超高层建筑的消防安全特性及防火设计.docx

中国人民武装警察部队学院课程考核论文/研究报告20172018学年第一学期课程名称 防火工程概论A 姓 名 陈 鑫 学 号 201540740004 教 学 班 15指七1 专 业 消 防 指 挥 中国人民武装警察部队学院20172018学年第一学期防火工程概论A课程考核论文/研究报告 课程编号： 4fhb001N 分数： 超高层建筑的消防安全特性及防火设计摘要：经济建设的快速发展，普通的高层建筑已经不能满足社会发展的需要，在当今社会，各个国家都开始大力建设超高层建筑，不仅将之打造成功能齐全、设备完善、完美外观的超高层建筑，还会以独特的超高层建筑作为城市的象征标志，吸引着更多的人来欣赏参观或参与建筑功能。此类建筑的消防安全性能更是我们关注的重中之重，不能出现半点差错。由于超高层建筑毕竟还未全面普遍，在建筑设计、安全特性方面还未完全成熟，仍有较大思考创新的空间，在我国实行的建筑防火设计规范中，对超高层未作出较多针对性规范。在参考规范对超高层建筑，尤其是40层（100m）以上的建筑进行防火设计时遇到一些与建筑安全使用、有效救援相左的问题，着重介绍了超高层建筑的消防安全特点及超高层建筑防火设计的工程方法，简要介绍了性能化设计的相关问题，以“上海环球金融中心工程”为例，对其建筑的防火分区、烟气控制系统、紧急控制中心做了简要的分析。对超高层建筑必须进行严格的防火设计,为保证其真正实现还须有全面的总体防火规划,包括规划、设 计、审核、施工、验收、使用、管理及维修等多个环节。总之，超高层建筑的防火设计应立足于“性能化”的思想 。 关键词：超高层建筑；消防安全特性；防火设计；性能化设计 随着经济的快速发展，超高层建筑已从最初的凤毛麟角而逐渐普及。现代社会的发展，城市化进程逐步深入，各项建设活动十分频繁，高层建筑的建设也成为了十分普遍的项目，该行业的发展十分迅速。而其中超高层建筑是指高度超过100米的建筑，该类建筑在设计是需要考虑的因素较多，包括外观设计、环境和谐、节能环保、抗震因素、结构合理等，因此在消防设计方面受到较大的限制及影响，其规范与制度尚未与建筑设计及建筑行业的发展形成相应的系统，使得超高层建筑的在给水及消防设计方面存在较多的问题，也造成了许多安全的隐患，时刻威胁到人员的生命财产安全，需要予以重视，保障建筑物的使用安全并延长其使用寿命，创造出良好的经济效益及社会效益。一、超高层建筑的定义与分类 随着经济的发展，城市人口迅速增加，用地紧张的困境日益突出，超高层建筑可以更充分地利用有限空间，节约土地，通过集中布设地上、地下的各种管线而降低市政工程的投资。而且超高层建筑汇集了城市在建筑、结构、机械设备、建筑材料和施工技术等所有科技的最高成就，表现了城市社会、经济文化程度和现代化步伐，许多超高层建筑更是成为了一个城市或地区的重要景观和地标。此外，超高层建筑面积大，将多种功能，如办公、旅馆、公寓和购物综合在一座建筑里，方便了人们的生活。 我国的建筑规范中并没有明确的规定“超高层建筑”的定义，而是把建筑高度超过24米的公共建筑和十层及十层以上的居住建筑均视为“高层民用建筑”。1972年，在美国宾夕法尼亚洲伯利恒市召开的国际高层建筑会议对高层建筑的定义取得了较统一的认识，把高层建筑划分为四类：第一类高层建筑：916层（最高到50m）；第二类高层建筑：1725层（最高到75m）；第三类高层建筑：2640层（最高到100m）；第四类超高层建筑：40层以上（高度在100m以上）。