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标准+案例:地埋式污水处理厂地下箱体防火设计这样做

更新时间:2022-03-07 10:59 来源:给水排水 作者: 杨涛等 阅读:2253 网友评论0

【谷腾环保网讯】地埋式污水处理厂将所有处理单元置于地下箱体内,防火分区划分是地下箱体消防设计的重要内容。阐述了现行有关规范在地下建筑消防设计中的应用差异,总结了地下箱体消防设计存在的问题。通过对国内部分同类工程案例的分析,总结了地埋式污水处理厂地下箱体的消防设计依据,并将其划分为“五级三类”。结合武汉某全地埋式污水处理厂的设计,介绍了其地下箱体的消防设计内容和经验,在不妨碍工艺设计的前提下达到了单个防火分区建筑面积不超过2 000 m²的要求。

根据《室外排水设计标准》(GB 50014)和《城市排水工程规划规范》(GB 50318),地上式污水处理厂周围应设有一定的卫生防护距离,且一般不小于150 m。但是,随着城市的发展,污水处理厂址会被“中心化”,卫生防护距离会被挤压,进而会引发与城市建设用地之间的矛盾。与传统地上式污水处理厂相比,地埋式污水处理厂把所有或主要处理设施置于地下箱体内,地上空间可用作城市公园、停车场等公共用地,既节约了土地资源,又有效解决了传统地上式污水处理厂面临的“邻避”问题。如贵阳彭家湾五里冲棚户区改造污水处理综合工程采用全地埋4层加盖的结构形式,地面层为城市公园、地下1层为商场和机械停车库、地下3层和4层为市政污水处理厂,用地指标仅为0.26 m²/(m³·d)。但地埋式污水处理厂同样面临着火灾风险,如荷兰鹿特丹Dokhaven地埋式污水处理厂曾因氢氧化钠加药泵过热引发火灾事故。复杂的土建结构和较大的埋置深度,无疑给消防设计、火灾扑救、人员逃生增加了巨大难度。近年来地埋式污水处理厂在我国的建设数量越来越多、单体建设规模越来越大,倘若严格执行现行建筑防火规范要求,地下箱体内防火分区划分单元多、处理设施布置不便,地面安全出口多、景观效果差,反而不利于其推广。因此,本文总结了国内部分地埋式污水处理厂案例和相关研究,结合武汉某全地埋式污水处理厂的设计,介绍了在现行规范体系下其地下箱体的消防设计经验。

01 关于防火分区划分的法规介绍

1.1 国家标准(规范)

根据《建筑设计防火规范》(GB 50016)条文3.3.1、3.3.3、3.7.3和3.7.4,地埋式污水处理厂单个防火分区最大允许建筑面积为1 000 m²;当建筑内设置自动灭火系统时,防火分区最大允许建筑面积可增加1倍;每个防火分区必须至少有1个直通室外的独立安全出口;厂房内任一点至最近安全出口的直线距离不大于60 m。另外,根据《建筑设计防火规范》(GB 50016)条文5.3.2,建筑内设置自动扶梯、敞开楼梯等上、下层相连通的开口时,其防火分区的建筑面积应按上、下层相连通的建筑面积叠加计算。

根据《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》(GB 50067)条文5.1.1、5.1.2和6.0.2,地下汽车库的防火分区最大允许建筑面积为2 000 m²,车库内任一点距离安全出口的距离不大于45 m;设置自动灭火系统时,单个防火分区的最大允许建筑面积可增加1倍,车库内任一点距离安全出口的距离不大于60 m;除Ⅳ类汽车库以外每个防火分区的人员安全出口不应少于2个。

根据《地铁设计规范》(GB 50157)条文28.2.2,地下车站站台和站厅公共区应划为一个防火分区;地下换乘站共用站厅时,站厅公共面积不应大于5 000 m²;站台和站厅内任意一点到疏散口的距离不大于50 m;地下车站安全出口的数量应经计算确定,且不应少于2个直通地面的安全出口。此外,《城市轨道交通技术规范》(GB 50490)条文7.3.14要求,多线换乘站共用一个站厅公共区,且面积超过单线标准车站站厅公共区面积2.5倍时,消防设计应经当地消防部门认可。

