（环境工程专业论文）大型展馆性能化消防安全设计及评估研究.pdf

摘要 本文介绍了性能化消防设计的背景及其基本设计思想，以及其在国内外的发 展现状，提出了研究和发展性能化防火设计的意义，分析了传统规范与设计的局 限性，介绍了性能化舫火设计的优点。通过对大型展馆设计工程中存在的主要问 题进行分析，对其性能化设计目标、火灾场景、火灾规模、烟气控制、人员安全 疏散和消防队员的保护等多方面进行了深入的研究和探讨，合理选择出适用于该 项目性能化消防设计的性能化评估方法和理论模型，完成了这一特殊形式建筑消 防安全设计性能化评估，使建筑形式的创新和火灾防治的安全性、经济性得到了 有效统一。全文共分为五个部分，性能化设计评估方案及其实现过程是本文的重 点。首先主要说明了课题研究的背景和意义、介绍了性能化防火设计的概念，国 内外相变研究的进展与状况；其次以中央美术学院美术馆工程为例，对其设计作 了简要介绍；提出了设计中存在的消防问题及需要进行性能化设计与评估的内 容；设定不同的火灾场景，以预测最不利情况下排烟系统能否为人员疏散提供清 晰的可逃生路径，烟气模拟部分采用了f l u e n t 与f d s 软件，疏散模拟部分采 用了s 1 m u l e x 软件；在现有设计情况下，计算出了不同火灾场景中烟气层下降 到人员高度时间与人员疏散至安全区域所需时间，如；在中庭底部发生火灾时， 全楼人员疏散时间为7 1 2 s ，而烟气层下降到人员高度所需要的时间至少在9 0 0 s 以上。最终模拟预测的结果表明，对于选取的火灾场景都有： r s e t a s e 丁 同时根据软件模拟的结果对现有疏散路径提出了整改建议，整改后使疏散时 间有效减少1 6 ；最后利用经验公式对火灾蔓延的可能性进行了预测。 关键词：消防性能化设计评估人员疏散计算流体动力学 a b s t r a c t a b s t r a c t ab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h eb a c k g r o u n da n db a s i cc o n c e p tf o rp e r f o r m a n c e b a s e d d e s i g ni sp r e s e n t e d b a s e do f lt h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o ni n s i d ea n do u t s i d et h ec o u n t r y ， t h es i g n i f i c a n c eo fd e v e l o p i n ga n ds t u d y i n gt h ep e r f o r m a n c e b a s e dd e s i g ni sd e p i c t e d ， t h ep a p e ra n a l y z e st h el i m i to ft h ep r e s c r i p t i v ec o d ea n dd e s i g na n dd e s c r i b e st h e d i s a d v a n t a g e so ft h ep e r f o r m a n c e - b a s e dd e s i g n l a r g ee x h i b i t i o nh a l l i su t i l i z e dt o i l l u s t r a t et h ep r o c e s so fp e r f o r m a n c e - b a s e dd e s i g n ，w h i c hi si n c l u d i n go b j e c t i v e ， s c e n a r i o ，f i r es i z ed e s i g n ，a n ds m o k ec o n t r o ls y s t e md e s i g n ，e v a c u a t i o ns i m u l a t i o n ， a n dp r o t e c t i o nf o rt i l ef i r eb r i g a d ea s e to fs u i t a b l es a f e t ys t r a t e g yi sp r o v i d e df o rt h e s p e c i a lm u s e u ma n dt h er e a s o n a b l e e v a l u a t i o nm o d e li sd i s c u s s e d t h ec o n f l i c t b e t w e e ns a f e t ya n de c o n o m yi ss y n c h r o n i z e d t h ee m p h a s e si nt h i sp a p e ra r et h e e v a l u a t i o na