（环境工程专业论文）某金融城性能化消防设计研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着国民经济的飞速发展，城市中出现了大量的高层、超高层综合商业建筑，集 商业、办公、公寓及库房等功能于一体，极大的促进了城市的发展，但同时也增加了 这类建筑发生火灾的可能性、复杂性及危险性。超高层综合楼在防火设计方面已经超 出了现行的防火设计规范，“处方式”的防火设计规范已不能有效的解决这类综合建筑 的防火设计，因此国内外采用性能化防火设计的方法来解决这一问题。 近年来，计算机技术得到飞速发展，火灾数值模拟及人员疏散模拟越来越多的被 应用在防火设计中。火灾数值模拟能生动的表现建筑发生火灾后烟气运动、温度场分 布、c o 、c 0 2 浓度分布及能见度分布等情况，并根据相应的性能化判据：人员疏散模 拟则能表示人员逃生的行为表现，得出必要安全时间，从而为性能化设计提供快速、 全面的数据。 本文以某一超高层综合商业建筑为研究对象，主要研究其防火疏散问题，内容包 括：依据设计图纸了解该建筑的概况：结合现行规范提出消防设计中存在的问题及相 应的性能化方案；依据提出的性能化方案建立f d s 模型及疏散模型，通过数值模拟结果 分析对性能化方案进行分析；得出结论。 经过性能化防火设计研究，该建筑的防火综合安全水平得到提高，有效减少该建 筑火灾中疏散时的人员伤亡及财产损失，对社会稳定、经济的可持续发展具有重要意 义。 关键词：高层、超高层综合商业建筑：性能化设计；火灾模拟；安全疏散 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a sn l er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y m o r e 锄dm o 他h i 9 1 1 - 一s eb u i l d i n g sw h i d ha r e c e i l t e ro fl o c a lc o m m e r c i a ld i s 研既h a v eb e b u i l d i n gu p ，也i sb n do fb u i l d i n gu s u “1 y c o m 研s eo fs “盯a lc o m p o n e l l t s 叭c h 弱b u s i i l e s s 、o 伍c e 、h o t e l 如dg a r a g c t h em o d e lc 时 n e e dm i sl ( i n do fs k y s c r a p c rb u tt l l ef i r er i s ko fs u c hb u i l d i n gs h o u l db en o t i c c d t h ef h p r o t e c t i o nc o d ea tp r e s 锄tc 锄o tb ea p p l i c dt of i r ep r o t e c t i o nd e s i 印m c hb u i l d i n g s ，s oa n e wl 【i n do fd e s i g nm e m o d - p c r f - o m l a n c e - b 硒e dd e s i g n ”w h i c hh a v eb e e ng e n e r a l i z e d 谢d e l yi nd e v e l o p e dc 0 肌t r i 懿啪b e u s e df o rt h ed i l 锄m ap r e s 铋t i nr e c e n t y e a 璐，w i t l l t h er a l p i d d e v e l o p m e n to fc 0 m p u t 盯t e d m o l o g y n u m 丽c a l s i m u l a t i o no ff i r ca n de v a c u a t i o ns i m u l a ：t i o n sh a v ei n c r e a s i n 酉yb e e nu s e di nf i r es a f e 哆 d e s i g n n 啪e r i c a ls i i n u l 撕o no f6 r ec a np r o v i d eu st h e 们s u a ld a t aa ：b o u ts m o k em o v 锄e n t ， t 锄p e r a t l 鹏d i 嘶b “o n c oc 0 2c o n c 仃a i o n 鲫d 访s i b i l i t yd i s 仃i b u t i o n a c c o r d i n gt 0 p 盯。