超高层建筑消防设计

95 建筑学报超高层建筑由于疏散距离长， 疏散人员多、 功能复杂、 火势蔓延快等各种因素，使超高层建筑的防火设计遇到许多新的难题， 本文仅以京基金融中心大厦为例对超高层建筑消防设计方针、 防火分区及人员疏散等方面加以总结， 工程以供探讨。1 工程概况1.1 总平面布局及功能分布京基金融中心位于深圳市罗湖区蔡屋围， 地处深圳金融、 文化中心区， 占地面积为 42353.96m 2 ， 总建筑面积约为 60 万 m 2 ，是集甲级写字楼、 白金五星级豪华酒店、 大型商业、 高级公寓、 住宅为一体的综合建筑群 ( 图 1) 。 规划设计为 A 、 B 、 C 、 D 、 E 座塔楼， 由 4 层裙房连为一体， 地下共 4 层。京基金融中心大厦 A 座共 98 层， 高 439m ，建成后将成为深圳第一高楼， 也是目前世界上最高的建筑之一 ( 图 2) 。 深圳京基金融中心大厦由泰瑞 法瑞建筑设计有限公司提供设计方案、 初步设计， 奥雅纳工程顾问公司提供结构及机电设计方案和初步设计，深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司从方案设计阶段介入， 并负责施工图设计。地下 2-4 层为汽车库及设备用房 ； 地下 1 层为商业及办公大堂， 在东侧设有夹层汽车库， 并在地块的东南角连接地铁通道 ；1 层为办公、 酒店、 住宅、 公寓的门厅及商业 ； 2-4 层为商业及配套餐饮酒楼和影城。主体建筑京基金融中心 A 座位于用地的最南端， 其内部为办公和酒店 ( 图 3) 。 1-74 层为办公， 建筑面积约为 17.6 万 m 2 ， 办公标准层层高在 4.2m 以上， 净高达到 2.8m ； 75-98 层为酒店， 建筑面积约为 4.6万 m 2 ， 酒店客房层高为 3.5m ， 在 75 层以上的酒店部分设计有内部中庭， 拥有客房289 间， 客房围绕中庭环形布局， 酒店接待大厅设于 94 层， 其上为独具特色的鹅蛋形餐饮空间， 形似飘于空中的飞艇。1.2 电梯设计特点办公楼楼层划分为办公低区及办公高区两个区域， 每个区域又分别由 4 组电梯组成， 其中两组为 6 台电梯， 另外两组为 4 台电梯 ( 图 4) 。 低区的办公大堂设于负 1 层及1 层， 乘客可乘坐 6 台双轿箱高速电梯由低区的办公大堂至 39 层及 40 层的高区办公大堂 , 然后可转换乘坐高区电梯。 高区的 4 组电梯与低区的 4 组电梯共用核心筒电梯井道。 京基金融中心大厦电梯总数为 70 台。超高层建筑消防设计 以京基金融中心大厦为例谷再平 叶林青作者单位 ： 深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司 ( 深圳， 518054)收稿日期 ： 2009-03-02摘要 / 就超高层建筑消防设计方针、 防火分区设置及人员安全疏散等方面进行了分析探讨， 提供了合理的技术解决方案。关键词 / 京基金融中心大厦 超高层 消防设计 难点解决方法ABSTRACT/ In light of Kingkey project, this paper makesanalysis of guiding principle of fire control, fire divisionand safety evacuation in super high-rise building. It proposesrational technical solution to relevant difficult points.KEY WORDS/ Kingkey Financial Center, super high-risebuilding, fire control design, difficult points, solution to theproblem设计之初， 曾做过设两个电梯转换层的方案， 办公楼楼层分为低区、 中区及高区。 