n da n a l y s i so fs a f e t ys t r a t e g ya n dt h em e t h o d st oa c h i e v ei t a tf i r s tt h e b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h ew o r ka r em a i n l yi n t r o d u c e d ，a sw e l la st h ec o n c e p t a n dt y p eo fp e r f o r m a n c e b a s e dd e s i g n ，t h e ni st h eb r i e fi n t r o d u c t i o no fam u s e u mf o r f i n ea r t sa n di t sf i r e s a f e t yp r o b l e m d e s i g n i n gd i f f e r e n t s c e n a r i oa n dr u n n i n g s i m u l a t i o ns o f t w a r ea n t i c i p a t et h ep o s s i b l er e s u l t s t h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s s o f t w a r eu s e di nt h i sp r o j e c ti sf l u e n ta n df d s f o rs c e n a r i o1 t h ee v a c u a t i o n t i m ei s7 12 sw h i c hi sl e s s e rt h a nt h et i m ea c q u i r e df o ri t t h es i m u l a t o ro ft h e e v a c u a t i o ni ss i m u l e x a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s s o m es u g g e s t i o nw h i c hc a nr e d u c e t h ee v a c u a t i o nt i m et o8 4 i sg i v e na b o u tt h ee v a c u a t i o np a t h f i n a l l yt h ep o s s i b i l i t y o f f i r es p r e a di sf o r e c a s t e d k e yw o r d s ： f i r e s a f e t y , p e r f o r m a n c e b a s e dd e s i g n ， a s s e s s m e n tr e s e a r c h ，o c c u p a n t s e v a c u a t i o n ，e n m p u t a t i o n a f l n i dd y n a m i c s i i 独创性声明 奉人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 酶数蹶 眇l l 与 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分) 勺容，可以采用影印、缩印或其他复制手段傺杉沧文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 史丝一蝴i 签名 f 1 期：抄j ， 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的意义及研究目的 目前，我国对建筑物所采取的消防措施主要是根据国家有关部门制订的消 防技术规范进行设计、施工和审查监督。消防技术规范是人类与火灾长期斗争 q ，取得的宝贵经验总结，规范中的许多条文是根据实际火灾案例制定的，或足 根据确定的火灾试验的数据制定的。这些规定对规范各类建筑的消防设计、施 工安装、调试验收，预防和减少火灾事故的发生，保护人身和财产安全发挥着 重要作j j 。 传统的建筑消防设计方法是设计人员必须根据建筑物的使用性质、火灾危 险性、建筑高度、层数和面积以及平面布局等情况，严格对照有关消防技术规 范的条文给定的消防设旄设置要求及其设计参数和指标制定设计方案。国外将 现行的消防技术规范称为“处方式”规范( p r e s c r i p t i v e c o d e ，国内也有人译成“规 格式”或“指令式”规范) ，而将这种传统的设计方法称为“处方式”方法。虽然消 防技术觇范给出的设计参数和指标具有一定的科学性和合理性，可以直接应用 f ，【程设计，但由于不同的建筑有其自身的“个性”，难免会出现达不到预期的 消防安全水平或因提供不必要的消防保护措施而增加建筑的成本的情况，这是 传统设计方法本身性质决定的局限性f i j ( ”。 