漂浮的“藏宝阁”：中国工艺美术馆中国非物质文化遗产馆给排水设计
介绍了中国工艺美术馆中国非物质文化遗产馆的给排水及消防系统设计，简述了各系统形式及设计原则；分析了建筑内不同功能场所的消防措施和设计参数，包括特殊形式吊顶的喷淋布置、高大空间的水炮布置、文物库房自动灭火系统的设置，并介绍了临时展厅的消防特点；讨论了文物库房防水和排水系统的设计要点，即应从防范外水入渗、防止内水入侵、加强防水监测和排水措施保障四个方面全面考虑。
引用本文：王蒙蒙，王昊，王晓博. 中国工艺美术馆中国非物质文化遗产馆给排水设计［J］. 给水排水，2022，48（8）：68-74.
中国工艺美术馆中国非物质文化遗产馆工程（以下简称“本项目”），是 “十三五”期间建设的国家重点文化设施，是展示中华优秀传统文化、弘扬中华民族审美观的国家级文化殿堂。本项目于2022年2月5日正式落成开馆，这座漂浮的“藏宝阁”最终华丽亮相，成为奥林匹克公园区又一座新的文化地标；以丰富馆藏、精品展览、创意产品、优质服务满足人们的文化需求，填补了我国工艺美术和非物质文化遗产国家级博物馆的空白。
本项目为打造节水节能、实现水资源高效利用的绿色生态博物馆，制定了分质供水、水资源循环利用、选用高效洁具、采用智能计量等节水供水模式，并利用可再生能源提供热水需求；对藏品区通过科学合理的防水构造及排水方式，提升博物馆建筑整体防水安全性能，避免藏品遇水受损，确保保存环境的稳定性；以人为本在公共区域设置高品质直饮水、安全可靠的消防设施，为参展观众提供了舒适安全的观展环境。
1、Part.1
工程概况
本项目位于北京中轴线北延长线上，北京奥林匹克公园中心区的文化综合区B02地块。用地面积2.65 km²，南北长约255m，东西宽度随弓形的湖景东路的角度变化，约96~110 m。用地北临大屯北路，北侧为中国科学技术馆；西临湖景东路，面向奥林匹克公园和龙形水系，南侧为大屯路城市主干道。项目的东侧面向位于B03地块的另一个国家级文化项目中国共产党历史展览馆，并与其共同围合成广场。此广场位于文化综合区的中心轴线之上，其北端为中国科学技术馆，南端为中国历史研究院。本工程总建筑面积91 126m²,地上6层，地下2层，建筑高度50m；首二层主要功能有互动体验展厅、多功能厅，业务用房，贵宾厅；三层为业务用房；四层为临时展厅，五层为非遗常设展区，六层为工艺美术常设展厅。地下室共计2层，地下二层功能为车库；地下一层功能为藏品库房、机房、停车库。
2、Part.2
室内各系统形式
2.1 给排水系统
博物馆供水水源有市政自来水及高品质市政中水，自来水水源来自第九水厂，高品质中水水源来北小河中水厂。建筑内对不同用水点分设供水系统分质供水，自来水主要供应于厨房、咖啡等生活饮用水及卫生间洗手用水；高品质中水主要用于车库、道路冲洗、屋面及室外绿化浇洒、卫生间冲厕等用途；对馆内所有用水设置三级计量，所有计量水表均为远传表，纳入馆内能耗监测系统；选取高效节水的用水洁具，达到绿色节水的目的。
博物馆周边市政自来水供水水压不低于0.2MPa，从北侧大屯北路和南侧的大屯路的市政给水管道分别引入一根DN200给水管进入用地，服务对象为业务用房及展厅卫生间洗手、咖啡厅、员工食堂、职工生活区配套淋浴等生活用水。二层及以下由市政管网直接供水，三层及以上加压区采用水箱加变频水泵加压供水。冷却塔冷却水循环使用，冷却循环水补水单设水箱及供水泵组供给，冷却塔用水量按24 h冷却塔补水量取值，水箱储存水量按照2 h取值。
