停车位300辆。
该体育馆分为比赛区、比赛辅助用房区、训练区。
比赛区以比赛场地为核心空间采用“U”字形布局。
训练区高三层，以一个室内采光中庭作为空间核心组织各个训练用房。
篮球训练馆位于体育馆中部，游泳馆位于训练区二层的东北角，为25m短道泳池，有单独出入口。
体育馆屋顶西高东低，檐口厚度不断变化，呈现出一种线性的动态。
体育馆南面从东到西有一通长坡道，连接了东西面的观众人行入口，使西侧入口广场和东南 部入口广场取得连通。
该体育馆建筑工程设计等级为二级，结构使用年限为50年。
体育馆地上建筑耐火等级为二级，地下建筑耐火等级为一级，主结构为框架结构体系，屋面为大跨钢结构，局部为混凝土结构。
该体育馆的建筑单层平面图见CAD图。
2.体育馆的消防设计
2.1建筑平面防火设计
2.1.1建筑分类及危险等级
按照我国国家标准《建筑设计防火规范》对建筑物高度，用途，危险等级进行分类：
①根据建筑高度和层数：
体育馆为多层建筑
②根据用途：
体育馆属于重要的公共建筑物
③根据建筑物、构筑物危险等级的划分：
体育馆属于轻度危险等
2.1.2耐火等级与防火间距
（1）根据《建筑设计防火规定》GB50016-2014可知，重要的公共建筑应采用一、二级耐火等级的建筑，则常州大学体育馆耐火等级为一、二级，主场馆，羽毛球馆，跆拳道馆，瑜伽馆，乒乓球馆，游泳馆，武术馆等面积均小于2500平方米，都可以作为独立的防火分区。
如下图表2—1。
耐火等级
允许建筑高度或层数
防火分区的最大允许建筑面积（㎡）
备注
一、二级
按本规范第5.1.1条确定
2500
1、体育馆、剧院的观众厅，展览建筑的展厅，其防火分区最大允许建筑面积可适当放宽
2、托儿所、幼儿园的儿童用法和儿童游乐厅等儿童活动场所不应超过三层或设置在四层及四层以上楼层或地下、半地下建筑（室）内
三级
5层
1200
1、托儿所、幼儿园的儿童用法和儿童游乐厅等儿童活动场所、老年人建筑和医院、疗养院的住院部分不应超过两层层或设置在三层及三层以上楼层或地下、半地下建筑（室）内。
2、商店、学校、电影院、剧院、礼堂、食堂、菜场不应超过2层或设置在三层及三层以上楼层。
四级
2层
600
学校、食堂、菜场、托儿所、幼儿园、老年人建筑、医院等不应设置在二层。
地下或半地下建筑（室）一级
500
设备用房的防火分区最大允许建筑面积不应大于1000
表2—1不同耐火等级建筑的允许建筑高度或层数、防火分区最大允许建筑面积
（2）常州大学体育馆其自身耐火等级为一二级，由下表可知，其与相邻耐火等级一二级建筑物之间的距离应不少于6米。
建筑类别
高层民用建筑
裙房和其他民用建筑
一、二级
一、二级
三级
四级
高层民用建筑
一、二级
13
9
11
14
裙房和其他民用建筑
一、二级
9
6
7
9
三级
11
7
8
10
四级
14
9
10
12
表2—2民用建筑之间的防火间距（m）
2.1.3消防车道
1、建筑用地及周围环境情况
建筑用地位于常州市武进校区滆湖中路以南,常武路东侧,武进东校区的西北角,体育馆用地面积为3680平方米，建筑面积18155平方米，其位置相对独立，周围环境空旷，且与其他建筑物之间距离较远，保证其相对的安全性和便于人员疏散。
环绕体育馆四周，有可供消防车道使用的道路。
2、建筑红线的确定以及消防车道的计算
常州大学体育馆外侧道路为四级以上干道，公路两侧建筑红线控制区的范围不必过宽，从交通安全角度考虑，公路红线控制宽度在3-20米即可。
《建筑设计防火规范》规定超过3000个座位的体育馆、超过2000个座位的会堂和占地面积大于3000m2的展览馆等公共建筑，宜设置环形消防车道。
消防车道应符合下列要求：
车道的净宽度和净空高度均不应小于4.0m；转弯半径应满足消防车转弯的要求；消防车道与建筑之间不应设置妨碍消防车操作的树木、架空管线等障碍物；消防车道靠建筑外墙一侧的边缘距离建筑外墙不宜小于5m；供消防车停留的空地，其坡度不宜大于8%。
环形消防车道至少应有两处与其他车道连通。
尽头式消防车道应设置回车道或回车场，回车场的面积不应小于12.0m×12.0m；供重型消防车使用时,不宜小于18.0m×18.0m。
