250m以上超高层建筑火灾自动报警系统设计思考
火灾自动报警系统形式介绍
工程概况
本工程为浙江省湖州市某CBD项目，总建筑面积约180万m2，分为东区、西区、次地标和主地块。其中主地块包含主塔楼（250 m以上超高层建筑）、商业群房及3层地下室，总建筑面积39万m2。主塔楼共72层，建筑高度为318 m，建筑面积约14.5万m2，主要功能为办公、公寓和酒店。主塔楼共设置6个避难层和4个设备层，用于避难区及设备机房的设置。
火灾自动报警形式设计
从工程规模及业态划分考虑，本工程火灾自动报警系统采用控制中心报警系统形式。在主塔楼首层设置1号主消防控制室，负责主塔楼办公、公寓及地下车库等区域的消防系统管理，并实时监控分消防控制室的状态；在主塔楼首层另设置2号酒店分消防控制室负责酒店区域的消防系统管理；在地下1层下沉广场附近设置3号商业分消防控制室，负责地块裙房和商业区域的消防系统管理。
《民标》第13.3.3条第1款：高度超过100 m的高层公共建筑，裙房以上部分宜采用集中报警系统和区域报警系统组成的火灾自动报警系统；第13.3.1条第4款：“集中报警系统和控制中心报警系统中的区域火灾报警控制器在满足下列条件时，可设置在值班室或无人值班的场所：1）本区域的火灾自动报警控制器（联动型）在火灾时不需要人工介入，且所有信息已传至消防控制室；2）区域火灾报警控制器的所有信息在集中火灾报警控制器上均有显示。”
综合考虑主塔楼的规模，同时为分担设备故障风险，主塔楼采用集中报警系统与区域报警系统相结合的方式；考虑到后期管理成本，区域报警主机设置在无人值班场所。本工程在主塔楼各避难层的弱电机房内设置区域火灾报警控制器，负责各楼层段的火灾报警显示及报警联动（不具备手动控制功能），且所有信息均传输至1号主消防控制室，酒店范围的区域报警系统信息需同时传输至2号酒店分消防控制室。当避难层间区域内发生火灾警报时，消防控制室值班人员可通过电梯快速抵达现场，进行火灾确认或处理。
设计要点分析
环形总线设计
《民标》第13.3.3条第1款：高度超过100 m的高层公共建筑，集中报警控制器与区域报警控制器之间宜采用环形接线。同时《加强性技术要求》第二十三条：火灾自动报警系统的消防联动控制总线应采用环形结构。两个文件分别对控制器之间的总线和消防联动控制总线提出了环形接线的要求，且后者更为严格。可以看出，两者均要求系统设置冗余传输线路，当一条线路发生故障时，另一条线路还可以正常传输信号，以此保障系统安全。
目前，国内对火灾自动报警总线的分类暂无明确规定，常用标准为美国国家消防协会（NFPA）编制的火灾报警规范NFPA72《National Fire Alarm and Signaling Code》。该规范将火灾自动报警系统总线分为6类，其中Class A总线连接方式要求总线具有冗余路径，且总线断路或总线异常，影响总线通讯功能时，能够产生一个总线故障信号。相比于《加强性技术要求》，Class A总线接线标准把报警总线也纳入到环形接线中，进一步提高系统可靠性。对于环形总线接线形式，14X505-1《〈火灾自动报警系统设计规范〉图示》中也给出了相关的参考示意图。
考虑报警系统可靠性、后期施工便利性和成本因素，本工程参照Class A总线接线标准，采用报警点位和联动点位共用回路的环形接线方式。将办公、公寓层的区域报警控制器环形接至1号主消防控制室，将酒店层的区域报警控制器环形接至2号酒店分消防控制室，主控室和分控室之间的通信亦采用环形接线。整个工程火灾自动报警系统框图如图1所示。