中水供水水压不低于0.12MPa，服务对象为展厅及业务用房及展厅卫生间冲厕、室外绿化和道路浇洒等，地下室采用市政压力直供，首层及以上加压区采用水箱加变频水泵加压供水。中水管道严禁与生活饮用水给水管道连接。
生活用水定额均按照《民用建筑节水设计标准》选取；员工餐厅、业务用房、安保人员数量根据馆方规划人数；互动体验厅、多功能厅、展厅等参观区域等根据参展观众数量进行统计，由用水定额与用水人数统计后工程年预估总用水102012.68m³，其中市政自来水用量43893.5m³，中水用量58119.18m³。
在首层员工厨房、业务用房、三层职工生活区热水用量大的区域供给集中热水，生活热水热源优先采用太阳能, 太阳能不能保证时辅助热源由燃气锅炉提供。采用强制循环间接太阳能热水系统，太阳能集热板设在屋顶，集热器采用热管式真空管，面积200 m²，采取防冻、防结露、防过热、防雷、防电击、抗雹、抗风、抗震等技术措施，为避免太阳能集热器过热，当太阳能集热器顶部温度高于设定温度时，控制系统将自动开启太阳能散热器进行散热，以保护太阳能集热器，直到太阳能集热器顶部温度降低到设定温度时再重新开始集热温差循环。二次循环生活热水由导流型容积式换热器提供，太阳能集热板提供热水可满足超过75%的热水负荷。
在展厅、业务用房区域均匀设置饮水处，饮水处内配置开水器及末端净化设备(采用超滤或纳滤工艺)供应参展观众及业务用房人员饮用水。展厅内开水器设有防烫温控设置。
室内卫生间采用污、废水合流，设置环形透气管的排水系统；建筑内部地上排水经管道汇集后在地下一层排至室外；地下室的废水经管道收集后排入集水坑，污水排至一体化提升设备提升排至室外；厨房排水经隔油器处理后排市政污水检查井，在变配电内预留集水坑及潜污泵排水条件。
雨水系统建筑主屋面采用虹吸雨水系统，12.5m室外平台屋面采用87型雨水斗的半有压雨水系统,在本项目设计阶段，《建筑给水排水设计标准》（GB 50015-2009）尚未实施，屋面雨水系统的溢流措施，考虑增大虹吸雨水系统和半有压雨水系统的设计重现期，按照50年重现期计算雨水流量、选取雨水斗和雨水管的规格；对于室外场地雨水重现期按照10年一遇进行降雨量计算，加大雨水管渠排水能力，适当增大排水管规格起到一部分调蓄功能，首层入口地面找坡至远离建筑物方向，并在入口处设排水沟拦截，与环遂相接的口部设置集水井和排水泵进行防护，室外地面铺装采用透水砖、下凹式绿地等措施就地入渗，并配置雨水调蓄池进行外排径流系数调节，收集雨水可回用浇灌绿化，绿化浇洒系统装设土壤湿度感应器、雨天关闭装置等措施，车库及道路冲洗全部采用节水高压水枪。
2.2 消防设计总用水量
分析不同火灾场所需设置的消防系统及对应的消防设计流量见表1，选取最大设计用水量作为消防储水依据，根据表1中统计，地下停车库所需消防用水量最大，消防储水容积需522m³，消防水池设置在地下一层，室内消防水池兼做空调系统蓄冷水池，空调蓄冷为闭式系统，可保证消防水量不被动用。高位消防水箱设置于建筑最高点的屋面机房层上方，高于所有消防设施，其有效容积为36m³。
表1 各区域消防设计流量
2.3 室内消火栓系统
全楼室内消火栓系统按一类高层公共建筑进行设计，采用竖向不分区的临时高压消防给水系统，用水量为30L/s，水源为地下一层室内消防水池，系统水压由地下消防泵房内独立消防泵组提供，高位消防水箱设置消火栓系统稳压设备。各层按室内任何部位有2支消火栓水枪的2股充实水柱同时到达的要求布置，其充实水柱长度不小于13m，栓口设定出水压力控制在0.35~0.5MPa。消火栓均采用带灭火器箱组合式消防柜，消防柜内均带自救卷盘。
