科学设施实验中心给排水设计剖析

1引言

大科学设施项目具有前沿性及对新事物新规律变化不断的探索性。在大科学设施实验中心的设计过程中，一是要了解科研性质、试验需求及操作运行状况；二是要根据现有规范，灵活应用成熟的专业技术，必要的情况下还需对专业的常规做法进行挖掘突破。本文以某大型地震工程模拟研究设施实验中心为例，对给排水、消防设计特点进行剖析。

2工程概况

某大型地震工程模拟研究设施为国家重大科技基础设施项目之一，在其专业领域拥有目前世界最先进的地震工程模拟研究振动台实验装置，通过开展系列试验研究，揭示复杂岩土介质与水动力环境中重大土木、水利和海洋工程地震破坏机理，提出安全控制措施，为防灾减灾和地震灾害综合防范提供重要支撑。建设内容包括：实验中心、仿真中心、室外工程。大型地震工程模拟研究设施外观效果如图1所示（项目位于天津）。实验中心地上为单层厂房，地下3层，局部2层，贴建辅房2层。总建筑面积约为5.46×104m2，其中，地上建筑面积为2.86×104m2，地下建筑面积为2.60×104m2。主体建筑高度36.90m。钢排架/钢框架/钢-混凝土组合结构。功能分区见图2所示。

3给水系统的设计特点

水下振动台区域有1座造波、造流蓄水池，从地下3层至±0.00m平面，蓄水量容积约5×104m3。通过万吨水量模拟“惊涛骇浪”冲（撞、拍）击结构模型，测得试验数据，建立数学模型，获取科研成果。如此体量大的蓄水不仅起试验介质的角色，还用于大型振动台工艺设备循环冷却水，同时具有结构抗浮作用，所以，不论是为了节约用水，还是附属的结构抗浮功能需求，这池水都不可避免地储存在地下水库中重复利用。试验水池位于室内，每次大型振动台试验后的工艺循环冷却水，经计算水温最多提高1～2℃，再通过水下振动台试验，水温可保持常温。水下振动台每年试验次数约10次，在试验过程中难免带入浮沉杂质、锈蚀、油污等，水体会被轻度污染。故此储水需水质净化，以保证试验用水水质。本工程拟采用砂滤+活性炭吸附+除油装置工艺，设计能力200m3/h，水质净化周期暂定为15d。补水量暂按100m3/d考虑，水质为自来水。

4屋面雨水系统设计流态的确定

实验中心厂房采用轻型彩钢板屋面，总汇水面积约为1.8×104m2，按照建筑屋面坡度方向，最大汇水面积单元约为5000m2，根据GB50015—2019《建筑给水排水设计标准》，工业厂房大型屋面雨水排水系统宜按满管压力流设计，以减少雨水悬吊管及落水管的数量【1，2】。设备厂家从屋面整体安装匹配及材质规格，也极力推荐虹吸（满管压力流）雨水系统。但基于实验中心屋顶设有大型吊车（500t/60t、60t/20t、20t/5t），根据以往大型工业厂房运行经验，长时间运行其震动会将虹吸雨水系统的整体装置破裂，漏水现象严重。同时，考虑到振动台试验震动的不确定性，存在安全隐患，故本设计采用重力流雨水排水系统，落水管利用建筑外立面的装饰柱包封。