衄a n c es a f 每t ) ，两t 酣o n e v a 删i o ns i m u l a t i o n s 伽ln o to n ly p r 0 、，i d eu st l l ed a t aa b o u t h 啪觚b e h a v i o rd 耐n gt l i e 吖枷a t i o n d 姐dl 江s t ，b u ta l s o 础e r a t 嚣t 1 1 cd “e l o p m 髓to f p a f o m l t s - b 弱e df i r ed e s i g n t h er e s e 砌啪p h 弱e so f “sd i s s 融a t i o ni st h ed e s i 印o f 舭p r o t e c t i 强ds a 触y e 鲈嚣si nh i g l l r i s eb u i l d i n g ，n l ec 0 n t e n to fp a p e ri n c l u d i n g ：l o o l ( i n gt 1 1 r o u g ht h ed e s i 印 d r ；删i n go f t h eh i g l l 矗s eb u i l d i n g ；t h ep r o b l e mo fs a 触yd e s i 印s h o u l db el i s t c dc o m p a r c dt 0 m ec o d e sp r e s 印t 锄dt h 锄an e wf i r cp r o t e c t i o ns y s t e mi np e r f l 0 册锄c e b 私酣d e s i 目s h o u l d b ew o f k e do u t ；a c c o r d i n gt on l en e ws a f e t yd e s i 朗，t h ef i 他s c 饥撕om o d e l 锄d “a c u 撕0 n m o d c ls h o u l db es e tu p 锄d 也ed e s i 印o ff i r cp r o t e c t i o ns y s t 锄s h o u l db ev a l i d a t e d ；a c o n c l u s i o ns h o u l db es u m m a r i z e d a r 盯j e i r ep r e v 明t i o nd e s i g n ，w e 、们l lr a i s et h ef i r ep r o t e c t i o ns y n t l l e s i ss a f e t yl e v e lo f c o m m 硎a lc e n t 凹，他d u c e 也ec 硒u a l t i 鹤锄dl o s so fp r o p e n y s oi ti sv e 巧i m p o r t 锄tt 0 s a f e g u 棚t l l es o c i a ls 协b i l i t y 锄dt 0 朗跚r ee c 0 n o m i cd e v e l o p m 即t k e yw o r d s ：1 1 1 eh i 曲一r a j s ei n t e g r a t e d m m e r c i a lb u i l d i n g ；p e r f 0 肌觚c c - b 鹊e dd e s i 印；f i r e s i m u l a t i o n ；s a f 文ye v a c l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 随着全球经济一体化及国民经济的飞速发展，我国的建筑也受到了很大冲击。在 此过程中工业化极大的推动了人口向城市集中，产生了对城市土地的需求【i 】，新材料、 新技术的而应用使得城市建筑的高度不断增加。高层、超高层建筑的出现可以带来一 定的社会经济效益，通过空间上的集中发展，可以提高城市运作效率，减少市政建设 投资和缩短建筑工期；更为重要的是可以节约和集约利用城市建设土地，缓解深圳当 前用地紧张状况。另外，通过高层建筑可以丰富城市景观层次，适当的超高层建筑会 成为城市地标亮点。在功能方面，也从原来的功能分区趋于商业、办公、公寓、餐饮、 观光、库房等功能的一体化。 1 1 课题背景 高层、超高层综合商业建筑的飞速发展极大的促进了城市的繁荣，但由于自身面 积大、功能多、人员密集、流动大等特点，极大的增加了该类建筑的火灾危险性f 2 l ， 同时也对该类建筑的消防设计带来了更大的挑战。 1 1 1 高层、高层商业建筑火灾情况 目前高层、超高层综合商业建筑的火灾情况并不让人乐观。美国年均发生高层综 合商业建筑火灾7 0 0 0 多起，平均每天将近2 0 起3 1 。 我国近年来也频频发生高层综合商业建筑的火灾事件，不仅造成了巨大的人员伤 亡，还常常带来重大的经济损失1 2 】，不符合我国以人为本的科学发展观，不利于社会 稳定，甚至造成不良的国际影响。 以下是近几年来，我国发生的高层综合商业建筑的火灾统计： 1 9 9 3 年8 月1 2 日，北京隆福商业大厦火灾烧毁后楼2 0 0 0 平方米，直接经济损失 2 1 4 8 9 万元。 1 9 9 5 年1 月2 0 日，江西省九江市大中大商厦发生火灾，死亡1 0 人，直接则产损 失5 3 6 2 万元； 2 0 0 0 年1 2 月2 5 日，洛阳东都商厦火灾死亡3 0 9 人，直接经济损失2 7 0 万元： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 2 0 0 7 年1 2 月浙江省温州市温富大厦( 2 8 层商住楼) 发生火灾，造成了2 1 人 死亡： 2 0 0 8 年1 月2 日，乌鲁木齐德汇国际广场的大火再一次为我们敲响了警钟。此次 火灾将该商厦的负1 层到地上1 2 层全部烧穿，火势还蔓延到了旁边的德汇大酒店，酒 店也损失惨重。