2.4 自动喷水灭火系统
自动喷水灭火系统主要根据博物馆不同区域的功能及净空高度来确定系统的形式及设计参数，见表2。
表2 自喷系统设计参数
从表2中可看出地库内局部有三层机械车位，在此区域的自动喷水灭火系统设计中，增设两排机械车库喷头,按同时动作14只喷头考虑，系统设计流量约55L/s, 机械车位区喷头采用易熔合金直立式+边墙型喷头。
自动喷水灭火系统采用临时高压消防给水系统，与消火栓系统共用室内消防水池及高位消防水箱，设置独立的系统供水设备、屋顶稳压设备，系统设计流量按表2所列的各系统最大设计用水量确定为55L/s。
在设计之初，无法判断精装吊顶形式，自喷系统流量根据表2不同危险等级参数进行计算，后期配合精装过程中，需对于特殊区域的喷头布置进行分析，复核系统设计流量或管径预留是否满足要求，复核吊顶形式是否满足喷头安装要求。
对于通透性吊顶，根据《自动喷水灭火设计防火规范》(GB 50084-2017，以下简称“自喷”的7.1.13通透性吊顶的喷头设置原则，复核吊顶开孔率大小，确定安装喷头的形式，判断是安装上喷、上下喷或下喷。另需按照“自喷”5.0.13条“装设网格、格栅类通透性吊顶的场所，系统的喷水强度应按规范规定值的1.3倍确定”据此复核喷淋系统设计流量和支管管径。集热罩的做法应兼具集热和美观。图1a、图1b为通透性吊顶处喷头安装；图2a、图2b、图2c为特殊造型处喷头点位布置。
图1 通透性吊顶处喷头安装
图2 六边形吊顶喷头布置情况
2.5 临时展览布展消防
对于4层临时展厅，净高小于8m，设置喷淋及消火栓保护，喷淋系统按照中危Ⅰ，喷水强度6L/（min·m²）,作用面积160m²,系统设计流量约30L/s,除强弱电间外均布置喷淋点位，消火栓系统设计流量30L/s，所有区域采取两支消火栓水枪充实水柱保护。布展消防是开展前期需关注的重点，临时展厅布展时间长，展览内容及布展流线变动大，需在前期对布展规划方案进行约束，布展方案不应改变原有建筑的防火分区和安全疏散体系，不应擅自改动拆改遮挡消防设施，不能妨碍消防设施的正常使用，展厅内搭建的特殊展示区域和临时展棚不应超过2层，且搭建区域的安全疏散线、消防设施、搭建材料的燃烧性能等应符合规范要求，展墙上部不应到顶，展墙与吊顶垂直高度应按照“自喷”7.2.4复核。展厅内安全疏散路线可结合参观流线做到清晰、便捷、通畅。在平面与空间布置中，布展构件与原建筑结构、设备、设施之间，展位或搭建物与展厅墙体之间应留出通道的宽度，安全出口和疏散出口前、消火栓开启方向以及防火卷帘四周宽度等均应有安全距离。展区任何部位应在原设计布置的两股消火栓保护范围内，在展厅内加强手提灭火器的配置，多处分散布置。
2.6 大空间智能灭火系统
本工程为一类高层建筑，所有场所均需设置自动灭火系统。中央序厅为地上建筑通高的高大空间，净高约40m，且顶面为玻璃天窗，不适宜采用自动喷水灭火系统保护，设计采用大空间智能型主动喷水灭火系统作为替代措施。本工程开展设计时，国家标准《自动跟踪定位射流灭火系统技术标准》（GB 51427-2021，以下简称“射流标准”）尚未发布，当时执行了行业标准《大空间智能型主动喷水灭火系统技术规程》（CECS 263-2009，以下简称“大空间规程”）。中央序厅平面尺寸为25.5m×25.5m，采用自动扫描射水高空水炮灭火装置，单台装置的射水流量为5L/s，最大允许保护半径20m，允许安装高度6~20m。
自动扫描射水高空水炮灭火装置的末端布置，以保证保护场所内任一部位有2台设备同时保护为原则，结合建筑师对于装置安装位置的考虑，最终将装置设置在中央序厅两侧四层楼板下方吊顶下，安装高度约8.5m，平面位置如图3所示。