1.2 地方标准(规范)

和其他河北省住建厅于2019年12月发布的《雄安新区地下空间消防安全技术标准》(DB 13J 8330)是国内目前对地下排水厂站消防安全作出“明确”规定的技术标准,但关于地下排水厂站防火分区的要求为:“操作层设备间的防火分区划分应符合现行国家标准《建筑设计防火规范》的规定”“操作层设备间每个防火分区的安全出口数量应经计算确定,且不应少于2个”“操作层处理区、设施层内任一点至最近安全出口的直线距离不应大于60 m”。

浙江省住建厅于2020年6月发布《地埋式城镇污水处理厂建设技术导则(试行)》,对浙江省地埋式城镇污水处理厂的消防设计要求为:“防火分区划分应符合现行国家标准《建筑设计防火规范》的规定”“全地埋式污水处理厂的防火设计应经消防专项评估”且“操作巡视层的单个防火分区的面积应取不大于5 000 m²,同时最远疏散距离取70 m”。

为了更好地指导地埋式污水处理厂的设计,中国建设工程标准化协会发布的《城镇地下式污水处理厂技术规程》(T/CECS 729)从2021年开始实施。规程对操作层设备用房的消防设计要求与《建筑设计防火规范》完全一致,对操作层处理区的消防设计要求较《建筑设计防火规范》宽松。其中,操作层处理区的防火分区面积可按工艺要求确定,且敞开的水面面积可不予计入,但安全出口的设置与《建筑设计防火规范》的要求一致。此外,规程要求管廊层防火墙分隔间距不宜超过200 m,层内任一点至最近安全出口的直线距离不宜大于100 m,与《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838)对燃气管道舱和电力电缆舱的消防设计要求一致。

1.3 国外标准(规范)

根据新加坡民防法(SCDF)《建筑防火规范(2018年版)》(CODE OF PRACTICE FOR FIRE PRECAUTIONS IN BUILDINGS 2018)对大型地下空间的要求,位于地下的防火分区面积不得超过4 000 m²和15 000 m³,设置最少2个出口楼梯。根据美国消防协会(NFPA)《废水处理和废水收集设施的防火标准(2020年版)》(Standard for Fire Protection in Wastewater Treatment and Collection Facilities 2020)和《建筑结构和安全规范(2018年版)》(Building Construcion and Safty Code 2018),污水处理厂基本属于轻危险级(相当于中国戊类)工业建筑,无自动喷水灭火系统保护时单个防火分区允许建筑面积不得超过1 860 m²,有自动喷水灭火系统保护时单个防火分区允许建筑面积不得超过6 510 m²,且地下建筑应设置自动喷水灭火系统。

1.4 性能化设计评估

性能化设计评估即“建设工程消防性能化设计评估”,是指根据建设工程使用功能和消防安全要求,运用消防安全工程学原理,采用先进适用的计算分析工具和方法,为建设工程消防设计提供设计参数、方案,或对建设工程消防设计方案进行综合分析评估,完成相关技术文件的工作过程。以日本为例,自2000年《建筑基准法》全面修订之后,日本法律开始允许建筑物防火性能化设计和评估,防火分区建筑面积可根据《建筑基准法》和评估结果作出必要的调整。目前,我国也正在加紧相关研究探索。

根据《建设工程消防性能化设计评估应用管理暂行规定》 (公安部令〔2009〕第52号),①超出现行国家消防技术标准适用范围的;②按照现行国家消防技术标准进行防火分隔、防烟排烟、安全疏散、建筑构件耐火等设计时,难以满足工程项目特殊使用功能的,建设工程可采用性能化消防设计。但是,①国家法律法规和现行国家消防技术标准有严禁规定的;②现行国家消防技术标准已有明确规定,且工程无特殊使用功能的,建设工程不应采用性能化消防设计。

根据《建设工程消防监督管理规定》 (公安部令〔2012〕第106号),①国家工程建设消防技术标准没有规定的;②消防设计文件拟采用的新技术、新工艺、新材料可能影响建设工程消防安全,不符合国家标准规定的;③拟采用国际标准或者境外消防技术标准的建设工程,公安机关消防机构应当在受理消防设计审核申请之日起五日内将申请材料报送省级人民政府公安机关消防机构组织专家评审。专家评审最终结论可作为建设工程消防性能化设计的依据。

