大空间建筑的防排烟性能化设计

　建筑防火设计　

大空间建筑的防排烟性能化设计

王凌东

(西藏自治区消防总队,西藏拉萨850000)

摘　要:针对大空间、大面积新型现代化建筑工程的防排烟设计难以满足规范要求的问题,对重庆国际会展中心展览馆超规范建筑工程的防排烟设计,采用实验室数据定量计算和评估的方法对其突破规范设计部分进行评估,对大空间建筑工程的防排烟性能化设计方法进行了研究探讨,为如何正确把握性能化设计的审核提供了参考。对大空间建筑防排烟设计的分析,为新型多功能建筑的性能化设计和审核提供一个思路。

关键词:大空间建筑;防排烟;性能化设计

中图分类号:X924,T U242.5　文献标志码:A

文章编号:1009—0029(2008)01-0014-04

1　引　言

建筑火灾中的烟气是造成人员伤亡的主要因素,因此建筑防排烟设计尤为重要。但由于大空间的新型现代化建筑火灾所带来的危害和严重后果,是以往小型、低层、单一化建筑无法相比的。而此类建筑如按现行“处方式”规范进行防排烟设计,不仅达不到火灾实际状况下的防排烟效果,也容易造成工程上的浪费,更为其消防审核带来新的技术难题。

重庆国际会展中心展览馆是一个典型的大空间、大面积的新型现代化建筑,由于规范的很多条款在制订时并未考虑到这类建筑的出现,故此类建筑在设计中必然会有许多地方与现行技术规范产生矛盾。

通过对重庆国际会展中心展览馆在防排烟设计方面的分析,采用实验室数据定量计算和评估的方法对其突破规范设计部分进行评估、审核,确定这些设计方案是否可行,是否能达到预期安全目标,从而为消防审核提供参考依据,为正确把握性能化设计的审核提供一个参考。

2　工程概况

重庆国际会议展览中心位于重庆市南岸区南坪北路,占地面积91554m2,总建筑面积为227222m2,其中地上183267m2,地下43955m2。展览中心主体建筑分为三个部分:展览馆、会议中心和商务酒店。

展览馆位于会展中心的南侧,共三层。一层建筑面积24870m2,二层建筑面积21808m2,三层建筑面积21808m2,一、二层分别设有2个夹层,三层设1个夹层。建筑总高度为47m,一层和二层建筑高度均为16m,三层最低处的建筑高度为15m。展览前厅为一长153.3m、宽22m、高36m的高大中庭。各层展厅通过走廊和一侧的中庭相连。整个建筑采用玻璃幕墙通透设计,第三层屋顶采用弧形大跨度钢管桁架结构屋面形式,并设带形玻璃采光天窗,不设吊顶。

展览馆一层展厅和二层均设有机械排烟系统,各排烟口间距均不超过30m,各防烟分区之间设有80 mm高的挡烟垂壁,最大防烟分区面积不超过1000 m2;三层未设机械排烟系统,采用自然排烟方式,设有地面积5%的电动自然排烟天窗;首层前厅的高大空间中庭上下贯通,未设任何防排烟设施;各层回廊与中庭相连处均设置机械排烟。展馆馆内8个疏散楼梯均为防烟楼梯间,另设有消防电梯4部,楼梯间、前室和合用前室均采用机械正压送风系统进行防烟。

3　展览馆在防排烟设计上存在的消防问题

消防审核中发现该展馆在防排烟设计中有4处突破现有消防技术规范的问题:

(1)展馆标高32m处(第三层)由于采用了弧形大跨度钢桁架结构屋面形式,致使展览部分(建筑面积15000m2)由于空间形式制约,无法设置防火卷帘和划分防火分区,而是作为一个防火分区考虑,严重超出规范的要求;

(2)展馆三层屋顶钢桁架结构未进行防火保护;

(3)展馆标高32m处(第三层)大空间净高16m,按规范要求应设机械排烟,但为避免机械排烟设备影响整个暴露结构形式的完整性,未设置机械排烟系统,而采用了电动的自然排烟窗进行自然排烟。

(4)展馆首层前厅和前廊为大空间结构,整个前厅和前廊作为一个防火分区,且前廊内未设置机械排烟系统。

4　可行性判定

建筑防排烟设计是进行建筑防火设计的基本依据,必须严格遵循。但随着建筑业迅速向功能复杂化、多样化、个性化的方向发展,新型建筑物的建筑结构、建筑性能和使用功能的不断更新,其防火安全设计也已超出了传统的“处方式”防火设计规范规定的适用范围。基于此点,考虑到展览馆属于大空间新型现代化建