两种方案经比较， 设一个电梯转换层的方案优于设两个电梯转换层的方案， 从使用者角度看， 一个电梯转换层比两个电梯转换层更直接、 更方便， 需要较少的穿梭电梯及客梯， 电梯效率较高， 成本相对要低。酒店大厦办公楼层之上， 所以设置 4 台酒店高速穿梭客梯来服务宾客从酒店首层大堂直接到 94 层的酒店接待大厅， 然后宾客可从 94 层酒店大堂向下转乘酒店客梯到达酒店客房楼层、 中餐厅、 商务中心及健身俱乐部。1.3 结构体系设计特点大楼采用了三重结构体系抵抗水平荷载 , 它们由钢筋混凝土核心筒 ( 内含型钢 ) 、巨型钢斜支撑框架及构成核心筒和巨型钢管混凝土柱之间相互作用的伸臂桁架及腰桁架组成， 使之建筑与结构完美结合。1) 核心筒采用现浇钢筋混凝土， 在混凝土墙内设置了内型钢， 增加核心筒的延性和刚度， 从而增加整体结构的刚度。2) 巨型斜支撑设置于大楼东西两侧的垂直立面上， 采用交叉型式。3) 腰桁架沿塔楼高度均匀分布， 分别设于 18 层及 19 层、 37 层及 38 层、 55 层及56 层、 73 及 74 层、 91 层及 92 层， 三区伸臂桁架则设于 37 层及 38 层、 55 层及 56 层、73 及 74 层， 增加整体结构抗侧刚度， 同时增加了外框架的抗扭性能。4) 方案及初步设计阶段， 柱子选型采用了型钢混凝土柱， 后经过经济性比较及专家论证， 柱子采用巨形钢管混凝土柱， 由于有钢管的约束， 提高了抗压强度， 承载能力高， 塑性和延性好， 节省材料及施工方便。 考虑到建筑净高、 楼板质量轻及施工进度， 楼板采用组合楼板。5) 为进一步提高舒适度， 在 91 层的东西两端各预留了一台 AMD 阻尼器的位置，阻尼器总重约 600t 。2 消防设计难点及消防设计目标2.1 消防设计难点金融中心 A 座建筑高度高达 439m ， 其中容纳了数量庞大的办公人员、 旅客及顾客， 人员集中， 垂直的疏散距离长， 疏散到地面或其它安全场所的时间也会长， 超高层建筑的楼梯间、 电梯井、 电缆井、 水井、排烟井等竖向管井多， 火灾时易产生烟囱建筑学报96设计研究 RESEARCHES IN DESIGN1 总平面3 A 座金融大厦剖面2 鸟瞰北低区办公 ( 一 )低区办公 ( 二 )低区办公 ( 三 )低区办公 ( 四 )高区办公 ( 一 )高区办公 ( 二 )高区办公 ( 三 )高区办公 ( 四 )439.000 0.000地下车库地下大堂首层大堂办公第 1 避难层、设备层办公第 2 避难层、设备层办公转换大堂办公第 3 避难层、设备层办公第 4 避难层、设备层酒店俱乐站酒店商务中心酒店客房第 5 避难层、设备层餐厅餐厅酒店接待大堂设备层规划三号路城市广场办公楼出入口京基金融中心(A 座 )B 座商业出入口商业出入口住宅出入口住宅出入口住宅出入口住宅住宅效应， 火势容易蔓延， 建筑内部一旦发生火灾， 想要凭借外部的消防手段来扑灭将比较困难。 建筑消防设计成功与否， 将直接影响整个工程的投资成本和安全使用， 因此消防设计也成为建筑设计的关键。 高层民用建筑设计防火规范 指出高层建筑的建筑高度超过 250m 时， 建筑设计采取的特殊防火措施应组织专家论证， 本工程多次向深圳市公安局消防局及广东省公安厅消防局汇报， 最后经专家论证才最终定案。本工程的设计难点有以下几个方面 ：1) 办公层防火分区面积扩大， 每层建筑面积为 2400m2-2700m2， 划分为 1 个防火分区。2) 消防电梯不能到达顶层， 由于顶部的“蛋”形造型， 顶部不宜突出机房， 97 和98 层没有消防电梯停靠。 并且消防电梯在办公与酒店交接的 74 层避难层进行转换。3) 设于 94 层的酒店大堂上方大空间的防排烟设计，酒店大堂空间高大，高 39.2m ，外形呈弧线形， 很难在幕墙侧面较高的位置安装排烟设备。 