1.5 法规小结

污水处理厂生产产品、生产工具、生产环节及运行管理等各方面均不同于一般意义上的厂房和仓库,各国、各行业尚无针对地埋式污水处理厂建筑消防设计的专属标准或规范。我国内地不同地区和行业的规范对地下式建筑防火分区最大允许建筑面积的要求差异较大,但都允许通过增加自动灭火系统保护来拓展防火分区最大允许建筑面积、都要求至少有1个安全出口。虽然《城镇地下式污水处理厂技术规程》(T/CECS 729)关于防火分区面积划分的规定较《建筑设计防火规范》宽松,但其为推荐性协会标准。国外对地下式建筑防火分区最大允许建筑面积的要求比国内宽松,具体要求视建筑物危险性等级而定,但总的来看同样缺少针对地埋式污水处理厂建筑消防设计的专项规范。虽然国内已有研究建议地埋式污水处理厂消防设计要求适当放松,但都缺乏法理依据。如刘世德等通过对现行规范体系和地埋式污水处理厂火灾特征的分析研究,建议将地埋式污水处理厂操作层单个防火分区最大允许建筑面积扩大至5 000 m²,疏散距离延长至70 m。

地埋式污水处理厂建造形式有别于传统污水处理厂,但使用功能并无特殊之处,因此是否适用性能化消防设计仍存有争议。另外,根据《住房和城乡建设部 应急管理部关于做好移交承接建设工程消防设计审查验收职责的通知》 (建科函〔2019〕52号),自2019年6月30日以后建设工程消防设计审查验收职责由消防救援机构移交至住房和城乡建设主管部门。而且,根据公安部2020年第158号令,《建设工程消防监督管理规定》从2020年6月1日正式废止。总的来看,虽然我国对建设工程消防性能化设计进行了一定的尝试,并对适用范围作了初步界定,但是“是否适用”的判定主体尚未明确,且各具体执行部门对法规的认知和解读有差异。因此,目前国内的建筑消防性能化设计尚无完备的法理依据,仍处于探索阶段。

02 案例总结

近年来,地埋式污水处理厂在我国水污染防治领域的应用越来越多,北京、深圳、上海、广州、昆明、合肥等城市已有大量应用案例,部分地埋式污水处理厂操作层的消防设计见表1。

由表1可知,目前国内地埋式污水处理厂操作层消防设计没有统一的依据,总体而言单个防火分区的允许建筑面积大致可分为“五级三类”:“五级”是指最大允许建筑面积有1 000 m²、2 000 m²、4 000 m²、5 000 m²和其他规格5个等级;“三类”是指设计依据有严格执行《建筑设计防火规范》,参照执行《建筑设计防火规范》《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》《地铁设计规范》等相关规范和性能化消防设计专项评估(论证)3种途径。对于规

模较小的地埋式污水处理厂,一般通过增加自动灭火系统保护即可使防火分区建筑面积控制在《建筑设计防火规范》允许范围内,如北京门头沟第二再生水厂、林州市第二污水处理厂等。对于规模较大的地埋式污水处理厂,有条件的会通过消防设计审查或者专项评估(论证)进行针对性的性能化设计,以使消防设计满足当地消防主管部门的要求,如北京槐房污水处理厂、合肥清溪污水处理厂;无条件的会通过参照相关规范予以解决,如上海泰和污水处理厂认为处理单元属于“构筑物”范畴,石家庄正定新区污水处理厂则对箱体内的火灾和消防救援进行了模拟分析,因此其防火分区的划分均未严格执行《建筑设计防火规范》。对于规模较大的地埋式污水处理厂,一般都会通过建筑消防性能化设计使地下箱体的防火分区建筑面积突破《建筑设计防火规范》的要求,如兰州七里河安宁污水处理厂(改扩建工程)对不符合现行防火规范要求的部分委托甘肃省建设工程消防专业委员会及甘肃省消防总队组织专项消防论证。但是,建筑消防性能化设计基本采用“一厂一议”模式,防火分区最大允许建筑面积不固定。