我国高层民用建筑设计防火规范对超高层虽无明确规定，但对于高度超过100m，层数超过32层的建筑在避难层、停机坪、消防水压、灭火设施、正压排烟及火灾自动报警方面都有特殊的要求。二、超高层建筑的消防安全特点 超高层建筑作为一个地区和城市的标志，建造耗资巨大，涉及建筑、结构、设备、防火、交通、能源、环境等一系列的问题，是一个地区经济、科技、美学的综合结晶。但是，由于这种建筑物高度高、人员多、设备及管线系统复杂，火灾事故的隐患大，在自然灾害（地震、强风）、内部设备系统故障事故、人为火灾等难以抗拒或防范的情况下，一旦发生火灾，疏散与扑救都十分困难，将直接威胁着生命财产安全，因此火灾是超高层建筑的头号大敌，其消防安全成为不可避免的首要问题之一。（一）功能用途复杂、点火源多 超高层建筑主体建筑高、功能复杂，大多数主体建筑底层建有裙楼，作为商场、餐饮、娱乐等商业功能使用，主体建筑多数作为住宅、办公、宾馆等使用。而且超高层建筑的用电设备种类多，数量大，超载、短路、发生小火花的现象增多；车库停车多、储油量大；流动人员多，吸烟人多；雷击现象、周围环境飞火等也是超高层建筑可能发生火灾的点火源，火灾荷载密度大。（二）竖向管井多、可燃物集中，容易形成烟囱效应 超高层建筑内部垂直的楼梯间、电梯井、管道井、电缆井、排气道、垃圾道以及其它封堵不严密的各类竖向管井众多，其陈设和装修材料大多是可燃、易燃物品，一旦发生火灾，容易沿着这些竖向管井快速蔓延。而且这些竖向管井犹如一座座高耸的烟囱，火灾时，容易形成烟囱效应，助长烟气火势的蔓延。建筑高度越高，烟囱效应越强烈。实验资料证明，超高层建筑中火灾烟气沿着垂直楼梯间、电梯井等竖向井道垂直上升的速度达每秒3到4米，有时甚至可达每秒8米。（三）安全疏散困难，人员密集，容易造成重大伤亡 40层以上超高层建筑着火时，要使人员迅速疏散到地面或避难空间十分困难。由于火灾时客用电梯必须停止使用，消防电梯主要为消防队员专用，消防云梯车的高度也有极限，所以楼梯间是人员垂直疏散的唯一手段。但超高层建筑的垂直疏散距离长，人员密集，疏散时间也相应大幅增加。据消防部门的测试，一名消防战士从40层150米的位置下到建筑的第一层需要十几分钟，那么普通人员或是老人、小孩等所需要的疏散时间就会更长。而烟气的垂直流动速度为24米/秒，在垂直方向1分钟就可以蔓延几十层。人员的疏散速度比烟气流动速度要慢超过100倍，而且疏散方向与烟火蔓延方向相反，进一步增加了人员疏散的艰难和危险性，容易造成重大伤亡。（四）火灾扑救难度大，对装备手段的要求高 超高层建筑与普通建筑相比，其火灾扑救难度相对较大。由于城市高楼林立，缺乏地面消防行动展开的场地，而且从国内现有的超高层建筑来看，外墙大多采用玻璃幕墙，破碎后极易造成地面人员伤亡，并对破坏地面的消防车辆及供水器材，加上外墙采用固定窗，消防人员接近起火点非常困难。此外，现有消防装备远远无法满足超高层建筑的灭火救援需要。目前，消防登高车的最大救援高度约为100米。超高层建筑发生火灾，灭火用水量比较大，有时需要达到100升/秒以上。经灭火演练测试，三辆大功率消防车串联，通过水泵结合器供水，高度只能达到160米，通过水带直接供水，高度只有150米，而消防直升机尚未得到普遍应用。