随着我国社会主义市场经济的快速发展，建筑业也得到了空前的发展，离 层建筑、地f 建筑、体育场馆、航站及博览馆等大空间建筑越来越多。建筑规 模的大型化、使用功能的综合化、结构形式的多样化，对建筑消防安全的需求 也日趋复杂化，现行“处方式”的消防技术规范与特殊建筑和特殊设计理念在建 筑消防设计要求上的矛盾日益突出i ”。为适应建筑行业的发展需要，伴随着消 防科学技术的进步，性能化防火设计应运而生。 性能化防火设计方法是建立在消防安全工程学基础上的一种新的建筑消防 设计方法，它是根据建筑物及其消防设施必须达到的预期的安全目标，根据建 筑物的形状、结构、用途和内部可燃物等方面的具体情况，运用工程分析的方 法，闭地制宜地提出科学合理、切实可行的最优化设计方案。性能化防火设计 可以比较完美地解决不同建筑消防设计问题，满足建筑个性化的需求。设计人 员在确定建筑的消防安全目标后，根据性能要求分析特定的建筑内部的可燃物、 人员等情况，确定性能准则和设计准则，通过计算确定设计中的参数和指标， j b 塞三些态誊士翟耍主掌售簦苫 最后对设计方案进行安全评估，从总体上评估其设计的安全度、可靠性、经济 性。 随着我国对性能化防火设计与评估技术认识的不断加深，相关科研力量的 不断壮大，特别是国外承接方案设计的工程项目的不断增多，一些国内外的消 防评估机构不失时机地将这项技术推广应用于我国的工程实践。我国部分地区 已经在1 程建设项月中采用了性能化防火设计与评估技术，这其中包括隧道、 车库、会展中心、体育场馆、影剧院、写字楼及大型商场等。 随着我国经济的振兴与发展，大型展馆作为展示我国及世界科学文化成就 的一种功能型建筑开始在我国出现。本课题研究的大型展馆困其展品的特殊性、 规模的庞大性在许多方面与普通建筑有很大区别，例如空间共享、火灾荷载密 度等等。从消防角度来看，其火灾危险性位于大型展品库和普通展览馆之间， 有着自己的特点。迄今国内尚来有针对此类建筑的性能化设计与评估，因此选 择对美术馆进行性能化防火设计方法的探索，可以为以后类似建筑的防火设计 提供借鉴，有效促进我国性能化防火设计体系的完善与发展，有着重要的社会 意义。 1 2国内外研究的发展及现状 自2 0 世纪8 0 年代英国提出了“以性能为基础的消防安全设计方 法”( p e f f o r m a n c e - - b a s e df i r es a f e t yd e s i g nm e t h o d ，以下简称性能化防火设计) 的概念以来，日本、澳大利亚、美国、加拿大、新西兰以及北欧等发达国家政 府先后投入大量研究经费积极开展了消防性能化设计技术和方法的研究，南非、 埃及、巴西等发展中国家也都纷纷开展了这方面研究工作。世界各国都在积极 推行性能化设计方法的应用，并取得了巨大成就。目前，发展和完善该体系的 工作已成为国际火灾科学和火灾安全工程学的热点和前沿课题之一。 英国于1 9 8 5 年颁布了第一部性能化防火规范，包括防火规范的性能化修 改，新规范规定“必须建造一座安全的建筑”，但不详细确定应如何实现这一目 标n 澳大利亚于1 9 9 6 年颁布了性能化防火设计规范的澳大利亚建筑设计规 范( ( b u i l d i n g c o d eo f a u s t r a l i a ) ，简称”b c a ”) ，并自1 9 9 7 年7 月1 日起，在 各州政府陆续推行】。 美国j 二1 9 9 7 年出舨了以性能为基础的火灾安全导论，这是性能化方法 研究的一个重要阶段成果，2 0 0 0 年s f p e 编写了建筑物性能防火分析与设计 工程指南( 草案) 现已成为各国开展性能化防火方法研究的重要的参考资料1 6 1 。 第1 蕈绪论 的r j a ，英国的a r u p 等，运用性能化防火设计的方法进行了大量的工程实践， 积累了大量经验，同时开发出优秀的烟气运动及人员疏散模拟软件；高等院校， 科研机构则在基本理论的研究与基础数据的收集方面做r ，丈量的j 二作。 本世纪初，中国加快了性能化防火设计与评估技术的研究与开发，并j 二2 0 0 1 年将“建筑物性能化防火设计导则”等7 个专题纳入了国家“十五”期问科技攻关 计划。据了解，中国建筑科学研究院防火所、公安部所属的4 个消防研究所， 中国科技大学火灾科学国家重点实验室等单位分别承担了相关课题的研究工 作。随着经济的不断发展以及奥运会的即将召开，全国各地涌现出很多超、大、 奇、特的公共建筑，如中央电视台、北京电视台、2 0 0 8 年奥林匹克运动会主体 育场、嗣家游泳中心及五棵松篮球馆等等，以中国建筑科学研究院为首的六家 单位利用自己的科研成果及借鉴发达国家的先进经验，将性能化防火设计推广 应用于这些工程，进一步对性能化防火设计方法进行实践与探索。 国内性能化设计工作起步较晚，可以付诸实践的建筑类型较少，缺乏基础 数据的支持，与国外相比还有较大差距。但可以预测，随着中国经济的进步及 社会的发展，各类建筑物的不断出现，科研力量的不断壮大，性能化设计工作 一定会很快得到完善与发展。 