筑,突破规范部分又经过中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室进行了模拟实验的安全评估,所以笔者在审核时既没有直接按规范拒绝这些设计,也没有直接采信其安全评估结果,而是对其安全评估过程重新进行了计算、审查和判断,以确保突破规范部分设计能够在火灾时不影响人员的安全。

4.1　防火安全目标和安全判定标准

4.1.1　防火安全目标

该展览馆应达到的防火安全目标及相应的设计目标,见表1所示。

表1　防火、损失和设计目标

防火目标损失目标设计目标

减少起火可能性尽量把火灾控制在早期

阶段

确保火灾探测与灭火系统的正

常作用;尽量保证火灾探测与灭

火系统的有效性

保证生命

安全展厅起火后馆内无人员

死亡

确保馆内人员逃离至安全区域;

保证疏散通道内人员足够安全

保证建筑物安全火灾不在防火分区之间

蔓延,确保三层钢架不

会发生坍塌

确保火灾控制在防火分区不会

向外蔓延,保证钢架附近温度低

于其失效温度

人员的消防安全疏散过程大致分为察觉火灾、疏散行为准备、逃生行动、到达安全区域等阶段。从火灾发生至火灾发展到对人体构成危险所需的时间,大致由可燃物被点燃及火灾发展到下述状态的时间构成:

(1)上部烟气层的热辐射强度能对人体构成危险,一般取烟气温度达到180℃。实验结果表明,烟气温度达到180～200℃时,热辐射强度达到人体对火灾环境的热辐射耐受极限值为2.5kW/m2;

(2)当烟气可直接侵袭人体时,烟气温度超过100℃。相关试验表明,对大多数建筑环境而言,人体承受100℃环境的对流热仅能维持1min;

(3)有害燃烧产物的临界浓度达到对人体构成伤害的危险浓度,典型的是CO的体积分数达到0.25%;

(4)烟气层降到人眼高度,减光度达到人员行动速度的极限值,实验表明大面积区域减光度不应大于0.1/m。

综合以上分析,确定展览馆内保证人员整体安全疏散应达到如下定量标准:

对于起火房间或防火分区:应达到2.1m以上空间平均温度不大于180℃,2.1m以下空间内的烟气温度不超过100℃,且减光度小于0.11m。

对于非起火房间或防火分区:应达到烟气层高度在2.1m以上,烟气温度不大于180℃。

对于展览馆内的夹层:应达到烟气层高度在2.1 m以上,烟气温度不大于180℃。

对于出口、前室和亚安全区达到:无烟气进入。4.1.2　屋顶钢结构安全判断

钢结构主要构件的耐火性能应保持结构在火灾条件下的稳定性。对建筑构件耐火极限的要求应考虑:

(1)建筑物的功能和用途、建筑空间的高度、与相邻建筑的相对位置;

(2)建筑物内的火灾荷载、可能的火灾强度和火灾危险性;

(3)防火分区的大小及其分隔方式;

(4)建筑物内部灭火系统的设置情况及其可靠性和有效性;

(5)消防队是否能及时救援及其救援能力;

(6)构件形式及其在结构受力体系中的作用;

(7)人员安全疏散所需要的时间。

火灾对建筑结构的影响主要是燃烧产生的高温。建筑构件的强度取决于建筑材料的性能,而建筑材料的性能会随着温度的升高而发生很大变化。例如,在200℃时,混凝土的弹性模量可降至常温时的一半,到400℃时可降至常温时的15%左右。对于钢材,温度达到550℃左右时,钢材便会丧失支撑能力,1500℃时钢开始熔化。当钢的温度达到350℃及其以上时,钢的屈服强度下降至室温屈服强度的2/3或更低。因此,可以设定钢构件开始失效的温度为350℃。

综合以上分析,确定该工程中屋顶所用钢桁架安全不需要采取保护措施的定量判据是:火焰及烟气羽流在钢桁架处的温度未及350℃,否则钢桁架应采取保护措施。

4.2　定量分析

4.2.1　烟气层温度和高度的定量计算

中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室通过对人员疏散模拟实验得出:人员在900s内能够基本疏散完毕。对这个实验结果,笔者采用了计算机模拟软件Build Evac进行核算。