消防官兵奋战2 0 多个小时才控制了火势。大火造成5 人死亡，保守估 计损失已达5 亿多元【2 1 。 1 1 2 高层、超高层综合商业建筑的火灾危害 ( 1 ) 人员伤亡众多，财产损失巨大； 由于该类建筑是人们生产生活的重要场所，也是财产相对集中的场所，因此一旦 发生火灾，将造成巨大的人员伤亡和财产损失。 ( 2 ) 造成环境污染，破坏生态平衡2 】 火灾不仅造成巨大经济损失与人员伤亡，还会对周围的环境和生态系统造成不同 程度的污染与破坏。火灾会产生大量的烟气、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、碳氢 化合物等有害气体，进而向大气扩散，污染人类生存的环境并破坏周围的生态平衡。 ( 3 ) 影响社会稳定和经济发展 火灾产生的烟气往往会带来大量的人员伤亡。有些人员可能是家庭主要劳动力， 他们在火灾失去生命后，家庭往往会因此没有了经济来源，生活困难；有时人员在火 灾中受到重伤，只能通过药物维持生命，更是加重了家庭沉重的经济负担。一些重大 严重的火灾事件已经严重影响到我国的社会稳定和经济发展，成为城市发展中重大的 研究课题之一。 1 2 国内外性能化研究现状 1 2 1 国内研究现状 在我国，建筑主要依据建筑防火设计规范高层民用建筑防火设计规范汽 车库、修车库、停车场设计防火规范等规范来进行防火设计。近年来，随着国民经 济的迅速发展，许多大型复杂的建筑已不能按照现行规范来进行防火设计，为了更好 的解决工程中出现的防火设计问题，国家组织有关消防研究机构对建筑物性能化防火 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 设计与评估进行了一系列相关研究。 中国从1 9 8 0 代初期就开始了火灾模化方面的研究4 1 ，1 9 9 6 年公安部天津消防研究 所、公安部四川消防研究所、中国科学技术大学国家重点火灾实验室以及中国建筑科 学研究院防火研究所对地下建筑、大空间建筑、高层建筑的火灾特性进行了研究。 1 9 9 7 年f o r u m 会议( 天津) 以后，中国开始组织人员比较系统地研究建筑物性 能化设计方法、技术与标准、火灾模型，组织翻译了大量介绍国外开展性能化防火设 计和评估的著作和文献，出版了建筑火灾安全工程导论( 1 9 9 9 ) 【4 1 。 2 0 0 0 根据第三届全国消防标准化技术委员会的决定，我国成立了全国性的“消防 安全工程学 工作组。其主要任务是：收集和分析国外相关资料；研究、提出中国消 防安全工程标准发展规划；推进相关火灾的基础研究，建立建筑物性能化评估方法以 及相应的数据库；研究制定性能化评估方法及相关标准f 6 】。 2 0 0 1 2 0 0 4 年公安部天津消防研究所、四川消防研究所、中国科学技术大学国家重 点火灾实验室、中国建筑科学研究院防火研究所相继开展了建筑物性能化防火技术导 则和高层建筑、大空间建筑、人员密集场所的性能化防火设计安全评估技术与应用。 对建筑物的性能化防火设计与评估做了系统且深入的研究，提出了火灾火灾场景与设 计火灾的火灾确定方法，提出了适应我国人员密集大空间建筑性能化防火设计的原则 与方法【4 1 。 1 2 2 国外研究现状 二十世纪八十年代性能化提出以来，很多国家都在从规范逐渐向性能化方向发展。 在许多国家都取得了很大的发展。截至目前，已有不少于1 3 个国家( 澳大利业、加拿 大、芬兰、英国、日本、荷兰、新西兰、挪威、波兰、西班牙、意大利、瑞典和美国) 以及两个国际组织一一国际标准化组织( i s o ) 和国际建筑研究与文献委员会( c i b ) 采用 或积极发展性能化规范和基于规范结构形式下设计防火建筑所要求的工程工具和方法 【5 1 o ( 1 ) 美国 1 9 9 1 年，美国w 6 r s t e rp o l ”e c h l l i ci i l s t i t l l t e ( w p l ) 召开了一次关于2 l 世纪防火安 全重要目标障碍与策略的防火安全会议，对美国性能化防火发展起到极大的推动作用 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 【射。而后，1 9 9 6 年美国消防安全工程师学会开始对性能化规范、标准及消防安全工程 与设计方法进行研究。此后，美国消防协会、关国标准技术研究院和关国的3 个模式 规范制定组织、马里兰州大学等在这方而相继开展了大量研究上作，并为此成立了国 际规范理事会，负责规范制定的组织上作5 1 。 ( 2 ) 英国 英国是开展性能化设计研究最早的国家之一。1 9 6 6 年伦敦大火后，英国开始制定 本国真正意义上的消防法规。1 9 7 3 年英国对大部分的建筑法规进行了统一化的工作， 形成了国家级的防火设计法案，但该规范基本上还是处方式的规范【6 1 。 1 9 8 5 年和1 9 9 1 年英国对规范进行了修订，并指出性能化化防火设计可作为一种可 选的防火设计方法【2 1 ，迈开了从规范向性能化过渡的第一步。 1 9 9 4 年1 9 9 5 年间，英国开始组织学者对如何指导性能化设计进行研讨，确定了 必须为性能化建立一个能得到认可的说明。因此，在1 9 9 7 年，英国正式发布了英国标 准b sd d 2 4 0 建筑火灾安全工程( f i 心s a f 啦e n 舀n r i n gi l lb u i l d i n g ( 草案) 2 1 。 