高层与大空间建筑防火难点与设计的问题探讨.doc

高层与大空间建筑防火难点与设计的问题探讨魏汉辉广州大学，土木工程学院土木工程系；广州市番禺区大学城510000;，138260xxxxx【摘要】本文针对高层与大空间建筑两种最常见的建筑，结合作者的见解和规范的要求说明，分别对这两种建筑结构的防火难点进行分析说明，同时结合规范和相关资料，对高层和大空间建筑的消防设计进行探讨。【关键词】高层建筑;大空间建筑；火灾防治；防火设计； 高层建筑和大空间建筑都是我们日常生活中最为常见的建筑类型，例如多数城市中内的商品房，写字楼等数量众多楼宇绝大多数为高层建筑，而地下商场，大型购物广场，体育场馆，仓库等常常因为使用需求采取大空间结构，这两类建筑投资规模大，建筑使用功能复杂，使得对设计的要求越来越高，特别是防火安全的设计。我国社会经济还不发达，因此，我们在设计当中既要考虑到控火及灭火的安全性，又要考虑到投资的合理性。下面就作者在课堂上的所学，加上日常积累，对这两种结构的防火难点和设计问题发表一些拙见。首先，对于高层建筑，防火难点比较明显，致命伤是火势蔓延快，特别是现在北方的建筑，老师课上讲到的保温层材料加速了火势蔓延，现在正全国性的整改，但是火势蔓延快仍然是高层建筑的致命伤。再者，由于楼宇较高，云梯无法到达高层，也加大了火灾出现时的救援难度。下面结合相关规范从两个方面进行设计。 上海28层高楼起火 1.保证建筑主体结构有足够的耐火稳定性 目前国内外高楼多依赖钢结构，虽然它的整体性和稳定性都很好，但耐火性能很差。钢材的抗拉和承重等性能均会因温度的升高而急剧下降，通常在摄氏450650度就会失去承载能力，发生变形，钢柱、钢梁弯曲，不能继续使用。例如当年的911事件，被飞机撞击的那栋大楼就是因为这个原因倒塌的。一般情况下，不加保护的钢结构耐火极限只有15分钟。因此，建筑界和消防界在解决这个问题方面仍任重道远。 1.1耐火等级和材料选择 中国按建筑常用结构类型的耐火能力划分为四个耐火等级（高层建筑必须为一或二级）。建筑的耐火能力取决于构件的耐火极限和燃烧性能，在不同耐火等级中对二者分别作了规定。构件的耐火极限主要是指构件从受火的作用起，到被破坏（如失去支承能力等）为止的这段时间（按小时计）。构件的材料依燃烧性能的不同有燃烧体（如木材等）、难燃烧体（如沥青混凝土、刨花板）和非燃烧体（如砖、石、金属等）之分。 1.2建筑物应根据其耐火等级来选定构件材料和构造方式 如一级耐火等级的承重墙、柱须为耐火极限3小时的非燃烧体（如用砖或混凝土作成180毫米厚的墙或300300毫米的柱），梁须为耐火极限2小时的非燃烧体，其钢筋保护层须厚30毫米以上。设计时须保证主体结构的耐火稳定性，以赢得足够的疏散时间，并使建筑物在火灾过后易于修复。隔墙和吊顶等应具有必要的耐火性能，内部装修和家具陈设应力求使用不燃或难燃材料，如采用经过防火处理的吊顶材料和地毯、窗帘等，以减少火灾发生和控制火势蔓延。 2.做好防火分隔与安全通道设计高层建筑中 因有毒烟气窒息死亡的人员占死亡人数的70%左右，烟气是火灾中的隐形杀手。所以，要充分考虑在建筑内设置防排烟系统的重要性。烟气的水平流动速度为0.3、0.8m/s,垂直方向扩散速度为3.4m/s,当烟气无阻拦时，只需1min左右就可以扩散到几十层高的大楼。因此，超高层建筑在上述部位设置机械加压送风系统，能够达到疏散和扑救通道上无烟的目的，从投资方面又低于机械排烟系统，是可行的。其裙房的楼梯间内可统筹考虑布置。其风压值应为防烟楼梯间50Pa,前室、合用前室、封闭避难层25Pa,既能方便疏散安全门的开启，又能保证安全地带的压力，对烟气起到排斥作用。同时，超高层建筑封闭避难层内设置机械加压送风设施，除满足避难层内一定的正压值，防止烟气入侵，也为躲避在避难层里的人们提供呼吸用的新鲜空气。 2.1防火间距 为防止火势通过辐射热等方式蔓延，建筑物之间应保持一定间距。一、二级耐火等级民用建筑物之间的防火间距不得小于6米，它们同三、四级耐火等级民用建筑物的防火距离分别为7米和9米。