表1 部分地埋式污水处理厂操作层消防设计案例

注:地埋式污水处理厂土建工程一般按远期规模一次建成,安装工程分期实施,表中所列设计规模为土建设计规模。

模较小的地埋式污水处理厂,一般通过增加自动灭火系统保护即可使防火分区建筑面积控制在《建筑设计防火规范》允许范围内,如北京门头沟第二再生水厂、林州市第二污水处理厂等。对于规模较大的地埋式污水处理厂,有条件的会通过消防设计审查或者专项评估(论证)进行针对性的性能化设计,以使消防设计满足当地消防主管部门的要求,如北京槐房污水处理厂、合肥清溪污水处理厂;无条件的会通过参照相关规范予以解决,如上海泰和污水处理厂认为处理单元属于“构筑物”范畴,石家庄正定新区污水处理厂则对箱体内的火灾和消防救援进行了模拟分析,因此其防火分区的划分均未严格执行《建筑设计防火规范》。对于规模较大的地埋式污水处理厂,一般都会通过建筑消防性能化设计使地下箱体的防火分区建筑面积突破《建筑设计防火规范》的要求,如兰州七里河安宁污水处理厂(改扩建工程)对不符合现行防火规范要求的部分委托甘肃省建设工程消防专业委员会及甘肃省消防总队组织专项消防论证。但是,建筑消防性能化设计基本采用“一厂一议”模式,防火分区最大允许建筑面积不固定。

03 实例剖析

3.1 工程简介

武汉某污水处理厂设计规模为15万m³/d,采用全地埋建设模式,所有处理设施均位于地下箱体内。地下箱体结构尺寸为L×B=196.7 m×153.3 m,各处理单元分两组平行设置,平面布置见图1,竖向布置见图2。二级处理单元采用改良AAO生物池+MBR膜池工艺,出水水质主要指标设计值执行《地表水环境质量标准》(GB 3838)中的Ⅳ类水标准(其中TN≤15 mg/L);污泥脱水采用板框压滤工艺,待含水率降至60%以后泥饼外运至第三方进行最终处置。

图2 地下箱体竖向布置

3.2 建筑消防

膜酸洗药液采用30%的柠檬酸溶液(使用时在线稀释),膜碱洗和接触消毒药液采用5%的次氯酸钠溶液,生物池外加碳源采用25%的乙酸钠溶液,除磷药剂和污泥脱水调理剂采用成品PAC溶液(有效成分12%),均为不可燃溶液。设置除臭及通风系统后,地下箱体内的甲烷、硫化氢、氨气等易燃易爆气体浓度均降至规范允许范围内,无燃爆危险。地下箱体的火灾危险性等级为戊类,建筑耐火等级为一级,操作层(负1层)单个防火分区最大允许建筑面积按2 000 m²控制,防火分区之间采用防火墙分隔,各分区功能见表2。另外,地下2层的综合管廊单独作为一个防火分区(编号18),建筑面积为1 968.38 m²;地下2层其他构筑物无人区,如AAO生物池、MBR膜池、接触消毒池等均不再计入防火分区。

表2 地下箱体操作层建筑消防设计

表2中各防火分区建筑面积均包含域内结构柱和墙体截面积。为控制防火分区的建筑面积,将9防火分区、17防火分区内的柠檬酸、次氯酸钠及乙酸钠溶液池墙体从负1层底板浇筑至负1层顶板,形成不进人的封闭空间,建筑面积相应地予以扣除。根据《建筑设计防火规范》条文7.3.1,地埋式污水处理厂埋深大于10 m且总建筑面积大于3 000 m²时应设置消防电梯。由于操作人员需下至9防火分区、10防火分区、17防火分区的负2层及18防火分区,这4个防火分区需设置消防电梯。各疏散楼梯的净宽不小于1.1 m,疏散走道的净宽不小于1.4 m,任一分区的疏散距离均不超过60 m。

3.3 消防设施

地下箱体内的消防设施由消火栓灭火系统、自动喷淋灭火系统、气体灭火系统、便携式灭火器和火灾自动探测系统组成。消火栓灭火系统、自动喷淋灭火系统均采用临时高压给水系统,由消防水池、消防水泵、稳压设施、屋顶消防水箱、输配水管路及灭火设施、报警阀、水泵接合器、配套控制系统组成。其中,除消防水池、屋顶消防水箱共用外,其他设施分别独立设置。消火栓灭火系统、自动喷淋灭火系统、气体灭火系统的控制方式均有自动启动和手动启动两种,且平时处于自动开启状态。