消防车道路面,救援作业场地及其下面的管道和暗沟等，能够承受重型消防车的压力。
消防车道可利用交通道路,但应满足消防车通行、转弯和停靠的要求。
根据以上要求可知，常州大学体育馆应设置环形消防车道，并且消防车道应有两处与其他车道连通。
消防车道的净宽度应该为4米。
供消防车停留的空地坡度小于8%。
回车场面积不宜小于18.0m×18.0m。
消防车的转弯半径应为12m,一些特种消防车的转弯半径在16m到20m之间。
2.2气体灭火系统设计
2.2.1工程概况
该工程为体育馆气体消防工程，首先明确建筑物本身的建筑特点和功能特点，了解该建筑一层的防火工程设计中其它专业的设施及消防专业的设计要求，然后根据有关规范对建筑物定性，确定系统的总体结构。
按照气体灭火设计规范，该楼层配电室不能应用水喷淋，因此选用气体灭火系统方案，以确保消防灭火系统的可靠性。
2.2.2设计依据：
1、《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）2014年版；
2、《气体灭火系统设计规范》（GB50370-2005）；
3、《气体灭火系统施工及验收规范》（GB50263-2007）；
2.2.3气体灭火系统主要设计原则
（1）灭火系统一般为全淹没气体灭火系统。
（2）每个系统按同一时间只发生一次火灾考虑。
（3）组合分配系统保护区域数量最多8个。
（4）组合分配系统的灭火剂储存量，按最大的防护区的量确定。
（5）组合分配系统保护区域备用量充装最长72h.
（6）防护区最低环境温度：
20℃。
2.2.4系统设计
采用七氟丙烷气体灭火系统组合分配系统；系统设计技术参数及详细计算过程见《设计计算书》
2.2.5系统启动方式
控制系统有以下三种启动方式：
自动控制、手动控制（手操电动）、紧急机械控制；在有人值班时可采用手动控制形式，在手动/自动控制故障时采用机械应急控制方式。
1、自动控制方式
控制系统处于自动状态时，系统自动完成火灾探测、报警、联动控制及灭火整个过程。
动作步骤如下：
第一步：
防护区内的一组探测回路探测到火灾信号后，控制盘启动防护区外的警铃，同时控制盘向数据中心火灾自动报警系统提供火灾预报警信号。
第二步：
同一防护内的另一组探测回路探测到火灾信号后，控制盘启动防护区内的声光报警器，通知区内工作人员迅速撤离防护区至安全地点，区外的人员切勿进入防护区。
同时向数据中心火灾自动报警系统提供火灾确认信号并进入延时状态（0--30秒可调）；
在延时过程中，控制盘输出有源信号启动该区所对应的选择阀并同时关闭防护区防火阀、空调、排风扇等设备，如在延时阶段发现是系统误动作或防护区内确有火灾发生但仅使用手提式灭火器和其他移动式灭火设备即可扑灭的情况下，工作人员可按下设在防护区门外的紧急停止按钮以停止七氟丙烷气体灭火系统的启动；如需继续启动七氟丙烷气体灭火系统，则只需将手/自动转换开关切换为自动或按下紧急启动按钮即可完成七氟丙烷系统的喷放过程。
第三步：
30秒延时结束后，控制盘输出有源信号启动防护区对应的启动钢瓶的电磁阀，气体灭火系统启动，气体通过管网进入防护区。
此时，管路上压力开关的触点开关动作并将气体释放的信号传至数据中心火灾自动报警系统及控制盘，由控制盘启动防护区外的气体释放指示灯箱。
防护区内的声光报警器以及气体释放指示灯箱在灭火期间将一直工作，警告所有人员不得进入防护区，直至确认火灾已经扑灭，系统复位。
2、手动控制方式（手操电动）
手动控制是指控制盘处在手动工作模式下，在接到紧急释放按钮的指令后，控制盘自动实施联动控制并释放灭火剂；或用设置于防护区外的紧急放气按钮手动操作紧急放气（电动）。
手动控制方式一般用于：
A当就地控制盘处于手动工作模式下，现场工作人员发现防护区内发生了火灾，而且是使用手动式或移动式等简易灭火设备无法扑灭的，这时工作人员应马上打开紧急放气按钮的黄色保护面盖，按下里面的红色按钮，强制控制盘实施联动控制启动七氟丙烷气体灭火系统，而无需等待自动启动系统，以节省时间，减少损失。
B当就地控制盘处于自动工作模式下，现场工作人员发现防护区内发生了火灾，而且是使用手动式或移动式等简易灭火设备无法扑灭的，这时工作人员亦可采用这种方式强制控制盘实施联动控制并启动七氟丙烷气体灭火系统。