酒店客房层中庭与酒店接待大堂之间设有玻璃顶， 此处防火分区的划分要兼顾消防的 可实施性及工程造价等方面的要求。4) 本工程设置了 5 个避难区， 避难区间隔为 18 层或 17 层，超出 高层民用建筑设计防火规范 ( 以下简称高规 ) 要求的15 层间隔要求。5) 办公大堂入口有层高的上空空间，防火分区的划分要兼顾消防安全、 使用的灵活性及美观的要求。2.2 消防设计目标第一， 遵循 “预防为主， 防消结合” 的消防方针， 尽量提高建筑的自防自救能力，采取可靠的防火措施， 做到安全适用、 技术先进、经济合理；第二， 做到早期预警， 当灾害发生时， 尽可能快地通知在场的人员并确保其安全快捷地疏散 ； 将火灾扑灭在初期阶段， 利用自动喷水系统扑灭或阻止某一分区的火势向其他分区蔓 延 ； 第三，尽量避免发生火灾后火灾和烟气在建筑内部的蔓延， 合理的防火分区的划分成为阻挡火势蔓延的有力保 证； 第四，保障在火灾情况下， 主塔楼和顶部观光层的结构安全， 钢管混凝土柱、 斜支撑、梁、楼板、酒店层钢管柱及拱顶等均按其耐火极限要求选用防火涂 料； 第五，为消防人员提供必要的消防条件， 保证其生命安全， 消防控制中心做到建筑的管理与运行一体化， 在火灾发生时到灭火完成的一系列活动中， 能保证消防活动的准确性和高效性。3 京基金融中心防火设计3.1 防火分区办公标准层防火分区的划分尽量按每层为 1 个分区， 但每层办公面积的超出、 办公及酒店大堂共享空间的划分成为防火分区设计重点和难点， 具体分析如下 ：1) 高规规定， 每个防火分区的建筑面积不应大于 2000m2， 办公层每层建筑面积为 2400m2-2700m2， 扣除结构部分及核心筒内封闭不用的穿越井道等， 面积约为 2000m2左右， 将办公层每层划分为一个防火分区， 增加了办公楼层使用的灵活性，经过火灾场景电脑模拟计算及试验论证认为， 虽然防火分区建筑面积有超出 高规的要求， 但扩大的范围较小， 疏散楼梯的宽度远大于疏散人数所需， 且办公层设快速反应喷头， 加快灭火系统的启动时间， 缩小火灾规模， 这为扩大防火分区面积提供了有力的弥补措施。 办公平面呈环形布置， 保证人员双向疏散及疏散距离的要求 ( 图 4) 。2) 办公入口大堂由 7 层高的中庭所贯通， 此处防火分区的划分也是经过多方案比较， 如在每个上下连通口的周边设防火卷帘， 会造成中庭的四角有立柱， 影响中庭97建筑学报的美观； 如在两端设甲级防火门， 将 4-7 层的连接桥划分为一个防火分区， 与 1 层办公大堂同为一个防火分区， 这样 4-7 层的连接桥不能有使用功能， 限制了使用的灵活性， 为了兼顾消防安全、 使用的灵活性及美观的要求， 设计在 4-7 层中庭处设水平防火卷帘， 使每层的连接桥与各层办公同为一个防火分区 ( 图 5) ， 解决了上述两种方案的不足。3) 77 层至 90 层为酒店客房层， 由 77层至 94 层的酒店中庭与其回廊设为一个防火分区，由 77 层至 94 层之间的酒店客房与中庭回廊相通的门、窗设置可自行关闭的乙级防火门、 窗； 酒店层每层设为 1 个独立的防火分区 ； 91 层至 93 层的机电层、 第 5避难层和中餐厅每层为独立的防火分区 ；94 层为酒店大堂及咖啡吧。 原设计考虑利用设于 93 层顶部的隔音玻璃天花板将其设计为特级防火玻璃，但后来据了解满足此要求的防火玻璃造价昂贵， 需要进口， 为节省成本， 考虑此天窗采用普通的钢化夹胶安全玻璃， 在玻璃的下方设置水平防火卷帘， 但中庭的右侧为酒店的 4 部观光电梯，电梯井道在火灾时会形成烟囱效应， 这样酒店观光电梯在 93 层、 94 层的玻璃要采用防火玻璃， 同样存在造价成本和施工难度问题， 故此设计在 93 层、 94 层的中庭旁设垂直防火卷帘， 将酒店 93 层餐厅层及 94 层酒店大堂层与中庭分隔开来。 将 94 层的酒店大堂层与 97 层、 98 层蛋形观光餐厅与拱形玻璃外幕墙围合部分的内部空间划分为一个防火分区， 95 层、 96 层观光餐厅周围用特级防火卷帘将其与酒店大堂分隔， 为一个独立的防火分区 ( 图 6) 。