目前，英国在防火设计方面采用处方式规范与性能化设计并行使用的方法【2 】。 1 3 研究内容 1 简述了高层、超高层综合商业建筑的发展，在最大限度的利用城市土地资源， 满足人们的多样化需求的同时，火灾形势也越来越严峻，为该类建筑的防火设计带来 更大的挑战；叙述了高层、超高层综合商业建筑的火灾危害：回顾了国内外的防火性 能化设计的研究进程及现状。 2 简述了工程的基本情况，论述了工程设计中存在问题并提出了性能化方案。 3 确定性能化设计目标、安全性判据；介绍了性能化评估采用的火灾模拟软件及 疏散软件。 4 研究了金融中心火灾场景的设计及烟气蔓延参数设置。 5 对性能化设计中疏散模拟系列问题进行研究，主要包括的内容有：疏散参数的设 置、疏散人员的确定、疏散场景的建立、疏散模拟以得到人员行动时间、疏散时间 ( r e s t ) 的确定。 6 运用消防性能化设计人员安全判据，通过对比烟气模拟计算和人员疏散模拟结 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 果定量的判定人员在火灾中疏散的安全性； 7 从该工程整体消防安全的角度出发，通过烟气和疏散计算过程，提出关于该工 程的消防性能化设计的结论和建议 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章工程概述及消防设计存在的问题 2 1 工程概况 该工程位于高新南区，地下室共三层：地下1 层主要为与地铁站相连的商业空间， 以2 0 4 0 肝的小型商铺为主，并配以小型餐饮店及超市等地铁商业物业，另外还配 置有少量设备用房、垃圾房、卸货空间及非机动车库：地下2 层为地下车库以及大量 塔楼的设备用房；地下3 层为地下车库以及少量设备用房。 公寓楼地上5 8 层：其中1 层为大堂层：2 3 层为对外营业的咖啡厅及其操作间： 4 6 层为公寓配套的高端会所，其中配置有健身、酒吧、泳池、s p a 等高档配套服务 功能；7 3 7 层为酒店式公寓；3 9 5 8 层为服务式公寓；第1 7 、3 8 层为避难层，除开 敞式避难间外，布置有设备用房及物管用房。办公楼地上4 8 层，其中1 层为办公大堂 层，独立的银行营业厅以及消防控制中心：2 层为银行营业厅的办公以及双子电梯的上 层入口；3 层为公共会议及商务休闲室；4 4 8 层为商务洽谈及休息室：其中第1 5 、3 2 层为避难层，开敞式避难间外，布置有设备用房及物管用房。 2 2 建筑分类及耐火等级 本工程具有多种用途，主要包括商业、办公及公寓，属于综合楼。办公及公寓两 栋塔楼屋面高度均为2 0 2 3 2 5 m ，属超高层建筑，同时两座塔楼单层建筑面积均在1 0 0 0 盯以上。按照现行消防规范、本工程使用性质以及火灾危险性，该综合楼定为一类高 层建筑，耐火等级为一级。其消防设计主要参照高层民用建筑设计防火规范( g b 5 0 0 4 5 9 5 ) ( 2 0 0 5 年版) 的要求进行设计。 2 3 消防设计存在的问题及性能化方案 本工程的消防设计大部分均按照相关的防火规范进行消防安全设计，但由于建筑 规模较大，塔楼采用核心筒疏散的设计形式、塔楼超高等因素限制，在某些方面的消 防设计难以满足规范要求，主要的问题有： 1 ) 疏散宽度：地下一层商业部分疏散宽度不足； 2 ) 疏散距离：地下一层商业及办公塔楼部分楼层疏散距离超过相关规范要求； 3 ) 防排烟设计：塔楼首层大堂排烟方式及排烟量计算；地下一层商业部分防烟分 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 区面积超标：电梯井道防烟系统设计： 4 ) 避难层设计：公寓楼首个避难层设置位置不满足规范要求； 5 ) 疏散出口设计：办公塔楼首层防火分区1 、2 在二层共用疏散出口，防火分区1 地下一层部分仅一个安全出口。 2 3 1 疏散宽度设计 在本工程地下一层商业部分原设计方案中，地下一层设置四个防火分区( 如图2 1 ) 作为商业使用，各防火分区内除机房之外的商业营业厅总面积约为7 0 0 0 盯，但原设计 中地下一层仅有7 个安全出口( 包括疏散楼梯及地下一层直通地面的室外楼梯) ，疏散 宽度与规范要求差距较大。 图2 i 地下一层院方案设、设计方案示意图 原设计方案地下部分 某些防火分区仅设置 一个独立安伞出口 性能化方案：在性能化评估过程中，拟采取多方面措施提高地下一层消防安全水 平，改善人员疏散条件，最终达到火灾时能保证人员安全疏散的目的。 ( 1 ) 调整防火分区设计 为保证建筑消防安全水平，现方案降低地下一层商业营业厅总面积：原设计方案 中地下一层四个防火分区重新调整为五个( 如图2 2 ) ，在新划分的五个防火分区中， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 防火分区1 及防火分区3 作为设备分区，防火分区2 、防火分区4 及防火分区5 作为商 业分区。 ( 2 ) 增加疏散出口及宽度 虽然通过降低商业防火分区面积能从一定程度上提高建筑消防安全水平，但地下 各商业防火分区内疏散宽度不足及部分防火分区安全出口数量不足的问题仍未得到改 善。由此本文要求，必须在地下一层通过新增安全疏散出口或加宽现有疏散出口的方 式提高防火分区的有效疏散宽度。对于调整后每个防火分区疏散宽度应满足的目标， 本文要求调整后各商业防火分区疏散宽度至少应满足规范要求疏散宽度的8 0 以上。 