从火势发展和蔓延分析看,由于夹层内可燃物和人员较少,且为非大空间部分,火源功率不会过大,距离楼层顶部较近,烟气上升距离较短,羽流卷吸量较少,因此烟气下降的速度将大大减小,其危险性远没有火灾发生在展厅地面时大。所以,在计算和设置火灾场景时,不予考虑夹层着火的情况。展厅是展馆内可燃物相对最多的区域,因此展厅起火可视为快速发展火灾,将火源设定为t2火,参考美国消防协会标准NFPA 204M《Standard o f Smo ke and Heat Venting》(2002)中火灾增长系数 的取值,见表2。

取火灾增长系数 =0.04689,则当900s时,火源功率达到38MW。疏散模拟实验已证明了15min内人

员基本疏散完毕,人员安全得到了保证,则900s时,火源功率被控制在38M W,所以最大火源功率定为38 M W。按外界环境常温20℃时确定4个火灾场景,随着时间的推移,分别计算烟气层温度的变化和烟气层高度的发展情况。

表2　火灾增长系数 取值表

火灾类型典型的可燃材料火灾增长系数/k W/s2慢速火粗木条、厚木板制成的家具0.0029

中速火棉质/聚酯垫子0.0120

快速火装满的邮件袋、木制货架托盘、泡沫塑料0.0469

超快速火油池火、快速燃烧的装饰家具0.1870

(1)场景1。假定火灾发生在三层展厅。三层展厅简化尺寸为176m×84m×16m的立方体,体积为236554m3,火源位置设置在模型中心位置。针对烟气自然填充、自然排烟(自然排烟口面积取地面积的5%)的情况分别进行计算,计算工具为FDST和CFAST。

(2)场景2。火灾发生在一、二层展厅面积最大的防火分区内。一、二层展厅共分三个防火分区,其中最大一个防火分区简化尺寸为84m×66m×16m的立方体,体积为88704m3,火源位置设置在四个相邻排烟口的中心位置。换气次数按4次/h,则机械排烟量为354816m3/h。为方便计算,排烟口简化为9个平均分布在防火分区顶部的4m×4m的开口,每个开口流量为40000m3/h。计算工具为FDS和Smo ke Cal。

(3)场景3。火灾发生在一、二层展厅面积最小的防火分区。一、二层展厅最小防火区简化尺寸为84m ×48m×16m的立方体,体积为64512m3,火源位置设在防火分区中心位置。换气次数按4次/h,则机械排烟量为258048m3/h。为方便计算,排烟口简化为8个平均分布在防火分区顶部的3m×3m的开口,每个开口流量为33000m3/h。计算工具为FDS和Smo ke Cal。

(4)场景4。火灾发生在展馆中庭。展馆中庭和展厅疏散回廊相连,回廊内设有机械排烟系统。参考上海市《民用建筑防排烟技术规程》中“当室内或走道设有符合要求的排烟措施时,无可燃物或可燃物较少且高度大于30m的中庭、大堂,可不设排烟系统。”的规定,该中庭高36m,计算时只考虑中庭烟气自然填充过程。忽略中庭内自动扶梯所占体积,中庭简化尺寸为153m×22m×36m的立方体,体积为121176m3。参考上海市《民用建筑防排烟技术规程》计算时将火源功率取为5MW,火源位于中心位置。计算工具为FDS和Smoke Cal。

对以上4个场景的计算,由中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室进行。各个场景的计算均是以假设自动喷淋灭火系统未能正常动作的最不利情况进行的,见表3。

表3　4个火灾场景数据统计表

起火分区展厅三层面积最大防火分区面积最小防火分区展厅前厅中庭烟气控制方法自然填充5%自然排烟机械排烟机械排烟自然填充外界温度/℃2020202020

烟气降到距地13.1m的时间/s380240

烟气降到距地8.1m的时间/s7601090720570

烟气降到距地2.1m的时间/s12009901960

顶层烟气最高温度/℃1057514817945

烟气层最低高度/m03322

由实验得到:自然填充时烟气层温度变化、烟气层高度发展情况;自然排烟时烟气层温度变化、烟气层高度发展情况;一、二层展厅较大防火分区内烟气层温度变化、烟气层高度发展情况;一、二层展厅较小防火分区内烟气层温度变化、烟气层高度发展情况;展厅中庭内烟气温度变化、烟气高度发展情况。这些情况均以曲线图进行了描绘,如自然填充时烟气层高度发展曲线图,见图1所示。

