浅析大空间建筑性能化防火设计

　　内容摘要：社会发展的需求，我国涌现了一大批大型公共建筑特别是超大空间建筑，这些建筑与以往建筑相比更追求视觉上的通透性，这类大空间建筑的防火设计也成为建筑设计的一大难题。本文通过分析大空间建筑的火灾特性，提出了性能化防火设计方法在这类建筑中的应用并，阐述了性能化防火的优越性。
　　关键词：大空间建筑,防火设计,性能化设计,防火构造
　　
　　近年来，据有关火灾的统计数字表明，我国的许多重大、特大火灾均某些大空间建筑有关。因此，研究大空间建筑的火灾特性并提供相应的防治与控制技术，已是火灾防治的一个重要课题。
　　一、 性能化防火设计原理基础
　　性能化防火设计，是运用消防安全工程学的原理及方法，在考虑到火灾发生、发展和蔓延的基本规律的基础上，结合实际火灾中所积累的经验，并通过对建筑物形状、结构、用途及其内部可燃物等方面进行综合分析和计算，从而确定性能指标和设计指标，然后再预设各种可能起火的条件和由此所造成的火灾烟蔓延途径以及人员疏散情况，来决定最佳消防安全工程措施，并加以评估，从而核准预定的消防安全目标是否已经达到；最后再视具体情况对设计方案做出调整及优化。与“处方时”设计相比较，性能化设计方案更关注是否能够实现“保证人员疏散和灭火救援不受火灾烟气影响”这一目标，而不是局限于满足规范要求最低排烟量。
　　二、大空间建筑火灾防治特征
　　由于建筑结构的特殊性和使用功能的具体需要，大空间建筑的火灾发生与普通建筑有着明显的差别，主要表现在以下几个方面。
　　1、火灾控制难度大
　　大型建筑防火往往为了控制烟气蔓延，在建筑物内设置防烟分区，但是大空间建筑内无法有效的采取分隔措施是一大难题。例如在馆厅式建筑内，解决迅速排烟问题是尤其重要的，应研究有效的自然排烟和机械排烟的方法。中庭往往是大型高层建筑的组成部分，它将多个楼层相连。而中庭的底部通常是火灾最可能发生的位置，因此烟气控制不仅要解决顶部排烟，还需解决防止烟气由起火楼层流入中庭及由中庭反流到其他楼层的问题。
　　2、探测预警机制的局限
　　目前在普通建筑中广泛使用的火灾探测器大都是以烟气浓度或温度为信号进行探测的，且大都安装在顶棚。大空间建筑中，一般层高比较高，空气的稀释，火灾烟气到达十几米或几十米的高度时，其温度和浓度都大大降低，不足以启动火灾探测器，能够达到启动探测器的时候，火灾已经形成了很大的规模，或者已经造成了很大的损失，延误了早期灭火的有利时机。
　　3、人员的安全疏散相当困难
　　大空间建筑相应的就意味着是繁华的公共场所，人员高度密集式必然的，而且这些人员一般都没规律，呈现自由活动的游离状态。一旦发生火灾，在较短的时间内将人们迅速安全疏散是一件极为困难的事情。无论在现场指挥、逃离通道设置方面，都已呈现混乱局面，加上人们心理素质的高低不同，慌乱中的人们很难以听从指挥，给疏散进一步造成困难。
　　三、大空间建筑性能化防火设计研究
　　1、控制人员安全疏散时间：人员疏散的安全评判标准是在综合考虑人员疏散速度、火灾烟气流动速度、火势蔓延时间、建筑物安全牢固的基础上，ASET（达到危险状态时间）>RSET（人员疏散完毕时间），见图所示。
　　             
　　
　　其中ASET为火灾达到危险状态的时间,通常以烟气参数作为火灾达到危险状态的描述。ASET涉及的参数主要包括烟气蔓延速率、排烟系数、建筑强度衰减系数、烟气能见度、空气温度、CO浓度等。RSET为从火灾开始到人员疏散完毕所需的时间,包括火灾探测报警时间、人员反应时间和人员疏散运动时间。RSET涉及的参数主要包括人流密度、行走速度、出口流动系数等；