5消防系统设计

5.1工艺方案的演变及火灾危险类别的定性。前期方案阶段，工艺储油罐位于地下建筑内，液压油闪点不低于200℃，属于丙B类液体。大型振动台地下2层工艺设备区主要包括50m3储油罐4座，油泵房、油管、蓄能器等设备；水下振动台地下3层工艺设备区主要包括50m3储油罐1座，油泵房、油管、蓄能器等设备。消防方案拟采用水喷雾+防护冷却自动灭火系统。甲方率队去成都、上海、重庆、北京等相关国家重点实验研究所调研，有的实验室除了灭火器，没有其他消防设施；有的设置了室内消火栓；有的设置了室内消火栓及自动喷水灭火系统。又经过几轮专家会评审，均认为地下工程储油量较大，发生火灾易引起爆炸，风险太大，建议储油罐移出建筑物直埋室外地下，并与建筑物间距满足防火规范要求。由于试验装置的特殊要求，建筑防火分区、疏散距离、安全出口均突破规范，实验中心属于民建还是厂房？其火灾危险类别认定的合理性、安全性、经济性没有法规支持，消防方案的确定举步艰难。最终召开建设工程消防设计咨询（论证）会，形成建设工程消防设计咨询（论证）会纪要（以下简称“纪要”）。根据《科研建筑设计规范（征求意见稿）》条文说明第5.2.10条，科研建筑虽不同于一般工业厂房，但在材料与构造的耐火性能以及火灾的火势形成、发展与扩散等基本特性方面，两者都基本一致。故“纪要”将实验中心归类为工业厂房。振动台基础坑区域与地上有结构连通，振动台基础坑区域试验过程中有含油装置，生产的火灾危险类别按丙类考虑，故此实验中心定性为丙类厂房。5.2水消防方案的确定。大型振动台实验厂房跟水下振动台实验厂房连通，建筑高度36.90m，建筑定性为单层丙类厂房；贴建辅房为地上2层，为民用建筑。地下工程的工艺设备区（油压系统区域）采用闪点不低于200℃液压油，实验次数每年约10次。工艺设备区试验时充油，平时无油（液压油储存在室外直埋油罐）。管路及油箱配置压力报警装置，保证油压稳定，油渗漏、溢出引起压力值波动便会报警，紧急停机停止试验。管路及油箱配置油温保护装置，液压油在工作温度下不分解，最高温度不超过63℃，温度值异常停机停止试验。工艺设备自身采取智慧消防措施，并与消防控制中心联动。大型振动台基坑为密闭免维护工艺设备区，不在本设计范围。基于工艺设备区的设备运行、检测、监测、控制、日常维护等状况，认为地下工程可燃物虽然为丙B类液压油，但均在高压设备及压力管道内，高压设备及压力管道不得渗漏，否则试验不能进行，因此可燃物与空气难以相互接触。液压油工作温度不高于63℃，远远小于液压油的燃点。所以，设备、管路内的液压油不具备燃烧条件，发生燃烧概率非常低。地下实验室除了工艺设备及管路内的液压油外，没有其他可燃物。电气专业采用感烟、感温火灾探测器、线性光束感烟探测器等火灾报警装置。除检修人员能进入地下实验室外，其他人员一律严禁入内。故此地下实验室火灾危险性跟刚开始接触项目时的认识相差甚远，再结合相关实验室的调研情况，认为本设计应根据实验中心使用功能出发，既要为建筑物提供最合理的防火保护，又可以最大限度地降低建筑成本。从概率风险分析法看，火灾风险为各种火灾发生的概率Pi与其火灾所造成的危害数值Ci的乘积，即火灾风险=ΣPiCi，Pi值非常低，则地下室火灾风险性很低。故此确定以下水消防方案【3~5】。1）地上实验厂房，建筑定性为单层丙类厂房，设置室内消火栓系统。2）地下工程，建筑定性为丙类厂房，设置室内消火栓系统、自动喷水灭火系统，自动喷水灭火系统按中危险级Ⅱ级考虑。3）贴建辅房，建筑定性为民建，设置室内消火栓系统。2层有送回风道（管）集中空调系统，在2层设置自动喷水灭火系统，按中危险级Ⅰ级考虑。4）因水下振动台中间实验水池跨度大（约75m），室内消火栓又仅能设置在水池两边，消火栓布置间距不能满足规范要求。考虑到实际运行过程中，实验水池试验时充满了水，没有试验时会被放空，池内无可燃物，不具备燃烧条件，故此消火栓设置间距按实际状况布置。5）大型振动台基坑为密闭免维护工艺设备区，自带智慧消防措施，不在本设计范围。上述水消防方案，建设工程消防设计咨询（论证）会原则同意。5.3消防水量的确定。本工程建筑功能复杂，根据火灾危险等级、建筑规模，以及“纪要”、GB50016—2014《建筑设计防火规范》（2018年版）（以下简称“建规”）、GB50974—2014《消防给水及消火栓系统技术规范》（以下简称“水消规”）、GB50084—2017《自动喷水灭火系统设计规范》（以下简称“喷规”），主要建筑消防用水量如表1所示。本工程最不利消防对象是地下建筑，一次消防用水量为972m3。市政给水可为本工程提供2路进水，管径、压力均可提供室外消火栓消防系统的水量及水压，所以，本工程室外消火栓消防系统利用市政给水压力，采用低压消防。室内消防为临时高压消防给水系统。