因此，超过150m的楼层几乎只能主要依靠建筑内部自身的消防设施来保障，外部手段效果甚微。 此外，还有一个经常被忽略的火灾隐患，就是超高层建筑在施工期间的消防安全问题。超高层建筑的施工周期一般都较长，施工现场临时动火多，用电量大，易燃、可燃材料集中。同时，消防设施未开通，缺少消防水源和消防通道，只有临时消防水源，一旦发生火灾，不能保证消防用水的水压和水量，消防扑救难度更大，尤其是在施工后期发生在中、高层甚至顶层的火灾。三、超高层建筑防火设计的工程方法 针对超高层建筑的一系列突出问题,结合我国的消防技术规范进行分析探讨。（一）总体布局（1）设置成成片具有高度防火性能的超高层建筑,1949年重庆的“九、二”火灾即是如此 , 幸而数幢巨型银行建筑成功地阻挡了蔓延。因此布置成片具有高度防火性能的超高层建筑 以形成耐火隔离带不失为一个好办法；（2）按照规范要求设计消防车道和扑救场地。（二）结构的耐火设计 （1）超高层建筑中钢结构的耐火设计。超高层建筑中大面积的使用钢结构耐火设计,会造成耐火能力差,必须以耐火材料包覆,或者喷涂石棉或防火涂料等。对于后者,我国近几年来己经有显著的发展,并取得了一定的成果。（2）超高层建筑中钢筋混凝土的耐火设计钢筋混凝土结构通常具有较好的耐火能力,但预应力构件耐火较差,必要时应加防火涂料或厚抹灰加以保护,据调查,国外超高层采用隔墙较普遍的是加气混凝土,轻质耐火是最大的优点。目前，研究耐火性最活跃的领域是对含氟树脂和有机硅改性树脂的研究。其中,有机硅改性丙烯酸树脂涂料是今后超耐火性涂料发展的方向。（三）防火分区 一个超高层建筑分为若干个独 立的单元,每一单元都是独立的以防止大火和烟雾蔓延,单元之间用防火墙分隔,每个防火分区的面积一般不超过1400平方米。 （四）安全疏散（1）急用路线与常用路线相结合 国外大部分超高层建筑安装了一组电梯,以利于达到不同的层次。到达某一些层次,仅有其中一部电梯可达。发生火灾,疏散人群可以进入和使用原本不提供出入口给发生火灾层次的电梯。虽然这种以抓紧运用电梯作为疏散人群的思想是不值得提倡,但是作为顺应建筑需求的总体疏散战略的一部分,必须执行完成这种任务的工作 。（2）不宜设计成“袋型走道” 从超高层建筑火灾人员死亡的案例来看,大部分人在浓烟中,由于人的趋光性,人们会自然而然地奔向光亮方向。而在超高层中,由于需要天然采光,在走道尽头处设有窗户,极易使人误入死亡圈套。应尽量避免使用袋型走道,而应使用环行的双向走道。为了识别方向,指示警告的符号应该明显。（3）避难层A.超高层建筑中设置避难层很必要 在超高层建筑中应设置避难层间,人们在紧急疏散时,只需跑若干层就能安全避难。B.结合我国特点对避难层进行设计 考虑我国人员的体型特点 , 人均面积应保证不小于0.2m/人。 考虑到登高车的最大作业高度在30-50米左右,而消防员的实测表明,登高超过10层时,心跳和呼吸明显加快,会给扑救带来不利影响,综合以上因素,距地面起到10-15层设置第一避难层。这样,既可控制一个区间的疏散时间不会太长,又能在较小的扑救范围作业,并可与设备层布置相结合。为保证避难层在建筑物起火时能正常发挥作用,避难层至少应有两个疏散方向的避难通道。通向避难层的防烟楼梯,其上、下层应错位布置。(4)屋顶直升飞机停机坪 目前国内购置专用直升机的城市很少,据调查上海装备的大多是欧美生产的,如法国的超美洲豹等。