4.2.2　三层屋顶钢结构火羽流及烟气温度定量计算

该展览馆屋顶钢结构为横跨结构,最低处距三层展厅地板面15m,见图2所示。中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室在计算屋顶处火羽流温度时,是以消防队接警后5min到达火场边缘,在火灾后15min 开展有效的灭火战斗并控制火势发展来确定的最大火源功率为38M W(经过三次灭火演练的实际情况是:重庆市南岸区南坪消防中队接警后不能在15min开展有效灭火战斗和控制火势发展),并取40M W进行计算的,从而得出屋顶处的火羽流温度,其中以Heskestad羽流模型计算为285℃,以M cCaffrey计算为325℃,均未达到350℃,故屋顶钢结构是安全的,不必作保护措施。

笔者认为这是不妥的,主要是最大火源功率的确定不妥。作为人员疏散烟流分析计算,以消防队在火灾后15min开展有效的灭火战斗并控制火势,稳定火源

功率是可以的,因为疏散模拟实验已证明了15min 内人员基本疏散完毕,人员安全得到了保证,即使消防队不能在15min 内控制火势,稳定火源功率,对人员安全这一目标也没有影响。但屋顶钢结构的计算则不能直接按15min 确定。因为屋顶一直处于烟热之中,火势如不能在15m in 内得到控制,随着最大火源功率的增大,有可能会危害钢结构的安全,甚至引起钢结构的坍塌,从而造成整栋楼坍塌的连锁反应,这样不仅会增大火灾损失,还会危及参与救援人员的生命安全。对此,笔者重新作了计算:假定因交通堵塞消防队未能在5min 到达现场,也未能在火灾后15min 内将火势控制,而是在火灾后20min 才将火势控制,仍将火源设定为t 2火,火灾增长系数仍取 =0.04689,则最大火源功率Q = ×t 2

=68MW ,取保守值70M W 。按照Heskestad 羽流模型计算,得到的火羽流在屋顶钢构件处的温度为370

℃。

图1

　自然填充时烟气层高度发展曲线

图2　展厅三层钢结构示意图

4.3　计算结果分析

从场景1的计算统计数据看,自然填充时,烟气层在760s 时达到距地面8.1m 高度,在1200s 时达到展厅上方距地面2.1m 高度,在1800s 时温度才达到100℃。其时间上均超过人员安全疏散时间900s 。进行自然排烟时,烟气层在1090s 时达到上方距地面2.1m 高度,烟气温度低于100℃。

从场景2的计算统计数据看,在720s 时烟气达到距地面8.1m 高度,烟气温度低于180℃。

从场景3的计算统计数据看,在570s 时达到距地面8.1m 高度,在990s 时烟气达到展厅上方距地面2.1m 高度,烟气温度低于180℃。

从场景4的计算统计数据看,在自然填充情况下,烟气层在1960s 时才下降到中庭和前厅距地面2.1m 高度,而且烟气层的最低高度也不低于中庭和前厅的2m 高度,烟气层温度不超过50℃,基本不会对人员疏散造成伤害。

从4个场景的计算结果分析,顶层烟气的最高温度均小于180℃,在15min 内各层烟气也均未下降到2.1m 高度,不会对人员疏散造成热辐射和毒害影响,人员能够安全疏散。所以,三层采用自然排烟、三层展览部分15000m 2

作为一个防火分区、前厅和前廊一个防火分区且不设机械排烟是可行的。但前厅和前廊与相连的展厅之间必须采用挡烟垂壁完全分隔,确保前厅与展厅之间的烟气不会互相流动。

从钢结构的温度定量计算分析,考虑到各类不利因素对火势控制时间的影响,钢结构不采取防火保护措施不可取。

5　消防审核的结论

(1)展览馆第三层不划分防火分区;

(2)展览馆第三层采用自然排烟方式排烟,但电动自然排烟窗的可开启面积应不小于三层地面积的5%;

(3)展览馆前厅和前廊为一个防火分区,且不设排烟设施,但前厅和前廊与相连的展厅之间必须采用挡烟垂壁完全分隔,确保前厅与展厅之间的烟气不会互

相流动;

(4)不同意展览馆三层顶部的钢桁架结构不进行耐火保护的设计,根据“高规”第5.5.1条,展览馆三层屋顶钢桁架结构应采取外包敷不燃材料或喷涂防火涂料等措施,使其耐火极限不小于1.5h 。

参考文献:

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[7]郭国旗,刘正勤,王东奎.郑州国际会展中心性能化防火设计与评估

[J ].消防科学与技术,2004,23(4):334-337.