这时系统反应如下：
i防护区内的声光报警器启动，通知区内工作人员迅速撤离防护区至安全地点；
ii控制盘输出有源信号启动该区所对应的选择阀并关闭防护区防火阀；
iii30（可调）秒延时结束后，控制盘输出有源信号启动防护区对应的主钢瓶的电磁阀，七氟丙烷气体灭火系统启动，气体通过管网进入防护区。
此时，管路上压力开关的触点开关动作并将气体释放的信号传至数据中心火灾自动报警系统及就地气体灭火控制盘，由就地控制盘启动防护区外的气体释放指示灯箱。
防护区内的声光报警器以及气体释放指示灯箱在灭火期间将一直工作，警告所有人员不得进入防护区，直至确认火灾已经扑灭。
3、紧急机械控制方式
紧急机械操作是指自动控制和手动控制均失灵或有必要时采用的一种应急操作。
该功能的实现是通过在瓶头阀上加装一个机械启瓶器，用人力来开启瓶头阀释放灭火气体。
当系统失灵或就地控制系统的自动操作（双回路探测）与手动操作（紧急放气按钮）方式均失灵而又发生火灾时，现场工作人员可采取这种方式强制启动气体灭火系统：
值班人员可先将发生火灾的防护区所对应的释放阀打开，然后扳动七氟丙烷钢瓶瓶头阀上的紧急操作手柄，七氟丙烷气体灭火系统会即刻启动施行灭火；此时，管路上压力开关的触点开关动作并将气体释放的信号传至数据中心火灾自动报警系统及就地气体灭火控制盘。
2.2.6系统技术接口：
1、与建筑专业的接口：
A、防护区及门、窗等的耐火极限不小于0.5h，
B、防护区和气瓶间的内压等级均不低于1200pa。
C、防护区的各种开口均应设置自动关闭装置。
D、防护区的门应向疏散方向开启，并能自动关闭，用于疏散的门必须能从防护区内打开。
E、气瓶间的门应采用甲级防火门并向外开启，且应直接通向室外或疏散走道。
2、与低压配电专业的接口：
A、低压配电系统应提供AC220V/50HZ的双路消防电源，接口位置设在各气体灭火系统的双电源控制箱的进线开关处。
B、气瓶间内应设置应急照明。
3、与通风空调专业的接口：
A、当火灾被确认后，气体灭火电控系统应输出DC24V有源节点信号，将防护区内的防火阀关闭、停止风机运行等，接口位置在防火阀的接线端子处及风机控制箱内的端子处。
防火阀关闭后及风机停运后应向气体灭火电控系统输出确认信号。
B、灭火后的防护区应通风换气，有直接通向室外的外开窗和门的防护区，将其打开进行通风换气；没有直接通向室外的外开窗和门的防护区，则通过原有机械排风系统进行通风换气。
打开窗和门时，应使用空气呼吸器，注意安全。
C、在正常使用期间，应保证储瓶间有良好的通风条件。
D、气体灭火控制屏旁或易于操作的地方，应装有开启排气机（扇）的按钮，用于气体释放后，启动排气机（扇）排出灭火气体。
4、与火灾报警专业的接口：
气体灭火系统与火灾报警系统是两个相对独立的系统，每个气体灭火系统向火灾报警系统发送以下信号：
a、系统气瓶及电控主机故障等系统故障信号（1个）。
b、每个防护区的第一路报警信号。
c、每个防护区的第二路报警信号。
d、每个防护区的气体释放信号。
接口位置为灭火电控箱。
2.2.7系统组成：
七氟丙烷气体灭火系统包括以下部分（但不限于）：
1）储存装置——由七氟丙烷储瓶、容器阀、引升管、单向阀和集流管等组成。
其中还包括泄压装置、钢瓶固定支架和喷放软管等。
2）释放阀及喷头——各防护区的释放阀、喷头。
3）控制操作装置——包括就地手动控制箱、机械应急操作机构。
4）灭火管网——包括管道、管件、管支架。
2.2.8系统安装：
A、管材：
灭火剂输送管道及配套管件采用内外镀锌无缝钢管，钢制管道附件采用内外镀锌。
B、连接：
管道的连接，当公称直径小于或等于80mm时，宜采用螺纹连接；大于80mm时，宜采用法兰连接。
C、房间（或天花）灭火系统管道宜紧贴大梁下布置，设计高度（相对房间地面）见各灭火系统的管网透视图。
D、为了保证喷头的喷射效果，喷头的附近不得有任何遮挡物。
E、防护区的泄压口宜设在外墙上，应位于防护区净高的2/3以上。
泄压口的设置大小见“技术参数表”，外墙的泄压口开口请甲方完成，同时考虑有的防护区为恒温恒湿保护，泄压口处装设玻璃。
为了保证玻璃在1200Pa压力以上破裂并不飞溅伤人，玻璃设划痕，并内外再装设不锈钢纱窗。