3.2 安全疏散1) 疏散楼梯 ( 疏散楼梯的宽度满足 1m/百人的要求 )办公层的最大建筑面积为 2700m2，按每人建筑面积 10m2计算， 办公层的最多人数为 270 人， 所需的疏散宽度为 2.7m ，设计了 3 部疏散楼梯， 且均匀分布于办公层，总疏散宽度为 3.6m ， 大于要求的宽度。酒店层设有 2 部疏散楼梯， 该 2 部疏散楼梯一直通至办公层与酒店层交接处的避难层， 再通过避难层转换至办公层的疏散楼梯， 疏散至首层。酒店大堂及其 “蛋” 形餐厅平面设有两部疏散楼梯，楼梯宽度均为 1.2m 。 94 层及94 层以上楼层的人员通过这 2 部疏散楼梯疏散至下方就近的 91 层避难层。人员数量的参考确定值 ： 办公室 :10m2/ 人；酒店层：床位数 +20 员工；高级餐厅： 2.5m2/ 人； 厨房： 10m2/ 人； 后勤用房： 19m2/ 人；健身房：控制人数。据人员密度系数可以确定本大厦所能容纳最大人员数量为 14695 人。2) 避难层避难区域可分为避难间、 避难层、屋顶平台等， 避难间在上海金茂大厦的客房楼层有采用， 在每层的合用前室中设有一个避难间， 面积约 20m2， 用具有一定的耐火极限的隔墙、 楼板与其他部位隔开， 并设置了自动喷淋、 火灾报警和加压送风系统。 超高层建筑中将独立的楼层作为避难区域，或与设备层组合在一起的具有一定安全度的避难区域， 此种做法较常见。 当超高层建筑有裙房， 或标准层平面的面积随高度的增加而缩小时， 则裙房的屋顶平台、 高层的屋顶平台可充分利用作为避难区域， 如台6 酒店剖面7-a 18 层第 1 避难、 机电层平面 7-b 19 层第 1 避难、 机电层平面4 办公层平面5 办公入口大堂剖面垂直防火卷帘水平防火卷帘42.80036.60032.40028.20024.00018.0009F 办公层8F 办公层7F 办公层6F 办公层5F 办公层4F 宴会厅 0.0001F 大堂-18.500-14.500-10.500-6.500 0.000185004000400040006500(-1F)(-2F)(-3F)(-4F)18000600042004200420042004200439.000419.800414.800409.800406.300399.800394.300390.150386.00019200500050003500650055004150415049100336.900特级防火卷帘特级防火卷帘特级防火卷帘酒店中庭玻璃顶98F 餐厅97F 餐厅96F 餐厅95F 设备层94F 酒店接待大堂93F 餐厅92F 避难层91F 设备层办公办公办公双轿厢电梯酒店穿梭电梯避难区避难区避难区避难区避难区避难区避难区避难区避难区避难区避难区避难区建筑学报 98设计研究 RESEARCHES IN DESIGN北的 101 大楼， 透过 26 层逐渐内缩的基座上， 增加 8 座斗阶， 每座 8 层楼高， 每个斗座接点就是避难逃生平台。本大厦在 18 层及 19 层两层、 37 层及 38层两层、 55 层及 56 层两层、 74 层、 92 层设置了避难区， 用敞开楼梯将 18 层及 19 层、37 层及 38 层、 55 层及 56 层连接成两层的敞开避难空间 ( 图 7) ， 避难区的外围护幕墙为竖向百叶， 满足自然的采光通风， 同时在5 层办公层设有通往裙楼屋面的门， 将裙楼屋顶作为第 1 个避难层， 屋顶平台面积大，屋面楼板具有一定的耐火极限， 在火灾情况下， 避难是安全的。 避难层之间的楼层间隔 19 层至 37 层之间、 56 层至 74 层之间、 74层至 92 层之间相隔 18 层， 38 层至 55 层相隔 17 层， 相较 高规 有一定的增加， 且均已通过了消防部门的论证会议。