在新增安全疏散出口方面，首先在现设计方案中仅各有一个安全出口的防火分区4 及防火分区5 ( 原设计方案中防火分区2 以及防火分区4 ) 内各增加一部直通地面的疏 散楼梯( 如图2 3 ) ，保证这两个防火分区内均有不少于2 个安全出口，根据对图纸的 测算，通过这两部直通室外楼梯新增的有效疏散宽度为4 6 m 。除此之外，在现有设计 方案中防火分区2 内同时新增三部疏散楼梯，新增有效疏散宽度约4 7 5 m 。 图2 3 地下一层新增疏散楼梯示意 在增设以上5 部疏散楼梯后，地下3 个商业防火分区已无条件继续增加楼梯，但 根据几个防火分区的建筑平面分析，防火分区4 及防火分区5 还有条件通过加宽现有 现有安全出口宽度的方式增加疏散宽度：在两个分区内各自的两个出口中，靠近自动 扶梯位置的疏散出口有加宽的条件，通过降低自动扶梯与疏散楼梯之间的间距，可以 达到增加疏散楼梯宽度的目的( 图2 - 4 ) ，经调整后两个防火分区内靠近自动扶梯的疏 散楼梯宽度均由原设计中的每部2 3 m 加宽到现有设计中的每部2 6 m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 - 4 原有疏散楼梯加宽示意 ( 3 ) 设置辅助疏散出口 考虑到现有地下一层五个防火分区中，其他两个防火分区均己作为火灾危险性 相对较低的设备防火分区，同时设备区域内平常人数较少，当商业区域发生火灾时， 设备分区内的疏散楼梯可有效缓解商业分区内各疏散出口的疏散压力，由此本文建议 l 临近两个设备分区的商业防火分区可向设备分区内设置辅助疏散出口( 辅助疏散出口 设置位置如图2 5 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 在辅助疏散出口设计时，考虑到设备防火分区为建筑后场区，平时不允许顾客私 自进入，所以本文建议在以上辅助疏散出口位置设置与消防系统联动的防火门，该辅 助疏散出口的控制方式应为：当商业区域发生火灾时，辅助疏散出口联动开启：当设 备防火分区发生火灾时，通往起火设备分区的辅助疏散出口应保持关闭，其他辅助疏 散出口联动开启； 其次辅助疏散出口作为火灾时人员临时安全出口，要求辅助疏散出口自身的安全 性应该保证，由此本文要求辅助疏散出口必须为设置在防火墙上的甲级防火门。 最后考虑到这些辅助疏散出口均设置在设备防火分区，且部分辅助出口距离疏散 楼梯位置较远，所以应在设置辅助疏散出口与疏散楼梯之间设置明显的引导标识。 2 3 1 防排烟设计 ( 1 ) 地下一层防烟分区设计 在现设计方案中，地下一层五个防火分区中，防火分区4 、5 内各设置5 个防烟分 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 区，各防烟分区面积均在5 0 0m 2 以下，满足规范要求；但防火分区1 、2 、3 内均只划 分一个防烟分区，即最大防烟分区面积约达到1 4 1 1m 2 ( 如图2 6 ) ，远远超过高规 及建规中防烟分区面积宜控制到5 0 0m 2 之内的要求，本文需对该问题进行分析。 ( 2 ) 塔楼首层大堂排烟系统设计 本工程中两栋塔楼首层入口大堂均跨两层设置，空间高度较高，在防排烟设计方 面存在两个方面问题： 首先是大堂排烟方式是选择自然排烟还是机械排烟，对于本工程大堂选择何种排 烟方式，本文将根据建筑实际平面形态结合烟气流动规律等因素确定； 除此之外在排烟量计算方面，大堂按照中庭还是高大房间定性对于确定排烟量( 机 械排烟) 或自然排烟口面积有较大影响。本文需拟采用定性的方式对大堂防排烟设计 中存在的两个问题进行分析分析，制定最适合本工程塔楼大堂的防排烟设计方案。 ( 3 ) 消防电梯井道防烟系统设计 在建筑特别是高层及超高层建筑中，各种井道通常由底层贯通至顶层，如电梯井 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 道等，当火灾发生时这些井道极易成为火灾纵向蔓延的途径，导致火灾在建筑竖向蔓 延。在现行的高规中，并未对竖向井道的防火作为明确要求，但在本工程中为保 障建筑安全，提升建筑消防安全水平，拟在消防电梯井道内设置加压送风系统，本文 需确定消防电梯井道加压送风参照量计算方式及所参照规范。 性能化方案： ( 1 ) 地下一层防烟分区设计 本工程这类位于地下的商业区域，绝大多数火灾模拟情况表明，其建筑净空高度 较低，同时空间相对较为封闭，烟气在蔓延过程中降温不是非常明显，特别是作为商 业用途的这类火灾荷载较大的区域内发生火灾时，火灾中的产烟量较大，按照规范设 置的防烟分区的蓄烟量过于有限，所以烟气仍然会在较短时间即在水平方向蔓延至整 个防火分区。 相对来说，地下商业区域机械排烟量的大小对建筑安全水平的影响更大：当机械 排烟量大大增加时，火灾中的热烟气可及时被排出，更能有效的起到降低火场内温度 和烟气浓度的目的。以本工程地下一层防火分区2 为例，地下二层防烟分区扩大之后 排烟系统排烟量未小于按照规范划分防烟分区时的排烟量。同样对于地下一层另外两 个设备防烟分区1 及防烟分区3 来说，由于这两个防烟分区内本身即有较多墙体隔断， 即使按照整个防火分区作为一个防烟分区的方式设计，分区内也会受到隔断的影响形 成面积较小的蓄烟槽，不会出现烟气蔓延范围极大或烟气迅速降温导致烟气沉降较快 的情况发生。由此本文认为地下一层防火分区1 、2 、3 防烟分区面积扩大不会降低建 筑消防安全水平。 