建筑工程消防性能化防火设计
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摘要:近年来,随着我国经济建设飞速发展,建筑技术不断进步,大空间建筑不断涌现。这些体量大、容积高、使用功能特殊的建筑在消防设计方面存在许多与现行防火规范不适应的地方,因此大空间展览建筑性能化防火设计就显得尤其重要。
0 引言
在我们国家现行的建筑工程消防设计方法主要是处方式防火设计方法,即按照国家的各种建筑设计防火规范进行设计。处方式规范对建筑设计的各个环节的防火要求,从技术指标到具体作法都作了详细的规定。这就使得建筑设计人员有法可依,有章可循,对于增强建筑物的防火安全,避免和减轻火灾危害,对于保卫社会财产和人们的生命安全,发挥了巨大的作用。
但随着社会的不断发展, 城市化步伐不断加快, 建筑技术也取得了长足发展。许多新型、大型、复杂的现代化建筑迅速涌现。在处理此类建筑的防火设计问题时, 传统的处方式设计已显得力不从心。采用性能化防火设计方法来解决此类建筑的防火问题已成为必然要求。
1 消防安全目标及判定依据
1.1基本的消防安全目标
1.1.1 保证生命安全。应当根据烟气的流动特点和人员的行为特点,做好疏散通道、避难区的设计,选用合适的火灾报警系统和疏散诱导系统,保证所有人员能在有限的安全时间内撤离起火建筑,并保证灭火救援人员的安全。
1.1.2 保护财产、防止火灾蔓延扩大。主要目的是减少火灾高温对建筑物其它部分的影响,防止起火建筑对相邻建筑或设施造成危害,避免形成区域性大火和建筑的结构不会因火灾作用而受到严重破坏,需要考虑使用具有足够耐火强度的构件材料、采取合理的防火分隔和有效的灭火措施。
1.1.3 保证设施的连续运行。重点是保护某些一旦失去功能,将对其它地方造成连锁反应的重要场所,即限制可燃物的种类及数量,使其产生的热辐射小于能对目标设备产生不可接受的损失的值。
1.1.4 减少起火的可能性。重点考虑合理选择建筑材料、室内设备和物品的燃烧性能,加强有关材料的阻燃处理,对易燃易爆物品采取必要的防护措施等。
1.1.5 限制火灾和灭火方式对环境的影响。主要是限制在施工中使用能产生大量有毒气体的材料。建筑物的消防安全目标视其使用功能、性质及建筑高度而有所区别,设计时应根据实际情况在上述几个目标中确定一个或者两个目标作为主要目标,并列出其他目标的先后次序。对于人员密集的大空间展览建筑,其首要目标应是保证人员的生命安全。
1.2性能判据
性能判据是一系列在设计前把各个清楚明确的设计目标转化成用确定性工程数值或概率表示的参数,它是后期评价设计方案是否可行的性能基准。根据大空间展览建筑确定的消防安全目标,其性能判据主要有人员安全疏散、灭火救援人员安全、防火隔离带安全和钢结构安全等。
1.2.1 人员安全疏散判据
人员安全疏散设计的原则就是要设置规范中规定的疏散设施,并使之满足规范的标准。其判定方法可以通过与我国现行消防技术规范的规定对比分析确定,或者通过计算火灾发展到致使环境条件达到人体耐受极限的时间ASET(Available Safety EgressTime,即可用的安全疏散时间)和从火灾发生到人员疏散到安全地点所用的时间RSET(Require SafetyEgressTime,即人员疏散所需的时间),从而判定人员在建筑物内的疏散过程是否安全。而且人员能否安全疏散与防火分区的划分、火灾烟气的控制、火灾探测和灭火系统的选择密切相关。烟气层高度、辐射热、对流热、毒性和能见度都会影响到人员的安全疏散。
有关大空间展览建筑人员安全疏散的判断标准,最重要的判据是可用的安全疏散时间(ASET)必须大于人员疏散所需的时间(RSET)。可用的安全疏散时间指的是从火灾发展到致使环境条件达到人员无法忍受状态(耐受极限)的时间,这个安全疏散时间的标准涉及到“热烟层”的概念,即火灾时在房间顶棚下形成的烟气层。
人员无法忍受状态(耐受极限)的判据由下列标准组成:
(1)如果热烟层距地板高度在2m及2m以上,则烟气层的平均温度不超过180℃;
(2)如果热烟层距地板高度小于2m,则烟气层的温度不超过50℃,且能见度不小于10m;
(3)如果热烟层距地板高度小于2m,CO2浓度不得超过1%(体积百分比),CO浓度不得超过2500ppm。
