[摘要] 浦东美术馆是上海浦东新区在陆家嘴中央商务区新建的大型美术馆，文章比较完整的介绍了中央展厅自动灭火系统的设计过程。各位消防人一起新欣赏下。
1 项目简介
浦东美术馆位于浦东新区陆家嘴中央商务区黄浦江沿岸，紧邻滨江绿地，与外滩隔江相望。项目包括一栋4层美术馆及地下车库。总用地面积13 000.2 m²，总建筑面积40 590 m²，其中，地上计容建筑面积为26 000 m²，地下建筑面积14 590 m²。
建筑地下2层，地上4层，建筑高度30 m。建筑性质为一类高层建筑，属于大型美术馆，建筑设计使用年限50年，耐火等级一级，7度抗震设防。
各层主要功能布局如下：
2层地下室，容纳有中央展厅、地下公共大厅。美术馆后勤区。设备用房和地下车库。
首层在南侧设置东西贯通的美术馆入口大厅，在西侧沿滨江大道设置有车行及货运出入口;同时在首层还设计了展厅空间、美术馆商店、咖啡厅及多功能厅等公共使用功能空间。
2~4层为主要的展厅层，设置7 m高展厅和10 m高特展厅，另外配置有学术报告厅。在建筑北侧集中设置了后勤服务区域，配置有2部货运电梯和展品库房。此外，3层夹层为主要的管理办公楼层，设置有馆长办公、行政办公和会议区。4层配置有固定展厅、美术馆图书文献中心及相关后勤服务用房。
浦东美术馆拥有多个展厅空间，位于建筑中央位置的中央展厅是美术馆建筑方案中的一个设计亮点。
中央展厅的平面形状是一个边长为17 m的正方形，垂直方向从地下1层一直到建筑屋面天窗，形成了室内34 m的展厅净空高度。除了设置在地下1层的展厅入口，在中央展厅侧壁的不同高度，设置有观察窗和步入式平台，可以让观众在参观美术馆的过程中，从不同的楼层观察到中央展厅，从多种角度欣赏中央展厅中布置的展品。
中央展厅的顶部是玻璃屋面，自然光可以通过屋面直接进入展厅。为了让中央展厅能够为不同类型的艺术布展提供更加多样性的选择，在展厅的玻璃屋面下方设置了3层电动卷轴轨道式遮阳帘。通过控制遮阳帘的开启层数，可以调节中央展厅的自然照度。单层遮阳帘面料的透光率经过选择，当全部3层遮阳帘全部展开，中央展厅会成为一个完全没有任何自然光线的全黑的布展空间。
2 中央展厅消防设计难点
浦东美术馆中央展厅的建筑设计亮点和布展优势，也给自动灭火系统的设计带来了新的挑战。
本项目属于一类高层的大型美术馆，根据《建筑设计防火规范》(GB 50016-2014，2018年版)的规定，建筑内部除了另有规定和不宜用水保护或灭火的场所外，均需要设置自动灭火系统，并宜采用自动喷水灭火系统。
中央展厅的室内净空高度34 m，已经超过了《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50084-2017，以下简称“喷规”)中规定的民用建筑中高大空间场所采用自动喷水湿式系统的最大净空高度。
对于一般建筑的中庭，或者体育馆、航站楼、影剧院等室内的高大空间，在室内净空高度超过自动喷水灭火系统的保护高度时，可以选择固定消防炮或者大空间智能射水装置。前提是高大空间顶部(在固定消防炮或者大空间射水装置安装位置的上部空间范围内)无可燃物，没有火灾负荷。代替自动喷水灭火系统的自动灭火系统对高大空间场所的地面及其上方一定高度内有火灾负荷的空间提供保护，就可以满足消防要求。
但对于本项目的中央展厅，其超大净空是展馆运营单位十分看重的展厅优势，在制定浦东美术馆未来运营策略的过程中，重点之一就是能够提供中央展厅的整个空间用于艺术布展。运营期间，布展艺术品可能采用各种材质，为此设计阶段不能限定艺术品的耐火等级。所以在本项目中，中央展厅的整个高大空间范围都有火灾风险和负荷，整个空间都需要有自动灭火系统提供有效的保护。
如何选择自动灭火系统，在适应展厅运营要求和提供有效消防保护的条件下，尽量减少对展厅后续布展的影响，是摆在设计面前的一个难题。
3 中央展厅自动灭火系统比选
对于中央展厅，设计考虑可以采用的自动灭火系统有自动喷水灭火系统、固定消防炮系统、大空间智能型主动喷水灭火系统、高压细水雾系统和气体灭火系统。
首先排除气体灭火系统。由于中央展厅的整个空间体积接近10 000 m³(17 m×17 m×34 m)，远超现有各种介质的气体灭火系统允许的最大防护区体积。同时中央展厅在运营过程中会有大量的参观人员，即空间使用人数较多，使用人员不固定。并且美术馆展厅的出入口一般不设置大门，无法形成封闭空间。综合以上因素，从适用性和安全性角度分析，中央展厅不适宜采用气体灭火系统。