　　火灾发生时，在保证建筑物基本强度的基础上，对人员疏散影响最大的是烟气能见度、、浓度和空气温度。依据资料，允许逃生的空气温度不应高于60℃，允许逃生的CO浓度不应高于500ppm，允许逃生烟气能见度不应小于13米。烟气浓度可以通过自动喷水灭火系统和防排烟系统进行控制，由于大空间自身特性，本身具有较强的蓄烟功能，而应用排烟系统可能会破坏火灾中已经稳定的热烟层。因此，需要建立大空间建筑烟气流动模式的实际数据库，通过对烟气蔓延的模拟，建立一个性能化设计的平台，为排烟设计提供指导性依据。根据总体建筑特点和人员流量数据，对各火灾场景的人员疏散进行数值模拟分析，得到人员疏散完毕所需时间RSET。再通过比较各火灾场景内ASET与RSET进行比较。得出是否能否保证建筑内人员安全。
　　2、优化建筑物的防火能力：大空间建筑其承重构件主要为钢梁和钢柱，因此主要应将防止钢结构强度失效作为设计的一个重点。钢结构失效时的临界温度与钢结构的材质、结构的几何形状、截面系数、负载情况有关，所以在性能化设计中，需要通过对不同钢结构的模拟试验，建立数据库模型，确定不同情况下钢结构的临界温度。从消防工程的角度来看，如果火灾中钢结构在要求的耐火时间内没有达到临界温度，则不需要额外的防火保护；如果达到临界温度，则需要计算等效时间来确定钢结构的保护时间。根据《建筑设计防火规范》的要求，人员密集场所建筑耐火需要不应低于二级，柱的耐火等级不应低于2.5h，梁的耐火等级不应低于1.0h，屋面承重构件的耐火等级不应低于1h。目前，钢结构防火涂料超薄型钢结构防火涂料为主，因其美观、易施工、易装修等特点，所以使用频率也最高，钢结构管材网架的内循环水冷却保护法还停留在研究探讨阶段。优良的钢结构防火涂料可以将钢结构的耐火时间提高至3h以上。因此除了模拟钢结构临界温度作为参考外，对于建筑防火涂料的选择也应该纳入性能化设计的必要。
　　3、增强的防火灭火措施：依据资料，传统感温探测器只能探测8m及以下高度的空间，感烟探测器为12m及以下，火焰探测器及红外光束感烟探测器为20m及以下。大空间建筑功能区等固定房间可采用普通感温（烟）探测器，而展览区等大空间部位在实际施工中多采用双波段火焰探测器、扫描式火灾探测器、主动时气体探测器等配合自动水炮系统等先进技术。其中图像型火灾探测报警系统应用比较广泛，在大空间建筑内水系统灭火方式仍然是最适宜的灭火方式。对于快速响应早期抑制喷头（ESFR），喷头具有反应快，水滴大，流量大，压力高等特点，可适用于9-13m的大空间建筑，但作用效果受安装规整度、建筑高度的影响较大，而且消防用水量偏高，因此施工方在ESFR的有效性和可行性上考虑较多；自动消防炮具有定位准确，灭火效率高，保护面积大，响应速度快的特点，同时对非火灾区域造成的损失小，可结合室内建筑装修实际合理布置，但一次性投资较高，对人员密集场所还应考虑到防止人身意外伤害的问题。
　　四、我国加快性能化防火设计的措施
　　我国应该加快性能化规范及配套技术的研究步伐，充分发挥性能化设计的优越性。促进性能化设计技术的发展方面，笔者认为应该从以下几个方面做起：加强各种火灾预测模型和火灾风险评估模型的研究，拓展性能化设计方法的应用空间。积极向建筑设计师和建筑管理人员介绍性能化设计方法，让他们认识、理解并自觉接受性能化设计方法。出台可操作性强的相关性能化设计指南，使建筑设计师能尽快地掌握性能化设计方法。加强新材料、新技术研究，规范材料性能参数，建立和完善数据库，提供准确的性能化指标，为性能化应用积累基础性数据。深入研究火灾规律、火灾情况下建筑内人员逃生规律和构件变化规律，为各种火灾模型的建立提供坚实的理论依据，并拓展计算机技术在消防中的应用。制定性能化消防设计规范，为性能化设计方法的应用提供法律依据。
　　结束语：大空间建筑与一般建筑存在较大差异，因此在防火性能化设计方面必须以整体分析为出发点，进而实施防火安全综合设计。在此，对大空间建筑的“性能化”防火设计进行初步探讨，并希望以此抛砖引玉，在此基础上能进一步深入开展大空间建筑防火性能的理论与实验研究，逐步制定和完善大空间建筑的防火设计规范，达到其防火性能的总目标。
　　
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