6设计中遇到的问题与建议

6.1专业间的配合需加强。1）在消防论证中，给排水专业提供的方案，地上实验厂房及贴建辅房1层不需设自动灭火系统，2层因有送回风道（管）的集中空调系统，设置自动喷水灭火系统。消防评审专家也认可，认为地上实验厂房本身是丁、戊类机加工厂房，因跟地下工程设备基坑连通，才提高了生产火灾危险性级别，定为丙类厂房，根据“建规”，单层丙类厂房不需设自动灭火系统。贴建辅房1层不采暖，几乎被变配电所等电气用房占用，不宜用水灭火。不设自动灭火系统，建筑防火分区面积亦满足“建规”要求。但建筑专业递交的消防论证文件中，陈述贴建辅房设自动喷水灭火系统比较笼统，故此，施工图设计审查中要求按照建筑专业的条文执行，为此，水消防设计在位于1层辅房的零零散散工具间、卫生间、走道补充预作用自动喷水系统。2）本工程由于设备荷载很大，结构设计复杂，边设计、边研讨、边论证。在各专业协调中，结构专业提供±0.00m楼板为无梁楼板，厚度至少1m。根据天津地区最大冻土深度（0.69m），地下1层位于±0.00m楼板下的给水管道应不会被冻裂，不需考虑防冻保温设施。但在施工图设计交图会审时发现，结构形式发生变化，采用井字梁，梁高0.81～1.0m，板厚0.5m。梁板结构形式变化影响自动喷水灭火系统的喷头布置，如图3所示，根据“喷规”，喷头距楼板底间距在75～150mm，井字梁结构形式会造成喷头支管冻裂的可能。故此，地下1层自动喷水灭火系统将原有湿式系统改为预作用系统，消防控制方式随之改变。6.2需结合工程特点将设计精细化。1）本工程非常规，振动台试验时的振动强度对管道系统等配套设施是否有影响？影响多大？没有经验可鉴。经与结构专业沟通，其也一直在研究探索。笔者考虑到振动强度的不可预见性，以及结构楼板的厚度比较大，要求当管道穿池壁、墙体、楼板时均需在主体结构施工中预埋柔性防水套管，明设管道采用弹性支吊架，以预防不可预见的振动产生的结构位移或沉降。2）基于地上厂房振动台与地下工程连通区域，地下有火情时有窜出火的可能，故此在连通区域加密消火栓布置间距。6.3消防水泵房设置位置的利与弊。消防水泵房位于水下振动台北侧，利用水库作为消防蓄水池，常规认为节省空间。但在与甲方联络中发现该方案有利有弊，节水节约空间是有利的一个方面。但本工程有2栋建筑，其中仿真中心建筑体量小，方案成熟，建设速度快，按照施工周期，2a内就要竣工使用。但实验中心地下工程非常复杂，施工周期比仿真中心要长很多，地下水库、消防水泵房的建设、安装、充水能否赶上仿真中心竣工、消防验收存在很多不确定性。另外，在设计过程中发现实验中心结构复杂，工艺要求高，消防配套设施应尽可能减少跟工艺要求高的主体结构相关联，振动台试验带来的震动对消防水泵房影响也不好判断，故此在施工图阶段建议甲方将消防水池及水泵房移出实验中心，另行建设或置于仿真中心，但几经沟通未果。这或许成为本设计遗留下来待检验的课题。

7结语

大科学设施项目在使用功能上具有许多不确定性及前瞻性，专业设计师需要时刻跟进项目，领悟科学家们的想法及对土建、机电设计的要求，由于建设成本的控制，在设计上能否实现要给予专业判断及反馈。很多大科学设施项目具有唯一性，需把握其特色，用心、耐心做专项设计，以保障大科学设施项目顺利展开。

【参考文献】

【1】JGJ91—2019科学建筑设计标准[S].

【2】GB50015—2019建筑给水排水设计标准[S].

【3】GB50016—2014建筑设计防火规范（2018年版）[S].

【4】GB50974—2014消防给水及消火栓系统技术规范[S].

【5】GB50084—2017自动喷水灭火系统设计规范[S].

作者:贺凤云 单位:中国中元国际工程有限公司