第二个排除的是高压细水雾系统。中央展厅需要采用全淹没系统保护，和前述气体灭火系统一样，高压细水雾系统的应用也面临保护空间超出系统允许的最大防护区体积的问题。同时考虑到目前高压细水雾系统在中央展厅这样的超常规空间应用缺乏规范依据。
第三个排除的是固定消防水炮系统。国家标准对固定消防水炮的定义是：水、泡沫混合液流量大于16 L/s、或干粉喷射率大于7 kg/s，以射流形式喷射灭火剂的装置。消防炮因其流量大(16～1 333 L/s)，射程远(50～230 m),在石化工业场所应用较为广泛。本项目中央展厅虽然净空高度很大，但平面尺度只有17 m×17 m，消防炮的流量、射程和压力对于中央展厅而言，都超过了实际需求，容易在灭火过程中对人员和展品造成二次伤害。
大空间智能型主动喷水灭火系统中的自动扫描射水高空水炮灭火装置，单个喷头流量5 L/s，单个喷头标准保护半径≤20 m。与固定消防水炮相比，其喷水强度更加适合于中央展厅的空间尺度。但自动扫描射水高空水炮灭火装置的安装高度6 m≤h≤20 m，目前可以选用的具有CCCF认证的产品中，最大射水仰角为+30°，即使在最大安装高度20 m安装，水炮的保护范围也无法涵盖整个中央展厅的空间。
自动喷水灭火系统作为目前使用最普遍的固定自动灭火系统，经过国内外大量的工程实践证明，系统简单，具有极高的安全性和可靠性。为此设计希望尽可能选用自动喷水灭火系统。但面临的问题是中央展厅的净空高度超过了“喷规”规定的民用建筑中采用湿式系统的最大净空高度要求。按照自动喷水灭火系统的灭火机理分析，直接在展厅顶部吊顶位置安装自动喷水灭火系统，无法对下方距离34 m的展厅地面的火灾进行有效控制和扑灭。
自动喷水灭火系统的灭火机理是冷却、窒息和水力冲击。超过喷头规定的使用高度安装，其水力冲击作用被削弱，喷头的控火和灭火能力无法达到设计要求。同时喷头的动作时间也会被延迟，极大减弱整个自动喷水灭火系统的控火和灭火效果。
根据自动喷水灭火系统试验结果：对于任意公称动作温度的喷头，喷头动作时火源的散热量与喷头安装高度的平方成正比。也就是说，对于同一种喷头而言，当安装高度增大1倍(即为原来2倍)时，喷头动作时的火势需要增大3倍(即为原来的4倍)。中央展厅的净空高度34 m，是“喷规”规定的民用建筑中喷头最大安装高度18 m的约2倍。
公安部天津消防研究所在高大净空场所条件下，开展的自动喷水灭火系统全尺寸灭火试验，结果显示，第一只喷头的开放时间至关重要，如果火不能被开始动作的少数喷头熄灭的话，将不能被控制住。因此对于高大净空场所来说，自动喷水灭火系统的反应时间是决定能否有效控火、灭火的关键因素。
火灾形成的热气流在上升过程中会逐步飘散，造成热源在顶部聚集时间的延长，也可能造成热源聚集位置偏离下方火源位置。这些不利因素会随着火源与喷头间距离的增大而放大。进一步降低自动喷水灭火系统控火、灭火的能力。
也就是说，自动喷水灭火系统对火源点的控火及灭火能力与喷头和火源之间的高差成反比。这也是“喷规”限定湿式系统可以使用的最大净空高度的原因。
综合以上分析，可以得到以下结论：
(1)对于中央展厅34 m的展厅室内净空高度以及全空间需要保护的灭火要求，目前没有一种自动灭火系统可以完全满足。
(2)在吊顶安装的自动喷水灭火系统可以对喷头安装位置下方18 m范围内的空间提供有效的消防保护。
(3)在展厅地面上方20 m范围内安装的自动扫描射水高空水炮灭火装置可以对水炮安装位置下方及一定仰角范围内的空间提供有效的消防保护。
4 中央展厅自动灭火系统方案
根据之前对不同的自动灭火系统的比较结论，考虑在展厅综合利用2种自动灭火系统，具体设计方案如下：
在中央展厅的顶部安装自动喷水灭火系统，为展厅顶部以下18 m高度范围内的空间提供消防保护。
在中央展厅地面以上12 m高度，利用伸出展厅的可移动连桥底部位置安装自动扫描射水高空水炮灭火装置，为展厅地面以上水炮安装位置下方及一定仰角范围内的空间提供有效的消防保护。
结合2种自动灭火系统的安装要求和灭火机理，对中央展厅的整个空间提供消防保护(见图7)。
为满足中央展厅在超高净空和全空间使用条件下的消防保护，设计选择了对一个高大空间分段采用2种自动灭火系统保护的方案。区别于一般传统做法，为此在项目方案设计阶段，设计就中央展厅的自动灭火系统方案，和业主方到消防建审部门进行专项征询。基于该方案没有与现行消防规范冲突，并且方案设计符合采用的消防灭火系统的灭火机理，得到消防建审部门认可。