末端环形总线设计时，由于超高层建筑单层面积较大，消防报警设备点位众多，尤其是设备层及避难层，单个环线回路（不超过200个点，其中联动不超过100点）往往不能满足使用需求，需考虑双环线回路甚至三环线回路。因此，合理规划环线路径至关重要。以本工程为例，标准层平面为核心筒、公共走道和功能用房，消防点位数约在250至350个，采用核心筒+公共走道和功能用房分别成环的“大小环”接线方式。而对于设备层和避难层，消防点位超过400个点，采用按区域划分成环的“三小环”接线方式。对于变配电所、消防泵房等报警点位众多的机房，可考虑单独设置环线。同时环线设计时，需考虑后期的点位调整，应留有一定余量。
消防视频监控系统设计
《加强性技术要求》第二十三条：避难层（间）、辅助疏散电梯的轿箱及其停靠层的前室内应设置视频监控系统，视频监控信号应接入消防控制室，视频监控系统的供电回路应符合消防供电的要求。区别于常规的视频监控系统，此处要求的视频监控系统应满足消防要求，其设置目的是在火灾时及时了解避难层（间）、辅助疏散电梯的轿箱及其停靠层的前室等部位人员的实时情况。
依据文件要求，本工程单独设置消防视频监控系统，系统主要构成为前端设备、传输单元和控制中心。前端设备主要包括摄像机及云台，系统可通过对摄像机的控制实现对监控区域的全面覆盖；为满足消防使用需求，摄像机要求具备一定的防火性能。传输单元主要为视频、电源的传输线路，为保证火灾时系统能可靠运行，该系统的传输线路均采用耐火电线电缆或光纤，在井道内沿火灾报警桥架竖向敷设。控制中心设置于消防控制室内，是整个消防视频监控系统的核心机构，其主要任务是对获取的相关图像信息和录像信息进行信号采集和录像保存，同时通过对数据的快速分析计算，输出相关信号用于火灾指挥调度工作。
消防视频监控系统除满足火灾时的使用需求外，还应兼顾日常使用需求。本工程设计时在消防视频监控主机预留了安防视频监控系统接口，方便消防视频监控系统和安防视频监控系统的有效衔接，避免在同一区域内监控系统的重复设置。同时，考虑未来城市消防视频监控系统智慧化、平台化的发展趋势，本系统也预留了城市消防视频监控系统接口，为以后的发展预留条件。消防视频监控系统框图如图2所示。
高大空间火灾报警设计
在250 m以上超高层建筑中，通常会存在挑空大堂、观光平台、宴会餐厅等多处高大空间。高大空间的火灾特点主要表现为火灾隐患多、火势蔓延快、扑救难度大等，是火灾自动报警系统设计时需重点考虑的区域。在高大空间火灾初期，烟气快速上升，随着空气的流动和稀释，烟气的浮力与重力达到平衡，烟气不再上升，可能升不到顶棚便开始缓慢下沉。同时随着热气流的不断上升，将在高大空间上空形成热障现象。高大空间烟气的运动规律决定了常规的感烟探测器不再适用。针对高大空间烟气流动的特点，GB 50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》（以下简称《火规》）第12.4.1条、第12.4.2条规定，火灾初期产生大量烟的场所，应选择线型光束感烟火灾探测器、管路吸气式感烟火灾探测器或图像型感烟火灾探测器，而高度大于12 m的空间场所宜同时选择两种及以上火灾参数的火灾探测器。
本工程中，顶层全日餐厅为一处弧形五层通高的高大空间，面积600余m2，吊顶净高为30.4 m，其中在15.4 m高度处设有一处200 m2的挑出平台，功能为天空吧，该平台下方吊顶高度为14.5 m。同时给排水专业在此处设置了消防水炮系统，根据空间划分设置了多处自带红外火焰探测器的自动扫描射水高空水炮。
在选择火灾探测器之前，首先考虑的是能否将消防水炮自带的红外火焰探测器纳入到火灾探测器的一种，目前规范对此并未给出明确规定。由于厂家产品质量参差不齐，消防水炮自带的红外火焰探测器能否满足GB 15631-2008《特种火灾探测器》第4.2条相关要求暂未可知。同时，红外火焰探测器适用于火灾初期产生少量烟并产生明显火焰的场所，对于火灾初期产生大量烟且无明显明火的场所，其灵敏性不能满足要求。因此本工程不考虑将此探测器作为高大空间火灾探测的一种。