另一方面，由于防烟分区面积的大小会影响到排烟口的设计，所以虽然本文需对 三个分区内排烟口的设置提出下列要求： 防烟分区内排烟口距最远点的直线距离仍不应超过3 0 m ； 夺防烟分区内面积超过5 0 盯的相对封闭的房间内( 如设备房间、单个的商铺等) 均应设置排烟口； 无论是商业分区内还是设备分区内的走道均应设置排烟口： ( 2 ) 塔楼首层大堂排烟系统设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 v 图2 7 圈 大堂排烟分析( 办公楼大堂) 从本工程塔楼情况来看，办公塔楼首层大堂贯通一二层的空间围绕核心筒呈u 形 布置，若设置自然排烟系统则在大堂发生火灾时，除办公楼入口区域大堂区域( 如图 2 7 所示) 烟气可通过两个方向排烟口排出室外，受风向影响较小之外，两侧办公楼次 入口位置的烟气均只能依靠一个方向的排烟窗排出烟气，一旦排烟口位于上风向位置， 则烟气将无法顺利排放至室外，影响通过大堂进行疏散人员的安全。公寓楼大堂与办 公楼大堂类似：大堂首层分隔物较多，采用自然排烟方式时某些区域排烟口均只朝向 一个方向，受室外风力影响较大。由此本文建议，本工程中两座塔楼首层大堂均采用 机械排烟方式排烟。 同时对于排烟量的计算，需确定塔楼首层大堂属于中庭还是高大房间。对于中庭 无论是国内还是国外的文献资料均没有统一的、明确的定义，但从规范对中庭的要求 可以看出，中庭需满足几个方面条件：首先在纵向能贯通多层，同时所贯通的楼层具 有各自独立的使用功能。依据本工程的实际结构、功能，本文认为该工程中办公楼及 公寓楼大堂在消防设计中应按照中庭考虑，即其排烟量应按照换气次数不低于6 次h 设计。 ( 3 ) 消防电梯井道防烟系统设计 关于消防电梯井道防烟系统的设计，现有国家规范中并未明确要求，同时我国正 在制定的防排烟技术规范( 送审稿) 中也未作为强制性要求。但为使本工程消防安 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 全水平更有保障，设计中拟在消防电梯井道中设置机械加压送风系统。在国内现行的 各种规范中，仅上海市防排烟技术规程中详细规定了电梯井道加压送风量的计算 方式，本文建议本工程中消防电梯井道加压送风量可根据该规范第5 1 2 条的方式计 算： 当有前室时l d = r 0 0 0 1 4 ( + c ：幽) 当无前室时l 。= r ( 0 0 0 3 8 c 。f d + o 0 0 1 4 c ：钆) 式中l d ：电梯井的机械加压送风量( m 3 s ) c ，：取值1 ，当电梯门的缝隙采用密封措施时，取值o 5 c ：取值l ，当电梯井围护墙三面采用混凝土墙体，另一面为砖 石砌筑，或全部采用混凝土墙体时，取值0 5 f ：眉山电梯门的缝隙长度( m ) d ：开向电梯井的门的总数； a 4 ：电梯井围护墙的面积( 砰) ： 凡一电梯井前室的侧墙面积之和( 时) ： f 。一电梯井机械加压送风量系数，可由图2 1 2 查得： 图2 8电梯井机械加压送风量系数 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 2 3 3 避难层的设置 本工程两座塔楼中，位于基地北侧的公寓楼总楼层数为5 8 层，避难层分别设置在 第1 7 层及第3 8 层( 如图2 9 ) ：而位于基地南侧的办公楼总楼层数为4 8 层，该塔楼第 一个避难层位于1 5 层，第二个避难层位于第3 2 层。根据该设计，办公楼第一避难层 设置位置满足规范要求，但第一个避难层与第二个避难层之间间距为1 7 层，超过规范 控制到1 5 层之内的要求：同时公寓楼第一避难层设置于1 7 层，且两个避难层之间间 距为2 1 层，均不满足规范中对避难层设计的要求。 图2 9 南北塔楼避难层位置示意图 l 南楼第一个f j 避难层15 fj 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 性能化方案：对于该问题，本文将主要根据建筑的使用情况以及楼层布置，同时 参照现有国内高层建筑避难层设置情况分析该建筑中避难层的设计是否合理。 2 3 4 疏散出口设计 在本工程原设计方案中，办公塔楼首层及二层划分为一个防火分区，但其功能区 划分为两大部分：一部分为银行营业厅及办公区，一部分为办公塔楼入口大堂( 如图 2 1 0 ) 两大部分的功能差异较大，同时火灾危险性也有较大差别，性能化评估单位建 议按照功能性质重新划分防火分区。设计方案调整后，办公塔楼首层及二层银行营业 厅及银行办公区作为防火分区l ，而办公大堂部分则作为防火分区2 。虽然该方案中把 不同火灾危险性、不同功能的区域进行了明确划分，降低了建筑火灾风险，但防火分 区2 二层银行办公区仅一个独立疏散出口，本文需制定相应方案解决银行办公区人员 疏散问题；同时办公大堂所在防火分区贯通地下一层至二层，其中地下一层部分主要 包含连接至首层的自动扶梯及邻近交通区域，该区域无独立疏散出口，同样需要制定 方案解决该区域人员疏散问题。 图2 - 1 0 办公塔大堂楼层功能区分布图( 2 f ) 性能化方案：针对银行办公区仅一个独立疏散出口的情况，结合建筑平面布局， 本文建议银行办公区可以通过借用办公大堂2 层休息区其中一个安全出口( 如图2 1 4 ) 的方式满足银行办公区双向疏散要求。