1 3 研究思路及主要内容 1 3 1 研究思路 通过归纳和分析部分发达国家和地区在这一技术领域的研究成果和通行做 法，结合中央美术学院美术馆项目，为性能化设计的应用开辟薪的领域，对性 能化设计方法进行新的研究与探索。 1 3 。2 主要内容 ( 1 ) 确定分析对象的现场状况 分析建筑物的火灾危险性首先需要清楚建筑结构的特点，了解建筑构件的 耐火性能、典型构件的防火保护、防火分区的划分、防止火灾和烟气蔓延的重 要措施、通风、入员疏散设计等，进而需要识别该建筑物的重大火灾危险源。 虽然建筑物中存在着各种各样的可燃物，起火情况千差万别，但可以根据可燃 物的分布与荷载、电器与电力设施、热力设旋等因素大体确定主要危险源的位 置及危险程度。可燃物的着火特性和分布位置不同，其着火的可能性和着火后 的危险性也是不同的。进行火灾危险分析时，应当抓住那些最可能发生、且危 1 i 皤苫些厶堂苫垄耍主兰售逾奎 离最大的情形进行重点分析，或者说应当按可能出现的最危险状况进行分析， 这样就可以保证在任何情况下发生的灾害性结果都不会超过评估中考虑的结果 1 6 1 3 1 。 ( 2 ) 设定防火安全目的和目标 确定防火安全目的和目标要求是分析火灾危险性的出发点。分析火灾危险 性不能面面俱到，只能选择若干有代表性的情形进行分析。基本的防火安全目 的可分为与生命安全直接相关的目的和与其它安全相关的目的。前者考虑的是 在火灾中的各类人员的安伞，包括居住者、工作人员、顾客、消防人员等，这 是人部分建筑物防火安全的主要目标。要达到该目标，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，选用合适的火灾探测报 警系统和疏散诱导系统，保证所有人员能在有效安全时间内撤离起火建筑“。”。 ( 3 ) 选择合适的定量分析方法 建筑火灾危险的分析方法很多，有定性的，也有定量的，应当根据分析的 需要选择合适的方法。在为进行性能化设计而开展的火灾危险分析中，火灾过 程的计算机模拟是一种十分重要的定量分析工具。使用这种模拟方法可以预测 建筑物发生某种火灾后的火区大小、烟气层高度、室蠹温度、典型燃烧组分浓 度等随时间的变化。这些数据可直接用于建筑物的防火安全设计、人员疏散分 析、消防设施的作用分析等方面，也可为其它安全分析方法提供必要的参数。 不过对于某些方面的危险分析来说仅有火灾过程模拟计算的结果还不够，往往 还需要一些其它方法的分析结果进行充实。还需指出，应当根据所讨论问题的 特点选择最台适的计算方法，只要能满足分析的需要，所用的方法越简便越好。 为了进行计算，应当合理设定火灾的热释放速率，这是进行模拟计算的基本参 数。火灾热释放速率设定的合理与否直接影响计算火灾过程的准确性。迸丽影 响火灾防治对策的合理性1 皿2 4 1 ( 4 ) 具体分析影晌防火安全目标的因素 分析各有关因素对防火安全目标的影响，是火灾危险性分析的关键一环。 主要的影响因素包括：建筑物的结构特点、可燃物的燃烧特性与分布状况、窀 内外环境对火灾发展的影响、室内消防设施的配置状况、建筑物使用者的特点、 消防部门救援的状况等。进行火灾危险性分析必须紧密结合建筑物具体情况。 对于建筑火灾这种灾害性事件，人们是不会任其自由发生和发展的，有关人员 都会在其叫能的范围内采取一定措旖加以干预，而每种正确措施都可以在一定 程度上影响火灾的发展过程，对各种消防措施及其集成应用做出客观正确的分 一4 - 3 2 1 析是体现性能化防火设计的重要方面1 2 s 。 ( 5 ) 火灾防治有效性与经济性的评价 火灾危险性分析目的是为保障建筑物的火灾安全。“安全”是一个相对的概 念，多采用一些消防设施有助于减少火灾的直接损失，但设施越多消防投资也 越大。理想的情况是投入少，而火灾危险又能控制在一个较低的水平，因此需 要考虑火灾防治的有效性和经济性。为防止不恰当地增多火灾防治的总投入， 引用火灾代价来表示这一概念。火灾风险综合评价就是确定使火灾代价接近到 最小的范围。 实际上消防投入是以人们可接受的火灾风险为基础确定的。可接受风险的 大小主要是参考历史上人们对类似风殓的承受能力。当公众对火灾风险的认识 水平发生，较大变化后，可接受风险的大小也应做出相应调整1 3 3 6 1 。 ( 6 ) 给出分析报告 火灾风险分析完成后，应当给出客观、全面的分析报告。报告应明确指出 该建筑是否符合有关规范的要求、原有设计是否需要进行某些修改、如何进行 修改等。另外，火灾危险性分析的结论具有很强的时效性，如果建筑的使用状 况发生了较大改动，则其火灾危险性亦会随之出现大的变化。 1 4 课题研究方案 建筑防火安全设计的最根本目标是保护生命安全和保护财产安全。建筑防 火安全设计最重要的安全目标可以分为两类，一类是保护人的生命的安全，二 是保护物的安全。一般情况下，入的生命安全是最重要的，通常把保护入的生 命安全作为第一安全目标，保护财产的安全作为第二安全目标。 分析火灾危险性时不可熊面面俱到，只能选择若干有代表性的情形进行分 析。确定分析对象的防火安全昏标是分析的出发点。基本的防火安全目标可分 为与生命安全直接相关的目标和与其它安全相关的目标。