1.2.2 灭火救援人员安全
消防安全目标之一是为灭火救援的全体人员提供便利并保证安全,这在一定程度上主要靠设置下列设施来实现:
(1)自动喷水灭火系统;
(2)火灾探测系统;
(3)消火栓系统;
(4)保证在消防队灭火救援时,建筑物结构具有足够的稳定性。
尽管如此,建筑物的内部环境在设计时还必须考虑到要利于搜寻营救并减少灭火的难度。结构的稳定性设计要考虑到火灾烈度,承受火烧而不倒塌。一般说来,建筑物内设置了自动喷水灭火系统和排烟系统时,烟气的温度就可以得到控制,消防队员在火区营救和灭火的耐受性就有了保证。
1.2.3 防火隔离带安全判据
为了验证以一定宽度的通道作为防火隔离带是否满足消防安全要求,有必要计算一个防火分隔区着火后,是否会对相邻的防火分隔区安全构成危险,即在安全通道一侧展区着火后,通过火焰辐射引燃安全通道另一侧展区。对于特定的可燃物,它被引燃的辐射热通量可以通过实验手段测定,也可以通过查相关的实验数据获得。
1.2.4 钢结构安全判据
在结构喷淋失效或者其它因素导致不能初期灭火的情况下,主要通过被动防火措施来达到钢结构防火保护的目的。在火灾发展过程中,钢结构将暴露于火灾产生的热烟气之下,然而钢结构的暴露情况将有所不同,如对没有受保护的钢梁来说,很可能其四个边都暴露于火灾之下。暴露于火灾烟气下的钢结构将受热而致使温度上升,随之其强度、塑性等受到影响,最后导致结构失效。
钢结构失效时的温度常作为临界温度,即失效标准所取温度,一般取为542℃。这是一个广为接受的钢结构耐火设计准则。这个标准也会因钢结构元件类型和尺寸不同而有所不同,如ASTM将钢筋的临界温度取为593℃,而预变形钢的临界温度取为426℃。
也有文献在进行钢结构性能化防火设计过程中,保守地将钢结构的蠕变温度325℃作为安全设计标准。钢结构的临界温度随其材质、结构的几何形状、截面系数、受载等多种因素的不同而存在差别,而与是否实际火灾、模拟火灾对象无明显的关联。也就是说钢结构的材质、结构的几何形状、截面系数、受载等因素确定后,其临界温度是一定值。
目前对大空间建筑钢结构在火灾中的结构稳定性分析,采取的方法是设定具体火灾场景,用区域模拟或场模拟预测空气的温度。如果考虑一个受载的钢结构,在钢材温度到达325℃之前构件都应保持它的承载能力。从消防工程的观点来看,如果在火灾中钢结构在要求的耐火时间没有达到325℃,就不需要额外的防火保护。如果达到325℃,就需要计算等效时间来确定钢结构的保护时间或验证设计
的结构保护能否满足功能目标和性能要求。
2 目前新型大空间展厅在消防设计中存在的问题及对策
新型的大空间展厅在消防安全上有较高的要求。由于其复杂特殊的功能需求,在对建筑设计提出更高要求的同时,也对消防安全提出了新的挑战。这类建筑设计尽最大可能遵循国家有关的消防技术规范,但其高大的空间设计与普通建筑有较大的区别,致使与之相关的一些消防设计偏离现行的设计规范。与“处方式”防火设计规范相比较,新型大空间展厅的消防设计主要存在以下问题:
2.1 根据《建筑设计防火规范》第5.1.1条规定,对于耐火等级为一、二级的民用建筑,其防火分区最大允许建筑面积为2500m2,当建筑内设置自动灭火系统时,每层最大允许建筑面积可增加一倍,即防火分区最大允许建筑面积可增加到5000m2。
该建筑展览厅受空间形式制约无法设置防火墙、防火卷帘等划分防火分区,很多大空间展厅一个防火分区的面积都大于规范规定的上限。而且,根据规范该条的规定,展览建筑的展览厅防火分区间最大允许长度和和每层最大允许面积可以根据需要确定,而怎样划分更科学合理和采取哪些相应的消防技术措施,规范没有明确规定。
2.2 《建筑设计防火规范》没有明确规定展览厅的安全疏散距离,依据规范第5.3.8条规定,房间内最远一点到房门的距离不应超过袋形走道或尽端的房间从房门到外部出口的最大距离,对于一、二级耐火等级,其最大安全疏散距离为22m,当设有自动喷水灭火系统时,其安全疏散距离可增加25%,即最大安全疏散距离为27.5 m。即使参照《高层民用建筑设计防火规范》第6.1.7条的规定,展览厅内任何一点至最近的疏散出口的直线距离不宜超过30m,这使得展厅在设计上局限性很大。