从疏散人数考虑，二层银行办公区及办公大堂 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 休息厅总疏散人数约为9 7 人左右，而共用疏散楼梯宽度约为1 2 m ，即使二层疏散人员 全部通过共用楼梯进行疏散，其宽度也满足疏散要求。同时在其他两部疏散楼梯分流 的情况下，对数据进行比较后本文认为，银行办公区借用办公大堂二层其中一部疏散 楼梯的方式是可行的，但该方案仍需通过模拟计算确定其安全性。 其次对于办公大堂地下一层部分，由于该区域只作为人员流通区域，且面积仅1 6 8 m ，所以无法单独设置疏散楼梯，根据该区域在地下一层的位置看，其靠近邻近设备 防火分区核心疏散楼梯间位置较近，本文建议办公大堂地下一层区域可以通过向邻近 防火分区3 开设借用出口的方式解决人员疏散问题( 如图2 1 1 ) 。由于该区域面积较小， 平时仅作为通行区，即使火灾发生卷帘降落时，滞留在该区域内的人员也较少，同时 鉴于所借用出口的防火分区为设备分区，其分区内人员密度也极其有限，所以本文认 为该借用出口的开设不会给邻近分区人员疏散造成影响。 图2 1l办公大堂地下一层区域疏散出口借用示意图( b l f ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 3 1 设计目标 第3 章性能化设计概述 性能化设计中，不同的建筑功能、类型，有不同的消防安全目标，根据该建筑的 实际情况，本文认为该建筑的性能化设计安全目标为： ( 1 ) 火灾发生后火灾烟气能得到有效的控制，从而保证该建筑内人员能安全的疏 散至安全的地点： ( 2 ) 防止火灾持续、扩大和蔓延，保护相邻财产及建筑物： ( 3 ) 消防人员可在安全的环境下展开灭火救援行动。 3 2 安全性判据 消防性能化设计是基于消防工程学的原理，通过各种计算、模拟、定性、定量分 析来满足实际的消防安全需求，即基于规范要求的安全度又弥补规范的局限性，因此 有必要制定一套消防性能化设计的可接受标准，其安全性判据如下： ( 1 ) f d s 场模拟软件火灾达到危险状态的危险性判据 a ) 烟气层高度 为保证人在疏散时不受烟气的影响或热烟气流的热辐射威胁，烟气层须保持在人 群头部以上一定高度。一般来说，其判断准则是人员疏散过程中烟气层应能保持在距 地面2 o m 以上高度的位置。 b ) 热辐射 根据人体对热辐射耐受能力的相关研究资料，火灾时人能承受的热辐射极限是 2 5 k w 时。表3 1 为其相关实验结果。2 5 k w 盯的辐射热相当于烟气层的温度约 1 8 0 2 0 0 0 c ，也就是说当烟气层温度大于1 8 0 0 c 时，烟气产生的热辐射强度疏散人员即 无法忍受，会极大影响人员疏散的安全进行。所以本文要求火灾中烟气层温度应保持 在1 8 0 0 c 以下。 表3 1对热幅射的耐受极限 辐射强度 5 分钟3 0 秒4 秒 c ) 对流热 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 火灾过程中由于空气的热对流强烈，导致烟气层下方空气温度也逐渐升高，而试 验表明呼吸过热的空气会导致中暑和皮肤烧伤。对一般建筑来说，人体在短时间可以 承受1 0 0 0 c 环境的对流热，较长时间承受6 0 0 c 以下环境的对流热，由于本工程体量较 大，人员均较多，疏散时间也相应较长，保守考虑本文要求本工程火灾场景中烟气层 下方空气温度应保持在5 0 0 c 以下( 起火点周边除外) 。 表3 2 对热对流的耐受极限 温度和湿度 6 0 。c ，水分饱和6 0 。c ，含水量 1 1 0 0 。c ，含水量 3 0 m i n1 2 m i n1 m i n d ) 能见度 能见度是一个对人员疏散时间长短影响较大的参数，在烟气浓度较高时，由于能 进度下降导致确定疏散途径和疏散出口的时间大大增加，往往还有可能朝错误的方向 进行疏散，造成人员伤亡。建筑中火灾时应保持的能见度与建筑空间大小相关，根据 表3 3 所示对于本工程中这类大空间而言，火灾时给疏散人员提供的能见度至少应达到 1o i i l 以上： 表3 3 适用于小空间和大空间的最低减光度 i 位置小空间 大空间 l 能见度( m ) 等值减光度( m 1 ) 5 m 0 2m - 11 0 m o 1 m - 1 c ) 有毒产物 工程应用中主要根据火灾中生成的c o 和c 0 2 作为评价指标。 根据研究数据，当人员长时间滞留c o 浓度超过4 0 0 p p m 的空气中超过2 h 以上时， 身体就会出现不适。若在浓度达到l o o op p m 的空气中滞留2 h 以上，就会出现头疼、 呕吐等严重影响疏散行动的症状，综合考虑c o 浓度与人员耐受时间的关系，本文认 为以火灾场景中c o 浓度是否大于5 0 0 p p m 作为判定值是合适的。 通常当空气中c 0 2 浓度较小时对人体影响较小，如大气中本身即含有占大气总体 积o 0 3 。但当空气中的c 0 2 体积百分比达到1 时，人员长时间滞留会导致气闷、头 晕、心悸等现象，所以c 0 2 危险临界值本文设定为l 。 ( 2 ) 人员安全疏散安全判据 火灾中的人员安全疏散是指火灾在未到达对人员产生危害之前，将建筑内人员安 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 全疏散至安全区域的行为。