图3 中央序厅自动扫描射水高空水炮灭火装置布置
依据“大空间规程”，采用自动扫描射水高空水炮灭火装置的设计流量与末端装置的布置行列数量相关，本工程可视为“2行×2列”布置，系统按同时开启的装置数量为4台考虑，消防设计流量为20L/s。
该系统进行调试和消防测试时，采用了接收到火灾信号后4台装置同时动作，当瞄准火源即射水的控制逻辑。但实际测试过程中，由于接收信号前装置的初始方位各不相同，4台装置寻找火源出现了时间差：第一台装置最先瞄准火源开始射水，火势迅速得到抑制，随后第二台装置瞄准射水，明火被扑灭；而后这两台装置停止射水，其他2台装置未开启射水，如图4所示。
图4 自动扫描射水高空水炮灭火装置测试
关于该系统同时动作装置的数量，“大空间规程”采用了根据装置布置的行列数作为判定依据，原因在于装置的探测半径略大于射水半径，可能造成某一着火点致多台装置同时能够探测到并开启射水，这样的设计要求避免了末端装置探测出现偏差时系统供水不足的问题。随着红外或影像火灾探测技术、系统控制逻辑的进步，新发布的“射流标准”规定：喷射型自动射流灭火系统应至少有2台灭火装置对火源扫描定位，并应至少有1台且最多2台灭火装置自动开启射流。这样的设计要求使得该系统从控制逻辑上提高了消防灭火效率；同时“射流标准”规定对于较高危险等级采用射流量更高的灭火装置，也有助于提高该系统的灭火成功率。
2.7 气体灭火系统
博物馆内的文物库房藏品内的珍品文物如丝织品、精品字画、竹木漆器等，一旦浸水损坏，损失巨大，前期通过论证确定在文库库房内采用何种自动消防灭火措施。通过对超细干粉、气溶胶、高压细水雾及清洁气体的二氧化碳、氮气、氮氩二氧化碳混合气体（IG541）、七氟丙烷等系统灭火机理的优缺点对比得出IG541混合气体灭火系统、七氟丙烷灭火系统、高压细水雾灭火系统是适用于文物库房的自动灭火系统。最终综合考虑文物库房数量、分布位置，输送距离、环境友好及造价可控等多重因素，确定选取IG541作为本项目藏品库房区的自动灭火措施。
设计IG541系统时，每个组合分配灭火系统保护防护区数量不超过8个，根据藏品位置划分3组独立的有管网组合分配灭火系统。最小设计浓度取37.5%，喷放时间取60s。组合分配系统灭火系统灭火剂设计用量应根据各个防护区实际容积分别求得，并以最大防护区的设计用量确定系统规模。
文物库房系统采用全淹没式，每套系统按同一时间只发生一次火灾考虑。气体灭火防护区内设置两种不同类型的火灾探测器。气体灭火控制器在接到两个独立的火灾信号，发出火灾警报。除在控制逻辑上采用接收到火灾报警信号延时30s动作外，还可在库房门增设监控，并将防火门关闭作为气体灭火盘灭火动作的前置条件：在确认防护区防火门关闭的信号后，向防护区发出灭火指令。
3、Part.3
文物库房区防水排水措施
合理的防水措施和可靠的排水系统对文物库房区极其关键，给文物一种安全保存环境，尽量阻止或延缓文物的物理和化学性质改变，达到长久保存文物，是对文物储存环境的重点要求。在文物库房设计中，如何实现环境安全洁净，预防潜在危害对储存环境的破坏是设计的重点。在工程设计时应避免藏品库区内出现管道漏水或防水破坏，避免有水入侵文物库房，造成珍品被浸泡损坏或改变文物库房内湿度指数，产生霉菌甚至虫害。
3.1 藏品库区周边环境分析