在3种适用于高大空间的火灾探测器中，吸气式感烟火灾探测器需要在顶部及16 m以下区域设置采样管，在一定程度上会影响建筑的美观，因此本工程选用线型光束感烟火灾探测器和图像型感烟火灾探测器作为高大空间的两种火灾探测器。为保证火灾自动报警系统的兼容性和可靠性，本工程采用某厂家的火灾自动报警集成系统。该系统集成了分布智能图像火灾探测系统和线型光束感烟火灾探测系统。其中分布智能图像火灾探测系统能够对烟雾、火焰多参数火灾进行探测，并采用近红外和彩色图像同时进行分析，探测器的所有信号能够第一时间显示在中央监控管理系统上，有效实现火灾的早期报警。线型光束感烟火灾探测系统是一个集光束烟雾探测和火焰探测于一体的系统，区别于一般的线型光束感烟火灾探测器，该系统可以同时进行光束烟雾和火焰探测，并输出高质量的视频信号用于火灾报警信号的实时监控和即时确认。该集成系统具有良好的兼容性，可形成与常规火灾自动报警系统、视频监控系统等的整合系统。
在线型光束感烟火灾探测器安装位置选择时，由于《火规》只对26 m以下高大空间的探测器安装作出要求，26 m以上的安装情况并未明确。本工程中，在14.5 m标高处有挑出平台，发生火灾时平台下方容易聚集烟气，因此按《火规》第12.4.3条规定，分别在7 m及14 m标高处安装线型光束探测器。对于天空吧上空区域，此处吊顶高度为15 m，同样按照16 m以下的高大空间考虑，分别在21.9 m和29.5 m标高处设置探测器。按上述设计，全日餐厅上空30.4 m高大空间内共设置4组线型光束探测器，可覆盖整个高大空间的保护范围。探测器的安装高度示意如图3所示。
总之，针对大空间的火灾探测器设置，需要结合项目特点进行分析，综合考虑建筑的美观要求、后期装修的布置、设备的安装条件等因素，合理选择和设置探测器，不能一概而论。
小型电气竖井的火灾探测设计
《民标》第8.11.10条和第26.5.10条规定，高度250 m及以上的公共建筑，宜各增设一个强电和弱电竖井，供备用线路及应急防灾系统的备份缆线使用。《加强性技术要求》第二十五条规定，消防用电应采用双路由供电方式，其供配电干线应设置在不同的竖井内。因此在250 m以上超高层建筑中，为节省面积，会不可避免地出线一些小型电气竖井，其进深往往在0.6~0.8 m。此类竖井主要用于敷设电缆桥架，较少安装设备，其火灾隐患主要为电缆发热及线路故障引起火灾，尤其是电缆接头、端子等部位是火灾的高发区域。《加强性技术要求》中第二十三条规定，电梯井的顶部、电缆井应设置感烟火灾探测器。同时《火规》第6.2.5条规定，点型探测器至墙壁、梁边的水平距离，不应小于0.5 m。显然，对于此类小型电气竖井，除去电缆桥架安装空间，不具备点型感烟探测器的安装条件。
针对小型电气竖井的特点，本工程选用分布式光纤线型感温火灾探测系统。该系统以光纤拉曼散射和光时域反射技术为基础，结合了高频脉冲激光、光波分复用、高灵敏光电转换、高频信号采集及微弱信号处理等技术，能够实时采集各监测点的温度变化情况，并能实时数据处理和实时报警，保证防区火灾预警的准确性和及时性。系统主要由光纤测温主机、探测光缆和软件组成。其中探测光缆负责现场的温度采集，光纤测温主机负责光纤信号处理、报警和参数设置等，还可以与火灾报警控制器相连，构成完整的火灾自动报警系统。
本工程中，在首层及各避难层弱电间内设置光纤线型感温火灾探测器，负责该楼层至相邻避难层之间的小型电气竖井火灾探测。感温光纤沿竖向桥架敷设于电井内，实时监测电井内的电缆温度，并通过火灾报警器向消防控制室反馈信号。为提高系统的可靠性，探测光缆采用环形接线方式。光纤线型感温火灾探测系统接线框图如图4所示。
本文有删减，全文载于《建筑电气》2022年第9期，详文请见杂志。
版权归《建筑电气》所有。
作者：
刘荣，男，浙江绿城建筑设计有限公司，高级工程师，设计主管。
陆柏庆，男，浙江绿城建筑设计有限公司，高级工程师，电气总工程师。
刘传谱，男，浙江绿城建筑设计有限公司，高级工程师，设计经理。