5 中央展厅顶部自动喷水灭火系统的工程技术难点及对策
确定了自动灭火系统的设计方案后，在具体的设计过程中还需要结合建筑的具体设计，进一步落实细节才能保证自动灭火系统满足设计规范要求，在后续使用过程中提供有效的消防保护。
下面就中央展厅消防设计中遇到的问题和应对的技术措施作简要的介绍。
5.1 结合运营要求采用预作用自动喷水灭火系统后火灾报警形式的选择
根据运营的要求，为了尽可能提高展品布展的安全性，所有展厅的自动喷水灭火系统均采用预作用系统。对于中央展厅34 m的空间高度，温感的有效探测高度8 m，烟感的有效探测高度12 m，都不能在该场景下作为预作用系统的火灾探测手段。经过综合比较，在中央展厅选择了空气采样火灾探测系统。目前对于空气采样火灾探测系统的最大探测高度还没有规范规定，一般产品的检测报告认为可以在48 m高度内有效使用。根据以往工程经验，对于中央展厅34 m的净高，空气采样火灾探测系统可以有效探测。据此中央展厅的预作用系统选用空气采样火灾探测系统作为火灾探测手段。
5.2 玻璃屋顶下方电动遮阳帘运动影响下的喷头安装
根据建筑师要求，中央展厅的玻璃顶下方设置有3层电动遮阳帘。
遮阳帘全部展开后，可以完全遮蔽光线，所以也会阻挡烟气上升;同时展开的遮阳帘又会阻挡喷头布水。所以当遮阳帘展开后会把玻璃顶下方布置的自动喷水灭火系统与遮阳帘下方的中央展厅空间完全隔断，使中央展厅上部空间失去自动喷水灭火系统的保护。
为此设计提出了多种方案供建筑师和业主方选择。
方案一：除了在玻璃顶下方布置的自动喷水灭火系统管网以外，在遮阳帘下方，以遮阳帘为吊顶再布置一层自动喷水灭火系统管网。当遮阳帘完全收起时，以玻璃顶下方的自动喷水灭火系统作为主要保护措施;当遮阳帘展开时，以遮阳帘下方的自动喷水灭火系统作为主要保护措施(见图8)。
方案二：调整屋顶玻璃顶和遮阳帘的构造，在遮阳帘下方增加一层固定的玻璃吊顶。这样遮阳帘的启闭动作不会对其下方玻璃吊顶上的自动喷水灭火系统产生影响，对于自动喷水灭火系统设计而言就和普通吊顶一样了。
方案三：在遮阳帘下方设置自动喷水灭火系统管网预留接口。通过和运营方沟通，中央展厅的一次布展一般会持续较长时间，遮阳帘作为布展空间光线的调节手段，会根据布展要求设定，不会频繁启闭。所以有条件在遮阳帘下方设置自动喷水灭火系统管网预留接口，在布展需要展开遮阳帘时，在遮阳帘下方临时安装自动喷水灭火系统管网，作为消防保护措施(见图10)。
在经过多次讨论后，建筑师不同意改动屋顶玻璃顶棚和遮阳帘的构造，业主认为临时安装自动喷水灭火系统管网会增加美术馆运营维护难度，所以最终选择了方案一。
在确定采用方案一作为中央展厅的自动喷水灭火系统布置原则后，又引出一个工程难点。由于电动遮阳帘分为3层，在运营过程中会根据展厅布展的光线要求，处于全部关闭，1层展开，2层展开，或者3层展开的不同状态。
这样在遮阳帘下方安装的喷头就会面对一个高度变化不定的吊顶。如何来控制喷头溅水盘与吊顶之间的间距满足规范要求呢?经过分析讨论，找到的解决办法是，设定遮阳帘的展开顺序，并写入给排水设计施工说明：“遮阳帘的控制程序中应强制要求，遮阳帘的展开顺序依次是：底层、中层、上层;关闭顺序依次是：上层、中层、底层。”
作为电动遮阳帘的强制技术要求。这样保证在有遮阳帘展开的情况下，遮阳帘下方的喷头总是对应底层遮阳帘，以此控制直立型喷头溅水盘与上方吊顶间的间距不变，满足规范要求(见图11)。
6 结语
大型美术馆、博物馆越来越多地采用新颖夸张的建筑外形和高大复杂的室内空间来满足未来更多元化的展陈需求，也给这些建筑的消防设计带来更多的挑战，对给排水设计师也提出了越来越高的要求。需要给排水设计师和建筑师、业主、运营方加强沟通，在满足现行消防规范要求的基础上，结合建筑实际运营使用场景，综合考虑平时使用要求，消防扑救效果等多方面因素来确定消防系统的设计方案，落实具体的设计细节。
(作者：龚海宁;作者单位：同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司。刊登在《给水排水》2019年第12期。)
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