建筑内发生火灾后，人员能否安全疏散主要取决于一下两 个指标：可用安全时间( a s e t ) ，即火灾发展到对人员产生危险时的时间；必要安全 疏散时间( r e e t ) ，即人员疏散至安全区域所需要的时间。因此火灾发生后，在火灾 到达对危险状态之前，人员能够安全疏散至安全区域，则该建筑防火设计对人员疏散 是安全的。 在性能化评估过程中，a s e t 一般通过在一定火灾场景下的数值模拟并依据火灾达 到危险状态的判据得到。r s e t 通过火灾场景设置相应的疏散场景，通过数值模拟综合 考虑报警时间、预动作时间得到。所以人员能安全疏散需满足式3 1 。 r s e t a s e t 式3 1 式3 1 表示的是：在火灾达到危险状态之前人员能够安全疏散至安全区域。 为了建筑内的人员疏散安全能尽可能的得到保证，同时为了较保守的判断消防性 能化评估本文中的结论，在这两个时间关系中加入一个适当的安全余量时间，以考虑 假设简化和计算模型中的不确定性因素的影响，即： r s e t + 安全余量a s e t 式3 2 下图能描述以上各时间之间的关系及原则： 引燃时间 人员反应时间超出人体耐受极限的时间 - r s e t 安全余量 a s e t 图3 1 定量的“时间线”评估图 因此，性能化安全分析必须对烟气蔓延、烟气温度、c o 、c o2 浓度、能见度及人 员疏散等进行计算，得出a s e t 及r e s t ，进而对性能化方案安全性进行有效评估。 3 3 报告所采用的评估工具 在性能化评估工作中，为了客观的对建筑内发生火灾时烟气的蔓延特性和人员疏 散情况进行定量分析，需要借助相关的软件进行模拟计算。对消防设计方案作出科学 的判断和优化建议也都必须依靠模拟软件的计算结果进行分析。在本报告中，采用了 以下的模拟计算软件对该项目的火灾场景和人员疏散进行模拟。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 模拟火灾发展和烟气蔓延特性采用f d s 软件 模拟人员疏散行动时间采用s t e p s 人员疏散软件 3 3 1 f d s 概况 f d s 是火灾动力学模拟软件f i r ed y n a m i c ss i m u l a t o r 的缩写，由美国国家技术 标准局开发，是计算流体力学的一种模型。f d s 采用数值方法求解一组描述热驱动 的低速流动的n a v i 盯一s t o k 髓方程( 粘性流体方程) ，重点是计算火灾中的烟气流动和热 传递过程。湍流部分分别采用直接模拟( l e s ) 及大涡模拟( d n s ) 处理；燃烧模型基于 h u g g 甜提出的“状态关联”思想，定量给出反应物与生成物之间的关系；辐射换热采 用了有限容积模型；模拟求解后可获得相关测量点处温度、c o 浓度、c 0 2 浓度、0 2 浓度、能见度等一系列数据。同时还发布了后处理软件s m o k 喇删，它可以将f d s 的 计算结果图形化显示出来。f d s 在模型的构建过程中较其它模型采用了尽可能少的假 设，其理论基础坚实，能够描述很宽范围的火灾现象，代表了目前火灾烟气运动数值 模拟的世界领先水平i7 1 。 3 3 2 疏散模拟软件s t e p s 概况 本研究中使用s t e p s 软件对金融城工程设置的疏散场景进行模拟，考察建筑内人 员疏散时的流动情况，并计算出人员所需要的疏散时间。 s t e p s ( s i m u l a t i o no f t r 姐s i te v a 饥a t i o n 锄dp e d e s t r i 锄m o v e m t s ) 2 o 版本是 一种应用在个人计算机中的模拟软件。此模型专门用于模拟人员在建筑物中平常或紧 急状态下的逃生状况。模型适用于综合商场，办公大楼，体育馆，地铁站等建筑的整 体疏散研究。 楼层平面及逃生途径的联系网络，是以细小的“网格系统”作为运算基础。模型将 建筑物楼层平面分为细小的网格，再将墙壁等加入成为网格中的障碍物。模型中的人 员则由使用者加入在预设的界线里。模型内的每个人员将对所在楼层的逃生出口计算 积分，积分越高，人员便越大机会选择此方向逃生至出口。出口的逃生距离，对此出 口的熟悉程度，出口附近的拥挤程度及出口本身可容纳的人员流量等参数，均会用作 计算逃生出口的积分。逃生出口的积分在每一时间间距中重复计算，直至所有人员离 开模型总出口。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 此计算机模型以下三项资料作为分析基础：楼层平面及逃生途径的联系网络，人 员特性，和人员在模型中的移动情况。其中考虑的人员特性包括：人员种类，人员体 积及行走速度等。通过选用合适的人员种类，配以不同连接线上的行走速度，人员对 路径的熟识程度及人员耐性等因素，便可分析多种火灾发生时的逃生情况。研究在前 面部分已经对这些参数进行了分析确定并应用于计算中。 模型内的平面板代表建筑物的真实楼层，将平面楼层细分为网格。人员能够在网 格系统中自由走动。每个网格只可站立一人，因此人员密度的最大值取决于格子大小。 建筑物中的楼梯间则用倾斜面或连结线接通各楼层，在楼梯间人员只能单向行走。 s t e p s 软件擅于模拟一座建筑整体疏散的场景。它考虑了人员从顶楼往下逃生时 与处于低层人员在楼梯间所发生的干扰或阻挡。同时该软件以三维立体模型呈现建筑 中的逃生情况，使用者可以随意改变视线角度或将模