前者考虑的是在火灾 中的各类人员的安全，包括居住者、工作人员、顾客、消防人员等，通常这是 大部分建筑物防火安全的主要目标。要达到该目标，应当根据烟气的流动特点 和人员的行为特点，做好骧散通道、避难区的设计，选用合适的火灾探测报警 系统和疏散诱导系统，保证所有人员能在有效安全时间内撤离起火建筑。 火灾发生后，实现第一安全目标即保护人员安全最根本的方法是确保人员 安全疏散，在火灾发展到危险状态前人员全部疏散到安全地点。具体判定准则 是从火灾发生到危险状态的时问啊是否大r 从火灾发生到建筑物内人员全部疏 散完毕的时问t e ( 参见图1 1 ) 。 图1 1 建筑火灾人员安全判据示意图 f i g 1 - is a f e - e v a c u a t i o n j u c l g m c n ti nb u i l d i n gf i r e 保证财产安全的目标可以通过火灾早期探测、高效扑救、控制可燃物距离 或者钢结构保护来达到1 3 1 。保证建筑物的安全与完整是在建筑物内开展各种活 动的基本条件，也是楼内各类财产得以依附的基础。一旦建筑物的主体结构受 到毁坏，楼内的一切化为乌有。火灾是破坏建筑结构安全的一种重要原阏。在 火灾产生的高温作用下，建筑构件的力学性能将会迅速变化，乃至失去支撑能 力、隔断能力或隔热能力。依据火灾发展的特点，分析建筑物构件的耐火性能， 一旦结构倒塌，蒙受的损失不单只是钢结构本身，倒塌的钢架会阻碍火灾扑救 的进行，火灾往往发展得更大而使得财产被烧毁p s 4 ”，同时对工作人员或消防 队员的生命安全都具有巨大的威胁。 1 ，5 工程简介 本论文大型展馆以中央美术学院美术馆为例，地上四层、地下二层，高2 1 m l 屋脊高度，建筑最高点2 4 m ) ，总建筑面积1 4 ，7 7 7 m 2 ，缝上9 ，7 7 5m 2 、地下 52 。建筑类别一类，耐火等级一级，抗震设防烈度8 。，主要结构形式为 钢, 0 砼0 2 与m 钢结构。其外观效果图见图1 - 2 。 美术馆平面按层划分功能区。机房、库房置于地下二二层，部分空间为双层 层高，设置在首层和地下一层北侧的空间主要为公共区域，包括入口大厅、报 告厅、咖啡厅、会议室和休息大厅。入口大厅是中庭式高挑空间，层商近2 0 米， 开敝的该空间可满足各种大型接待会、发布会的需求。报告厅占首层和地下一 层的双层空间，其主入口设在首层，同时在地下一层也设有出入口。咖啡厅设 置在地下一层，并面向布置在同标高的配有水池和永幕的下沉广场，为来客 第1 章绪论 休闲提供了良好的视觉景观。此外设置在地f 层的宽敞高挑的休息大厅，亦 可充分满足地下公共空间的人流疏通的需要。固定展厅设置在二层，其宅间主 要分成两大部分，一部分展示古代书画和美院老教授的赠画藏品，另一部分展 示当今美院在籍教授的展品。两部分空间分别设有各自的出入口，空间在分割 i ! 既能结合也能独立，可以应对在必要时将其中一部分作为活动展厅的功能变 更需求。此外在二层还设置了一个边长为1 2 米的多功能立方体展厅，灵活应对 各种展示活动的需要。活动展厅设置在j 层及四层，超过l o r e 层高的活动展厅 可为当代艺术展览提供更多的可能性。 美术馆主入口、报告厅、办公、后勤的出入口分别布置在建筑的不同侧面， 相互独立。主入口设在建筑物的北侧，临近街道，有利f 将来美术馆对市民升 放。入i 】处布置有下沉广场，人流通过架越在广场上的引桥进入主入口大厅。 报告厅根据用途将其入口设置在临校内- - j 女l j 的西侧，这样既可确保一定的私秘 性，也可避免大量人流的活动流线的冲突，且通过该入口进入建筑内部后穿过 休息大厅也可直接到达主入口大厅。办公和后勤入口则与公共流线完全分离， 设存建筑的南侧。建筑内部的垂直交通主要通过大型坡道配合电梯以及楼梯来 实现，坡道的采用有利于人流的输送，且为室内空间增添变化。为方便展品设 备搬运，在本方案中设置了大型货梯，为对应现代美术展品的巨大化做好r 准 备。 b 1 第1 章绪论 d ) e 1 0 图1 - 2 美术馆效果图 f i 9 1 - 2 e f f e c t d r a w i n go f t h e m u s e u mo f f i n a r t s 1 6 设计说明及存在的主要消防问题 根据设计资料及图纸，美术馆从地面到楼顶的高度不超过2 4 m ，因此消防 设计中主要依据以下国内相关规范： ( 1 ) 建筑设计防火规范g b j l 6 8 7 ( 2 ) 博物馆设计规范j g j 6 6 9 1 按照建筑设计防火规范规定：建筑分类为一类，耐火等级一级。 如图3 一l 所示，美术馆内中庭共享空间与各层展厅及其他活动场所连在一 起，为了保持建筑师的设计效果，中庭共享空间与各层展厅之间不做防火分隔， 具体楼层情况如表1 1 所示。 