2.3根据《自动喷水灭火系统设计规范》第6.1.1条规定,采用闭式系统场所的民用建筑最大净空高度不应大于8m。新型大空间展厅净高多数都超过了8m。比如成都新会展中心,其展厅净高超过了12米。
2.4《建筑设计防火规范》没有明确规定防排烟设置方式,参照《高层民用建筑设计防火规范》第8.4.1条的规定,净空高度超过12m的中庭应设置机械排烟设施,现在展览厅侧墙上部设置自动开启排烟窗,采用自然排烟方式以避免设置机械排烟设备影响整个结构形式的完整性。
目前新型大空间展厅消防设计存在的问题涉及到防火分区、安全疏散、防排烟、消防设施选择,有的还涉及是否需要对钢结构保护、是否设置穿越建筑物的消防车道等,这里初步提出可供选择的解决办法并着手运用性能化防火设计方法分析研究。
2.4.1 针对防火分区超规的问题,目前设计和施工的大空间展览建筑一般由多座展览大厅组合而成,是否可以考虑将每座展览厅划分为单独的防火分区,各分区之间在设计上采用传统的分区方法分隔,而对于超面积的每座展览厅,则在展览厅内采用以一定宽度的通道作为防火隔离带的方法划分动态的防火分区,在具体布置展位时避开这个通道,保证通道上没有可燃物,通过建筑材料的不燃化及可燃界面的非连续化等措施,将展览厅在空间上形成一个无形的防火分隔区域。方案是否可行,在性能化设计中需要计算人员安全疏散时间、进行烟气蔓延模拟和计算辐射热通量来验证。
2.4.2 针对疏散距离超规范的问题,对于大空间展览建筑难以实现在建筑的中部设置疏散楼梯和设置专用的安全疏散通道,是否可以在不影响立面效果的情况下在建筑周围尽可能多地设置直通室外的安全出口和增加疏散宽度。方案是否可行,在性能化设计中需要选取较不利火灾场景模拟火灾发展、烟气蔓延和人员疏散的情况,通过安全判据确定人员在其内部是否能安全疏散。
2.4.3 针对自然排烟的问题,虽然机械排烟是控制烟气蔓延的最有效的方法,也能够在技术上实现,但对于大空间展览建筑而言,由于其空间高、体积大,具有较强的蓄烟功能,若采用自然排烟,结构简单、容易操作,也比较经济,尽管自然排烟是一个比较缓慢的过程,容易受到环境条件和建筑物本身的密闭性的影响。是否可以根据烟气的蔓延模拟,分析烟气自然填充情况,验证烟气通过设置的自然排烟口在常温和夏季高温时的排出效果,且最重要的是不会对人员的疏散造成影响。
2.4.4. 针对火灾探测和灭火设施选择的问题,大空间展览建筑采用普通的火灾探测技术无法及时发现火灾,常用的闭式喷水灭火系统不能有效发挥作用,可分析大空间展览建筑火灾早期烟气运动特性并进行系统比较选择。对火灾自动报警系统,在火焰探测器、红外对射式感烟火灾探测器、光截面图像感烟火灾探测器和早期可视烟雾探测(VSD)火灾报警系统中进行比较;对灭火系统,在雨淋系统、固定消防炮系统、自动扫描射水高空水炮灭火装置和参照《自动喷水灭火系统设计规范》和FM公司试验数据设计的快速响应闭式自动喷水灭火系统中进行比较。
2.4.5. 针对钢结构是否需要防火保护的问题,从安全性和重要性考虑,钢结构的大空间展览建筑应当按照规范确定的耐火极限进行保护,采用喷涂、包敷、屏蔽水喷淋等方法为构件添加保护层,对钢结构喷涂防火涂料是当前广泛采用的一项耐火保护技术。但从经济性和合理性考虑,对于单层的大空间展览建筑和设在顶层的展览大厅,常常对钢网架是否需要保护进行计算,方案是否可行,在性能化设计中需要计算火羽流温度和等效时间来决定钢结构的耐火需要。
从上面的分析可以看出,运用性能化防火设计方法解决大空间展览建筑存在的问题应从几个方面入手:一是出发点,即确定消防安全目标和性能判据;二是基础,即设计火灾场景;三是手段,即利用工程工具模拟计算和分析,计算人员安全疏散所需时间,预测烟气流动特性,计算辐射热通量等并进行安全性分析;四是目的,即得出较为满意的防火设计方案,保证人员安全和建筑物安全。
3 结束语
大空间展览建筑消防性能化设计乃大势所趋,它可以使建筑设计更加经济实惠,更具创意,更具美观,也会鼓励创新,促进当地工业的发展和技术的进步。性能化设计将和规范化设计并存。由于性能化设计的复杂性,规范化设计将依然为相对简单的楼房设计的最佳选择,性能化设计需要有规范来保障,有标准来指引,有专业人员来应用、审批和实施,因此大量的工作有待于大家去完成。