本工程建筑形体为南北长，东西窄的长方形，场地西侧配套有地下环遂，地下室与东邻地块地下室贴建，并共用市政环遂出入口，环隧到东邻地库需借助本项目地库通行，邻地块地下功能B1商业，B2车库，为藏品文物安全考虑，库区与其他功能区物理分割，将地下一层东侧设置成停车库与东临地块相接，西侧设置成藏品库房区远离相邻地块；受限于地下室轮廓东西向窄，宽度受限，文物库区前配置了较大的卸货区、风淋室等，库区与建筑西侧外墙之间无法设置内走廊进行隔离，库区须南北向贴临地下室外墙布局。设计面临的挑战：①库区与地下室外墙相接，需考虑外墙防水漏水风险；②地下一层上方有大量排水管从西侧出线，需考虑排出管线漏水对库区影响，在分析以上因素对藏品库房影响后，总结文物库房的防水和排水设计应从：防范外水入渗、防止内水入侵、加强防水监测和排水措施保障四个方面全面考虑。
3.2 防外水设计措施
加强防水做法，本工程文物库区设置在-7.5m标高的地下一层，贴临外墙，对库区的楼板、顶板、周界墙选用抗渗混凝土；楼板、顶板、周界墙内侧均做1.0mm厚水泥基结晶渗透型防水涂料，水泥基渗透结晶型防水涂料的用量不小于1.5kg/m²；文物库房顶板以上做两道2mm厚单组份聚氨酯防水膜。科学可靠的外墙防水做法是防外水的首要手段。
3.3 防内水设计措施
（1）有用水需求的辅助用房远离藏品区，如熏蒸室修复室等有用水需求的配套房间设置在库区前端，不贴临文物库房；给库区服务的空调设备机房内有冷凝水排放，地面防水采用1.5mm厚环保型单组份聚氨酯防水涂料。
（2）尽量避免库房上方有水管线穿越，本工程无法避免，在藏品库房上方整体设置结构夹层进行物理隔离，将管道出线控制在夹层内，管道夹层地面做两道（2+2） mm厚自粘聚合物改性沥青聚酯胎防水卷材防护；管道夹层内相对均衡分为6个单元，单元之间砌墙体分割，每个单元内分设集水坑配置排水泵；分单元安装排风机，排除封闭空间内余热余湿，降低夹层内累积的湿度，避免季节性墙壁返潮及湿度过大管道结露。
（3）文物库房内设置非水消防的气体灭火系统保护，因含水管道年久后阀门或连接处易造成滴漏现象，避免有含水管路穿越房间降低隐患，库区走廊上方设置平时不充水的预作用喷淋系统。
（4）在库房上方管道夹层的有水管道，有生活供水管、生活污废水管、屋面虹吸雨水管道等；为确保排水管排除顺畅，降低排水在管道内积聚风险，在不影响夹层净高前提下，放大生活排水管道排水坡度，使水尽快排除；其他机电管线避让重力排水管，减少排水管道拐弯，禁止倒坡；屋面虹吸雨水管排水流量按照合理重现期并取系数配置管网系统，保证系统安全有冗余；夹层内所有供水排水管设置防结露保温，降低夹层内管道结露滴水的风险。经过管道优化设置、防结露保护、夹层地面做双层防水等多重保护措施，可有效降低藏品区上方夹层内漏水的风险。
3.4 防水监测
在文物库房公共走廊区和夹层区设置漏水报警，上传至楼宇监控系统，通过监测地面漏水，排查是否出现管道渗漏、阀件损坏的情况，将漏水隐患控制在初始阶段，查漏后紧急维护，提高运营管理的效率。
3.5 进水后的排水措施
（1）在库区外公共走廊段上设置截流浅沟及集水坑，防止水消防系统误启动或消防灭火时，喷洒下的水淹没地面进入文物库房；设置水消防启动后的排水系统能使消防灾后排水及时排除，避免二次灾害，集水坑内设置双泵并配置消防电源，提高消防排水设备的可靠性；
（2）在库房地面预留密闭地漏、排除管路、并配备足够的储水排水措施。
4、Part.4
结 论
本文简述了博物馆建筑内给排水及消防系统形式，各系统设置参数；并讨论了建筑内的文物库房场所采用的自动灭火系统和防水、排水系统的设计过程和采用技术措施，可作为相似工程的参考。设计所采用的部分技术措施，还需要在项目投入运行后的过程中接受验证。