根据《建筑设计防火规范》条文8.2.1、8.3.3、8.3.4和《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB 50974)条文3.3.2、3.6.1、3.6.2,地下箱体内的消火栓灭火系统按体积大于25 000 m³的地下建筑设防,同一时间火灾发生次数按1次考虑,火灾延续时间按2 h考虑,消防用水量按40 L/s设计。室内消火栓灭火系统输配水管路采用不分区环状网布置,同一平面有2支消防水枪的2股充实水柱同时达到室内任何部位;栓口静水压力不超过1. 0 MPa,最不利点消火栓静水压力不小于0.07 MPa。

鉴于地下箱体为戊类厂房,火灾发生可能性低,根据《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50370)条文5.0.1,自动喷淋灭火系统按中危险I级设防,MBR膜池设备间(净空11.5 m)喷水强度按8 L/(min·m²)考虑,其余(净空7 m)均按6 L/(min·m²)考虑,火灾延续时间按1 h考虑,消防用水量按40 L/s设计。自动喷淋灭火系统输配水管路采用环状网布置,水力报警阀处的最大压力按1.2 MPa控制,最不利点喷头最低压力按0.05 MPa控制。

根据《气体灭火系统设计规范》(GB 50370),总配电间及MBR膜池配电间设有七氟丙烷气体灭火系统,采用全淹没灭火方式,设计浓度为9%。

根据《建筑灭火器配置设计规范》(GB 50140),地下箱体内的灭火器采用磷酸铵盐干粉灭火器,共设置143处,每处均配置两具手提式灭火器,局部配置推车式灭火器,以确保其最大保护距离满足规范要求。

3.4 通风及防排烟设施

地下箱体采用机械强制通风换气系统,且与除臭系统分开设置。根据《建筑防排烟系统技术标准》(GB 51251)的要求,地下箱体内属于高度自动化的工业厂房,区域内均无较多可燃物、无人员停留,故可不做排烟系统。负1层第1防火分区为一个防烟分区,设置有机械排烟系统,排烟量按照《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》条文8.2.5计算,负1层第2、3防火分区的疏散走道,设置有机械排烟系统,排烟量按照《建筑防烟排烟系统技术标准》条文4.6.3计算。疏散楼梯间、消防电梯前室设置机械加压送风系统,楼梯间与前室间设置余压阀,以保证楼梯间、前室的余压满足规范要求。根据《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50019)条文6.3.8,地下箱体内各区间换气标准见表3。

3.5 消防设计小结

该地埋式污水处理厂地下箱体建筑消防设计严格执行《建筑设计防火规范》的要求,箱体内的消防设施由消火栓灭火系统、自动喷淋灭火系统、气体灭火系统、便携式灭火器、火灾自动探测系统、通风及防排烟设施组成,单个防火分区最大允许建筑面积按2 000 m²控制。除此之外,地下箱体内还设有除臭系统,对生物处理区等设备较少的单元设置混凝土密封顶板,对预处理区、污泥处理区、膜池等必须敞口的单元的设备采用除臭罩密封,在维持良好工作环境的同时降低危险气体浓度和爆炸风险。该方案为保证工艺设计的合理性、便捷性提供有力支撑,同时也提升了厂区地面景观效果。

04 结语

(1)国内尚无针对性的消防设计专项标准,现行标准体系未能充分考虑污水处理厂的火灾特征,对地下箱体的设计约束较大。

(2)案例总结表明,目前我国地埋式污水处理厂的消防设计依据主要可分为“五级三类”。对于规模较大、防火分区划分较难的地埋式污水处理厂,一般可通过相关部门认可后的性能化消防设计方案突破现行《建筑设计防火规范》的要求,但是各厂执行情况不统一。

(3)为了解决地埋式污水处理厂消防设计的法理依据,有必要尽快总结地埋式污水处理厂消防设计经验和存在问题,适时启动对现行规范体系的完善工作。

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