表1 - 1中庭共享空间楼层表 t a b l e1 1s t a t i s t i c so f t h ef l o o rc o n n e c t e dt ot h ea t r i u n l 楼层层高( m )连通楼层面积( m 2 ) 使用用途 1 0 + 层 48 2 ，8 8 6大厅流通区域 二层 三层 四层 54 54 1 0 8 2 ，7 7 7 2 ，7 8 4 l ，3 2 8 固定展厅，展厅流通区域 活动展厅，展厅流通区域 活动展厅，展厅流通区域 这样整个地上部分形成一个面积约为9 ，7 7 5m 2 的防火分区，远远超过建 筑没计防火规范第5ll 条“民用建筑的耐火等级、层数、长度和建筑面积 一、二级建筑内设置自动灭火系统时，每层最大允许防火分区建筑面积不得超 过5 , 0 0 0 m 2 ”和第512 条“建筑物内如设有e 下层相连通的走马廊、自动 扶梯等开口部位时，应按上、下连通层作为一个防火分区，其建筑面积之和不 宦超过本规范第5 ，1 1 条的规定”的规定。 1 6 1 疏散宽度 原设计中，疏散楼梯与疏散门的设计基本依据民用建筑设计防火规范 第5 31 2 条规定：“学校、商店、办公楼、候车室等民用建筑底层疏散外门、楼 梯、走道的各自总宽度，应通过计算确定，疏散宽度指标不应小于表53 1 2 的 规定”。民用建筑设计防火规范第5 31 2 条规定见表1 2 。 图1 - 3 中庭共享空间示意图 f i g i 3v i e w o f t t l ea t r i u m 1 1 表l - 2 民用建筑设计防火规范表5 31 2 t a b l el - 2t h et a b l e531 2f r o mc o d ef o rf i r ep r o t e c t i o nd e s i g no f b u i l d i n g s 注：每层疏散楼梯的总宽度应按本表规定计算。当每层人数不等时，其总宽度可分层计 算，下层楼梯的总宽度按其上层人数最多一层的人数计算。 每层疏散门和走道的总宽度应按本表规定计算。 底层外门的总宽度应按该层或该层以上人数最多的。层人数计算不供楼上人员 散的外门，町按本层人数计算。 上述规范规定建立在合理划分防火分区的基础上，对于美术馆特殊的防火 分区划分及展厅布置形式，原设计中疏散楼梯与疏散门宽度的设计是否能够保 证人员在发生火灾时安全疏散，需要做进一步的预测与计算。 1 6 2 疏散距离 二层同定展厅与三层活动展厅部分疏散距离不满足民用建筑设计防火规 范第5 38 条规定：“民用建筑的安全疏散距离，应符合下列要求： ( 1 ) 直接通向公共走道的房间门至最近的外部出口或封闭楼梯间的距离， 应符合表5 38 的要求。民用建筑设计防火规范第5 3 8 条规定见表1 3 。 表1 - 3 民用建筑设计防火规范表5 3 8 t a b l e1 - 3 t h e t a b l e5 38 f r o mc o d e f o r f i r e p r o t e c t i o n d e s i g n o f b u i l d h l g s 名称 房门至外部出口或封闭楼梯闻的最大距离 位于两个外部出口之间的房间 位于袋形走道两侧或尽端的房间 耐火等级耐火等级 一、二级三级四级、二级 三级四级 第1 章绪论 托儿所、幼儿园 2 52 0 - 2 01 5 医院3 5 学校 3 5 其他民用建筑 4 0 3 0 2 0 3 0 2 2 3 525丝 1 5 2 ( i 一 2 01 5 注：敞开式外廊建筑的房间门至外部出口或楼梯间的最大距离可按本表增加5 0 0 m 。 设有自动喷水灭火系统的建筑物，其安全疏敞距离可按本表规定增加2 5 。 f 2 ) 房间的门至最近的非封闭楼梯间的距离，如房间位于两个楼梯问之问 时，应按表538 减少5 0 0 m ；如房间位r 袋彤走道或尽端时，应按表538 减 少2 0 0 m 。 楼梯间的首层应设置直接对外的出口，当层数f i 超过四层时，可将对外出 r 设置在离楼梯间不超过1 5 m 处。 ( 3 1 不论采用何种形式的楼梯间，房间内最远一点到房门的距离，不应超 过表538 中规定的袋形走道两侧或尽端的房间从房门到外部出口或楼梯间的 最大距离。” 三层部分区域疏散示意图见图1 4 。 图1 4 三层部分区域疏散距离示意图 f i g1 4 t h ee v a c u a t i o nd i s t a n c eo nt h e3 ”f l o o r 1 6 3 机械排烟系统 原设计中，机械排烟系统的设计基本依据高层民用建筑设计防火规范 第8 42 条规定“设嚣机械排烟设施的部位，其排烟风机的风量应符合下列规 定：担负一个防烟分区排烟或净空高度大子6 0 0 m 的不划防烟分区的房| 、日j 时，应按每平方米面积不小于6 0 m 3 h 计算中庭体积小于1 7 ，0 0 0 m 3 时，其 排烟罱按其体积的6 次h 换气计算；中庭体积大于1 7 ，0 0 0 m 3 时，其排烟量按其 体积的4 次h 换气计算：但最小排烟量不应小于1 0 2 ，0 0 0 m 3 h 。”中庭中各区域 排烟量见表1 4 。 但是上述规范的规定是建立在合理划分防火分区的基础上的，对于美术馆 如此大的中庭共享空间，这样的排烟量设计是否能达到应有的消防安全水平， 需要做进一步的分析与计算。 