但如255米的上海长峰大厦等的超高层建筑因造型别致而无法满足停机坪的要求。为此,本人认为如果破坏了大厦的美丽而强行规定要设停机坪,这是没有意义的但如果能在顶部扩出一小块平地,以供直升机悬停在上方进行教援倒不失为一个好办法。（五）设备方面（1）自动报警系统 主要包括三部分：探测器、区域报警器及集中报警器,此外还须设置人工报警电话、报话机及报警按钮等与之配合。消防中心宜设在首层并靠近消防车道。（2）自动喷淋 超高层建筑应当立足于自防自救,自动喷淋设施是实现自防自救最有效的方法。比如在上海, 很多超高层建筑为了美观,不仅外面使用玻璃幕墙,在内装修中也大量使用玻璃墙分隔,除一些耐火极限大于1h的大块玻璃墙外,其余的都要在两侧布置喷头,避免出现喷头的盲区.有的甚至安装了两套消防系统。四、性能化设计 仅仅依靠现行的规范进行超高层建筑设计是不全面 , 国际上广泛采用的是性能化设计。（一）性能化超高层建筑防火设计的基本内容（1）设计火灾的分类 A.火灾的发展阶段及其轰燃 对于多数房间,一般都假设火灾处于发展及其轰燃阶段。设计时的热量释放率由传统的方法决定,稳定的热量释放率是由通风条件和燃料表面的形状决定的。 B.局部火灾 局部火灾是少量易燃物在一个大空间内的燃烧,燃烧局限在相对较小的区域内。C.窒息的火灾 在密闭的房间中,当氧被消耗之后火灾被窒息。火被窒息以后,热释放率将迅速降低。但是,如果这时门被打开了,燃烧将再次迅速变大。消防员的灭火救援可能是门被打开的原因之一。 （2）火灾性状预测 结合可能影响建筑物消防安全性能的众多因素, 以火灾发生直至人员疏散完毕整个过程为研究对象,分别考虑起火空间内部火灾的发生与发展阶段,烟与有毒气体在起火空间内部及外部蔓延阶段,火灾在起火空间之外蔓延阶段,火灾探测与自动消防系统启动阶段,消防队到场灭火阶段以及人员疏散阶段的火灾性状特点。（3）建筑结构耐火安全性预测 通过分析构件抗力和荷载效应的相关特征,对建筑结构的耐火安全性进行预测。（4）人员安全疏散预测 对于建筑物内人员疏散到安全区域提取时间的预测结果,与火灾场景中有关发展与烟气流动性状分析 所得到的时间进行比较。（5）安全标准 性能化评估方法具有较强的适用性,应制定以性能化准则为主,规格指令性准则为辅的安全评估标准体系。并针对特殊情况制定补充性准则。（二）安全检验方法 为了进行安全检验，应对每个烟气控制区的疏散时间和充满烟气时间进行计算。四、实例分析 下面就“上海环球金融中心工程”消防实例进行探讨。（一）建筑概述 上海环球金融中心是一个大规模超高层多用途建筑物,它有94层（460米高），楼层总面积为335.700平方米,并且可容纳20000人,它位于上海金融与贸易区的中心。这个建筑物采用核型心筒的平面设计。（二）防火分区分为防火单元和疏散单元 防火单元：这个建筑物被分为四个防火单元。在防火单元之间设置了避难层。竖向的通井都被分隔：一个防火单元约每15层楼被进一步分为疏散单位。这可以有效地缩短总的疏散时间, 疏散单位的大小是根据模拟所预测的总疏散时间以及我国的消防规范来确定的。每一疏散单位提供一个避难场所,并且每一个疏散单位的大小与位置的确定应允许每一层的疏散在 30分钟内完成。并根据上面提到的性能化设计原理来区分大楼里的各个区域,如中庭这种燃烧危险系数大的空间把它看作是会导致火灾的发展阶段及其轰然,而在各个防