3) 电梯疏散本大厦将穿梭电梯作为全楼疏散的辅助疏散方式， 当消防控制中心根据火势或其它紧急情况作出判断， 发出整楼疏散的指令时， 可采用 “楼梯疏散为主， 电梯疏散为辅” 的疏散方案。消防控制中心确定需要采用电梯疏散，主要采用以下策略 ： 将运行于负 1 层、 首层至 39 层、 40 层的双轿箱穿梭电梯转换为疏散电梯模式， 且只采用其中的 1 层轿箱， 往返于首层和 37 层避难层 ； 同时火灾时将设置于负 1 层、 39 层和 40 层电梯门口的特级防火卷帘自动放下， 由 37 层避难层以上楼层疏散至该层的人员可以选择等候电梯疏散， 也可以继续使用疏散楼梯， 37 层以下的人员原则上不采用电梯疏散， 只采用疏散楼梯疏散至首层室外， 消防电梯仍然主要用于消防施救人员交通和运载灭火设施使用， 可以停靠所能达到的任何楼层， 必要时可实现部分人员救援运输功能， 尤其是对残障人员的救援。将穿梭电梯兼用作疏散， 则必须做到以下方面的技术和管理措施 ： 第一， 电梯井、 轿箱以及井中的物体需要做到防火、 防烟和防水 ； 第二， 疏散电梯机房需要做到防烟和防水 ； 第三， 电梯的供电需要得到保障 ； 第四， 疏散电梯用于紧急疏散时需要有经过训练的专业人员操作 ； 第五， 电梯疏散需要做到良好的信息沟通 ； 第六， 疏散电梯系统需要进行良好的管理和维护。国内外已有一些超高层建筑采用电梯作为全楼疏散的辅助疏散方式， 如上海的环球金融中心、 英国电讯塔、 迪拜 Burj alAlam 等。3.3 消防电梯设计本大厦共设有两部消防电梯并在 74 层进行消防转换， 其中一部消防电梯最高到达楼层为 95 层， 另一部最高到达 96 层， 97层和 98 层没有消防电梯停靠， 没有消防电梯停靠的原因主要如下 ： 1) 外形造形影响，其造形为 “蛋” 形设计， 且作为本项目设计的一个独特造形考虑电梯通至顶层， 电梯机房会突破 “蛋” 的造形， 影响外部形象 ；2) 97 层和 98 层功能单一， 建筑使用面积不大 ； 3) 97 层和 98 层本身人员有限， 且很容易方便迅速地疏散至第 96 层。2 部消防电梯均在酒店层和办公层交接的 74 层避难层进行一次转换， 消防员由首层运行至 74 层的时间需要 44.6s ， 由 74 层运行至 96 层的时间需要 26.5s 。3.4 酒店大堂屋顶钢结构防火保护在消防性能化报告中 ,ARUP 公司通过对酒店大堂不同火灾场景的设定模拟， 确定酒店大堂屋顶钢结构的保护时间 ： 94 层火灾时， 受火焰影响范围内横梁、 柱脚均采用 3h 保护 (0-4.6m) ， 其它采用 1.5h 保护，此时拱顶整体结构在设计火灾条件下保持稳定 ； 98 层火灾时， 受火焰影响范围内的横梁采用 2h 耐火保护， 柱子 1.5h 耐火保护， 此时拱顶整体结构受力分析表明构件受力低于结构设计值， 整体结构满足弹性要求。 最后设计方案为使得建筑外观达到统一、 美观的效果以及易于施工， 采用了以下的保护方案 ： 距离 94 层酒店大堂地面 0-4.6m 高度的柱脚采用 3h 耐火保护 ； 酒店大堂地面以上第一圈横梁均采用 3h 耐火保护 ； 距离 94 层酒店大堂地面 4.6m 高度以上的构件均采用 2h 耐火保护。3.5 酒店大堂烟气控制酒店大堂上方大空间的防排烟设计，酒店大堂空间高大， 高 39.2m ， 外形呈弧线形， 在 98 层两端的夹层及标高 434.80m的东西两端设有排烟风机， 合计机械排烟量为 164530m 3 /h ， 中庭体积为 39734m 3 ，按规范要求换气次数按 4 次 /h 计算得排烟量为 158936m 3 /h ， 满足要求。3.6 消防供水在 91 层机电设备层设置了容量可达540m 3 的消防水池， 其中 432m 3 为消火栓用水， 108m 3 为自动灭火用水 ； 在顶层 (98 层 )设了 24m 3 的高位水箱， 作为自动灭火系统前 10 分钟的消