　建筑防火设计　

大型会展中心消防设计

王　敏

(厦门准信机电工程有限公司,福建厦门361001)

摘　要:由于会展中心功能特征和空间结构的不断扩大,建筑防火设计复杂性在提高、难度在加大,人们对解决该类人员聚集场所生命安全的最佳方案的需求也在不断增加。文章从火灾荷载、灭火系统、人员疏散、烟气控制等方面对大型会展中心建筑提出消防设计要求。

关键词:会展中心;火灾荷载;防火设施;疏散

中图分类号:X924,T U242.5 文献标志码:A

文章编号:1009-0029(2008)01-0018-04

我国经济的快速发展引发了会展业的高速发展,许多城市不约而同地把会展经济定为新的经济增长点。据统计,截至2006年底,中国内地共拥有2000m2以上的各类会展中心和展览场馆约170家,可用于展览的总面积达到536万m2,其中的2/3是室内展馆, 1/3为室外展馆,展览面积位居世界前列。

我国大型展馆的建设不仅速度惊人,规模更是惊人。比如,预计2008年3月开馆的新中国国际展览中心,地上总建筑面积为66万m2,其中展馆及附属设施地上建筑面积40万m2,包括16个可分合的单体、单层、无柱、大空间展厅,室内地上总使用面积20万m2; 2006年4月奠基的西安国际会展中心,面积10万m2,总投资45亿元;武汉国际博览中心,场馆面积20万m2,星级酒店22万m2,会议中心3万m2,总投资达70多亿元。据统计,近年来国内新建面积在1万m2以上的展馆达30多个。

伴随会展中心的快速发展,有关该类建筑的防火安全设计也变得更具挑战性。目前的会展中心是多用途的展示中心,空间不断扩大,设计复杂性也在增加。会展中心规模的增大意味着在一个单独的大厅里可能会经常性地容纳超过万人以上的参观者,而为了节约土地成本,两层或三层的会展中心并不少见,由此给设计带来了新的难度。大量的参观者和潜在的各种火灾荷载,使会展中心的防火安全设计成为人们最关心的问题。

1　火灾荷载

由于可燃材料,比如人造房(用许多标准化的部件构筑的组合式展示屋)、展示柜/架、展品(如汽车、休闲交通工具、纺织品)等经常大量布置在展厅里,展览大厅的火灾荷载往往非常巨大。通常,控制火灾危险最常用的手段是被动式(即划分防火分区)和主动式(即设置自动喷水灭火系统和火灾自动报警系统)两种。但由于展览空间要求的机动性很大,要通过将展览设施划分区域的办法达到控制火灾荷载和火灾蔓延的目的是相当不可取的。另外,会展中心的各类主题展也需要灵活性,它允许展示几乎所有的产品或商品,因此,限制火灾荷载也是不可取的选择。目前,在《建筑内部装修设计防火规范》中,对建筑内部各部位的装修材料的燃

Design of performance-based smoke

management of large-space building

WANG Ling-dong

(X izang G ener al Fire Brigade,X izang L hasa850000, China)

Abstract:A ccor ding to desig n of smoke mana gement of lar g e-space a nd lar ge-a rea new t ype mo der nized building can't meet the r equir ements of the related co des.Passes to the treat ise o f design o f smoke mana gement abo ut super-code building o f inter natio nal meeting ex hibition center of Cho ng qing,is appr aised for br eaked par t o f design co de with in wa y o f labo rat or y dat a quant itative computing met ho d and estimate method.Study and a nalysis of design-method of per for mance-based about larg e-space building smoke managem ent, refer ence to how ho ld the funct ion to turn to design ex act ituded o f ex amine.At the same t ime,to arisen new mult ifunctional building desig n and exa mineing o f perfo rmance-based af for ds us a useful t rain o f thoug ht.

Key words:larg e-space building;smoke managem ent; perfo rmance-based desig n

作者简介:王凌东(1972-),男,四川大竹人,西藏自治区消防总队建审处高级工程师,工程硕士,主要从事建筑工程消防审核和建筑防火方面的研究,西藏拉萨市太阳岛中和国际城,850000。

收稿日期:2007-07-11