表l - 4 中庭各区域排烟量统计表 t a b l e 】4s t a t i s t i c sf o r t h ee x h a u s tf l o w 区域排烟量( c m h ) 休息大厅咖啡厅，学术大厅 2 f 常设展厅 2 f 常设展厅 3 f 活动展厅 4 f 活动展厅 3 f 活动展厅 3 f 活动展厅 7 8 ，0 0 0 3 2 ，0 0 0 9 0 ，0 0 0 2 7 0 0 0 2 8 ，5 0 0 6 2 ，5 0 0 6 2 ，5 0 0 1 6 4 展厅的火灾蔓延分析 根据资料，设置在二层的固定展厅，一部分展示古代书画和美院老教授的 赠画藏品，另部分展示当今美院在籍教授的展品；设置在三层及四层的活动 展厅的展品是雕塑、装置、多媒体艺术等。展品都比较名贵，虽然展厅内安装 了感烟火灾探测与控制系统和预作用式自动喷水灭火装置，但是如果展厅内的 火灾报警系统、灭火系统、救援系统不能及时动作，很可能引起展品之间的火 第1 章绪论 灾蔓延，导致更大的损失。因此从财产保护角度考虑，对着火展品引燃临近腱 品的火灾危险性进行分析是非常必要的。 l7 本章小节 本章综述了消防性能化设计与评估的意义、国内外的研究现状、本课题的 研究思路、课题的研究方案。对课题所研究美术馆工程的建筑特点、建筑功能 做了介绍。指出了本建筑设计中存在的的主要消防问题以及性能化设计的j 二作 内容。 第2 章模拟分析与计算 性能化的消防设计评估方法，是建立征防火安全工程学基础上的一种新的 建筑防火评估方法。它运用防火安全丁程学的原理与方法，首先确立防火评估 的安伞目标和达到安全目标应满足的各项性能指标，然后根据建筑物的结构、 用途、n ，燃物的性质和分布、相关消防系统的敷设等方面的具体情况，肘建筑 的火灾危险性进行定量的预测和评估。性能化的防火评估综合考虑，火灾的发 生发展、烟气的蔓延和控制、火灾的蔓延和控制、火灾探测和报警、丰动和被 动灭火措施、以及人员的疏散等各个方面，因此能够得出合理的防火评估方案。 性能化的防火评估方法是国内外防火设计发展的必然趋势。 2 1 评估目标 第一研究目标：保证人员安全疏散 第二研究目标：保护财产安全 通过验证火灾时人员疏散的安全性，对以下事项进行评估： ( 1 ) 防排烟系统设置的合理性 ( 2 ) 疏散l 1 7 2 疏散通道设计的合理性 2 2 人员疏散安全性判定准则 疏散是否成功，是看中庭共享空间所有人是否能够在危险到来之前到达安 全的地点，于是疏散时间( c 。) 及危险到来时间( 7 k ，) 就成为t m j 定a 们能否安全疏散的主要参数。疏散时间小于危险来临时间，则疏散是安令的， 二者差值越大则安全度越高；反之则不安全。 即：l ，。 = 】，m 。= o , 0 7 1 q ：7 3 2 573 + o 0 0 1 8 q ， = z l ，m ，= o 0 3 2 q ：7 5 z ：一燃料面到烟层底部的高度( m ) t 式1 2 ) ( 式1 3 ( 式1 4 ) ( 式j 5 ) m ，一烟缕质量流量( k g s ) z ，一火焰极限高度( m ) 烟羽流的平均温度 式中 排烟量 式中 丁：l m p c p a t 一烟气平均温度与环境温度的差( ) ( 1 。一空气的定压比热，一般取1 0 2 ( k j k g k ) 矿：_ m p r p o t o v 一排烟量( m 3 s ) 风一环境温度下气体的密度( k g m 3 ) 7 = l 一环境的绝对温度( k ) t 一烟气的绝对温度( k ) ，t = 瓦+ a l 输入参数发计算结果见表2 - 6 。 表2 - 6 排烟量计算表 t a b l e2 - 6c a l c u l a t i o no f t h ee x h a u s tc a p a b i l i t y ( 式1 6 ) ( 式l 一7 ) 第2 章模拟分析与计算 h 建筑高度f m ) 1 2 t r - 环境温度( ) d 储烟舱内烟气厚度( m ) t c 烟气的温度( ) m p 烟缕质量流量( k g s ) 2 0 5 8 3 4 68 2 63 0 t 烟气平均温度与环境温度的著( 。c k ) 1 1 8 9 1 计算结果： 排烟量( m 3 h ) 1 2 1 7 0 0 由计算结果可以看出，原设计对于排烟量的设计是合理的且留有。定的安 全裕度，能够满足活动展厅挑空空问排烟的要求。 火灾场景2 模型如图2 - 6 所示，排烟口设置如表2 7 所示： 嗣凹伐椹梯 辘芦阚的疏散出。排烟口 一、e 黎琴 | ! j 谬拳 矗l ，取楼梯 图2 - 6 火灾场景2 模型，f l u e n t f i g2 - 6 t h ef l u e n tm o d e lf o rs c e n a r i o2 表2 7 排烟口设置 t a b l e2 - 7c o n f i g u r a t i o no f t h ee x h a u s tf a n ( 2 ) 人员疏散模拟 场景2 疏散人数及疏散门宽如表2 8 所示 表2 - 8 场景2 疏散情况统计表 t a b l e2 8d e t a i l sf o re v a c u a t i o no f s c e n a r i o2 2 5 3 场景3 一四层活动展厅火灾 ( 1 ) 烟气模拟 火灾场景3 示意图如图2 7 所示，其火灾场景统计表见2 - 9 。 