F、试压：
由于本气体灭火系统的特殊性决定管道不允许进行水压强度试验，故采用气压强度实验对系统进行试压，气压强度试验压力应为7.705Mpa。
G、在气瓶间1内有2个选择阀的高度为2.18m，故在该气瓶间内应放置1只小凳，以便在紧急情况时及时打开选择阀。
2.2.9空气呼吸器配置
每个防护区配置1套空气呼吸器。
2.2.10设计计算书
一、配电室的净容积表（配电室1由两相邻配电室组成单元）
防护区体积
房间
防护区实际容积（m³）
内部构件体积（m³）
防护区净容积（m³）
配电室
层高（m）
3.5
风管
6.92
123.96/127.81
面积（㎡）
38.88/39.98
柱
3.2
体积（m）
136.08/139.93
梁
2
二、计算步骤
1、确定灭火设计浓度
依据《气体灭火系统设计规范》（GB50370-2005）（以下简称《规范》）中2.3.4条规定，取C=8%，设计温度：
20℃
2、计算保护容积
配电间1：
V=136.08-6.92-3.2-2=123.96（m³）
配电间2：
V=139.93-6.92-3.2-2=127.81（m³）
3、计算灭火剂设计用量
依据《规范》中公式2.3.14，，其中k=1，
S=0.1269+0.000513×20（℃）=0.13716（㎡/kg）
W配电室1=78.59（㎏）；W配电室2=81.03（㎏）
采用组合分配系统取最大W=81.03（㎏）
4、设定喷头布置与数量
选用FL11型喷头，其保护半径R=6m。
故设定喷头为4只；按保护区域平均设置，两个配电间单元系统各设置2个。
5、选定灭火剂储存容器规格及数量
根据W配电间1=78.59㎏，选用2只70L的储存容器。
W配电间2=81.03㎏，选用2只70L储存容器，与配电间一共用。
6、绘出系统管网计算图，如下图。
7、计算管网平均设计流量
依据本规范中规定，取t=8s
1）主干管：
81.03/8=10.13（㎏/s）
2）支管：
㎏/s）
储存容器出流管：
81.03/1.5/8=7.72（kg/s）
8、选择管网管道通径
以管道平均设计流量，依据规范条文说明中第3.3.15条第6款图取。
9、计算充装率
系统存储量：
系统储存量：
Ws=W+△W1+△W2
管网内剩余量：
△W2=0（㎏）（规范3.3.14条之5：
均衡管网和只含一个封闭空间的非均衡管网，其管网内的灭火剂剩余量均可不计）。
储存容器内剩余量：
△W1=n×3.5=4×3.5=14（㎏）
充装率：
n=（81.03+14）/（3×0.5）=63.35（kg/m³）
10、计算管网管道内容积
11、选用额定增压压力
依据规定，选用P0=4.3MPa
12、计算全部储存容器气相总容积
13、计算“过程中点”储存容器内压力
14、计算管路损失
15、计算高程压头
16、计算喷头工作压力
17、验算设计计算结果
经计算△P12=0.057MPa，△P27=0.295MPa
喷头工作压力:
Pc=Po-Σ△P=3.37-（0.057+0.293）=3.018＞1.4（MPa），满足喷放要求
18、计算泄压面积
总之，管网计算的关键点及建审核算工作的要点:
1）从流量开始，确定管径、管长；
2）管径的选择应满足管流形式和喷头入口压力的要求；计算管网节点压力，顺序应为由流向的上游向下游进行
七氟丙烷系统：
1、以平均流量取代过程中的不定流量
2、确定相应于平均流量的压头—“过程中点”的确定
3、液相流修正的管流损失计算方法。
快速审核方法:
1、设计用量核算
2、泄压口面积核算
3、系统储瓶核算
4、记入剩余量的储瓶数核算
5、核查管网管径配置
6、减压孔板尺寸核算
7、管网长度核算
8、检验喷头总等效孔口面积。
参考资料
[1]程远平，消防工程学，中国矿业大学出版社
[2]张树平等，建筑防火设计，中国建筑工业出版社
[3]陈保胜，城市与建筑防灾，同济大学出版社
[4]建筑安全防火设计手册，河南科学技术出版社
[5]张树平等，现代高层建筑防火设计与施工，中国建筑工业出版社
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