第2 章模拟分析与计算 t a b l e2 9d e l a i l sf o rt h es c e n a r i o3 火灾规模5 m w 燃料面至房顶的高度约为5 4 m 场景中的楼层面积约为1 3 2 8 m 2 。 c f d 模型 排烟系统 补风系统 图2 - 8 火源上方两个排烟风口打开，总排烟量约为2 8 5 0 0 m 3 h 通过二层、三层展品入口进行自然补风，补风面积为l l5 2 m ! 图2 7 火灾场景3 示意图 f i 9 2 - 7p l m lv i e wo f t h es c e n a r i o3 火灾场景3 的f l u e n t 模型如图2 - 8 所示，排烟 情况表如表2 1 0 所示。 j 薹三些銮兰三翟量主芏垡堡三 缱救a - t ，j t l d 闭的蔬散出。 图2 - 8 火灾场景3 模型，f l u e n t f i g2 - 8t h ef l u e n tm o d e lf o rs c e n a r i o3 表2 1 0 排烟f = 设置 t a b l e2 一1 0d e t a i l sf o rt h ee x h a u s tf a n ( 2 )人员疏散 疏散人数及疏散门统计如表2 1 1 所示。 表2 1 l 疏散人数及疏散门统计 t a b l e2 - 1 1d e t a i l sf o r t h ee v a c u a t i o nc o n d i f i o n s 3 4 第2 章模拟分析与计算 2 5 4 场景4 一二层固定展厅火灾 ( 1 ) 烟气模拟 火灾场景统计见表2 1 2 所示，火灾场景示意如图2 - 9 所示，图2 1 0 给出了 场景4 的f d s 模型，如图所示，模型中展墙、捎烟垂壁等障碍物都进行了设置， 设定火灾由沙发开始。排烟口设置见表2 1 3 。 表2 1 2 火灾场景4 统计表 t a b l e2 1 2d e t a i l sf o rs c e n a f i o4 火灾规模2 m w 燃料面至房顶的高度约为5 4 m 场景中的楼层面积 约为2 7 7 7 m 2 。 c f d 模型图2 1 0 排烟系统火源上方二个排烟风厂l 打开，总排烟量约为3 2 0 0 0 m 3 h 补风系统通过二展品入口进行自然补风，补风面积为5 7 6 m 2 图2 - 9 火灾场景4 示意图 f i g2 - 9p l a nv i e wo f t h es c e n a r i o4 表2 1 3 排烟1 ：3 设置 t a b l e2 - 1 3c o n f i g u r a t i o no f t h ee x h a u s tf a n 图2 1 0 火灾场景4 模型，f d s f i g2 - 1 0 t h ef d sm o d e lf o r $ g e m r i o4 2 6 展厅的火灾蔓延分析 2 6 1 着火展厅相邻可燃物辐射引燃模型 ( 1 ) 火源辐射模型 着火展厅内一个展品着火形成火源以后，释放出的热量会有部分以辐射 的形式向外发散出去，距火源中心距离为r 处的被引燃物接收到的火源辐射和 火源释放速率的关系可以表示为： 3 6 第2 章模拟分析- 5 计算 x ，qr 9 ，2 砑声 ( 式1 _ 8 ) 式中 q 一为火源释放速率，k w ； 。r 一辐射系数； r 一被引燃物距火源中心的距离，m ； q ，一被引燃物接收到的火源辐射热流量，k w m 2 。 对一般的可燃物来说，热辐射系数。r 取1 3 ，也就是说火源1 3 的能鼍以热 辐刖的方式传播出去。因此式( 1 - 8 ) 转化为： - q ， 叮，2 瓦茅 ( 式l _ 9 ) ( 2 ) 烟气辐射模型 可燃物着火以后，会在展厅顶部形成温度较高的热烟气层，烟气层对展厅 内的被引燃物具有辐射作用，地板处的被引燃物接收到的烟气层辐射热流可以 表示为： q ；= s 讲；4 f ； l 武1 - 1 ( 1 式中： s 一热烟气层的发射率，一般取1 ； o - 一史蒂芬一玻耳兹曼常数，取5 6 7 1 0 。1 ，k w ( m ：k 4 ) i 一热烟气层温度，k ； 一热烟气层相对可燃物的辐射角系数 玑一被引燃物接收到的烟气层辐射热流量，k w m 2 。 在已知热烟气层高度、可燃物高度及水平位置后，可以使用式( 1 _ 1 1 ) 、式 3 7 i j 噩苫、些盔兰三誊竺圭兰垡逾茎 ( 1 - 1 2 ) 计算热烟气层对可燃物的角系数。 = ( q 6 ) + f ( 盯，w 一6 ) + f ( 三一，6 ) + f ( 三一c t , w 一6 ) ( ：l = 1 1 1 ) 即，啦去c 乒蒜t a n 1 乒意面+ 式【t 】： 矿意面伽1 矿希，。扎 l 一着火展厅