高层建筑因火灾时疏散困难，云梯车需要较大工作半径，所以高层主体同一、二级耐火等级建筑物的防火距离不得小于13米，同三、四级耐火等级建筑物的防火距离不得小于15和18米。2.2防火分区 建筑中为阻止烟火蔓延必须进行防火分区，即采用防火墙等把建筑划为若干区域。一、二级耐火等级建筑长度超过150米要设防火墙，分区的最大允许面积为2500米;三、四级耐火等级建筑的上述指标分别为100米、1200米和60米、600米。一、二级防火等级的高层建筑防火分区面积限制在1000米或1500米内，地下室则控制在500米内。防火墙应为耐火极限4小时的非燃烧体，上面如有洞口应装设甲级防火门窗，各种管道均不宜穿过防火墙。不能设防火墙的可设防火卷帘，用水幕保护。 2.3安全疏散通道出口 为减少火灾伤亡，建筑设计要考虑安全疏散。公共建筑的安全出口一般不能少于两个，影剧院、体育馆等观众密集的场所，要经过计算设置更多的出口。楼层的安全出口为楼梯，开敞的楼梯间易导致烟火蔓延，妨碍疏散，封闭的楼梯间能阻挡烟气，利于疏散。防烟楼梯间因设有前室，更有利于疏散。高层建筑须设封闭的或防烟的楼梯间，楼梯间应布置成有两个疏散方向。超高层建筑应增设暂时安全区或避难层，还可设屋顶直升飞机场，从空中疏散。疏散通路上应设紧急照明、疏散方向指示灯和安全出口灯。 大空间建筑的火灾特性，由于建筑结构上的特殊性和使用方面的复杂性，大空间建筑的火灾预防与普通建筑有着明显的区别。1.其难点主要表现在以下几个方面：1.1不易进行防火分隔在建筑物内设置防火防烟分区是控制烟气蔓延的主要方法，但是对于大空间建筑，由于建筑结构、生产工艺、使用功能等方面的影响，特别是一些大型体育场馆、工业厂房，很难利用防火墙、防火卷帘等有效防烟隔烟措施进行防火分隔。1.2普通火灾探测技术无法及时发现火灾目前在普通建筑中广泛使用的火灾探测器大都是以烟气浓度或温度为信号进行探测的，且探测器大多安装于顶棚之下。普通建筑的楼层高度多数在6 m以下，火灾烟气能够很快到达顶棚，因此这类探测器对普通建筑是适用的。然而在大空间建筑就不同了。由于受到空气的稀释，火灾烟气到达十几米或几十米的高 度时，其温度和浓度都大大降低，不足以启动火灾探测器；即使启动，下面的火势也早已发展到相当大的规模，延误了早期灭火的有利时机。另外，由于建筑物内部热风压的影响，大空间上部常会形成一定厚度的热空气层，它足以阻止火灾烟气上升到大空间的顶棚，从而影响火灾探测器的工作。1.3常用的自动喷水灭火装置不能有效发挥作用在普通建筑中，洒水喷头通常是按一定间距沿顶棚分布安装的。当顶棚附近的温度达到喷头的启动温度后，洒水喷头便开始洒水。与火灾探测问题相 似，在20m以上的大空间建筑物内，这种依靠温度变化而启动的喷头及其顶棚安装方式也不适用。另一方面，普通喷头喷出的水滴从十几米乃至几十米的高度落下 来，往往到达不了燃烧物的表面就失去了水滴的浓度和灭火范围，即失去了有效的灭火作用。1.4人员的安全疏散相当困难大空间建筑一般都是人员高度集中的场所，常常有成千上万的人，而且这些人来到这里通常是没有组织的(例如剧场、体育馆等)，一旦发生火灾，在较短的时间内将人们迅速疏散到外界是一个极为困难的问题。2.大空间建筑防火分区基本设计方法2.1 利用防火墙进行防火分隔一般要求是：2.1.1防火墙应直接设置在基础上或钢筋混凝土的框架上。防火墙应截断燃烧体或难燃烧体的屋顶结构，且应高出非燃烧体屋面不小于40cm，高出燃烧体或难燃烧屋面不小于50cm。当建筑物的屋盖为耐火极限不低于0.5h的非燃烧体时、高层工业建筑屋盖为耐火极限不低于1h的非燃烧体时，防火墙（包括纵向防火墙）可砌至屋面基层的底部，不高出屋面。2.1.2防火墙中心距天窗端面的水平距离小于4m，且天窗端面为燃烧体时，应采取防止火势蔓延的设施。建筑物的外墙如为难燃烧体时，防火墙应突出难燃烧体墙的外表面40cm；防火带的宽度，从防火墙中心线起每侧不应小于2m。2.1.3防火墙内不应设置排气道，民用建筑如必须设置时，其两侧的墙身截面厚度均不应小于12cm。2.1.4防火墙上不应开门窗洞口，如必须开设时，应采用甲级防火门窗，并应能自行关闭。2.1.5可燃气体和甲、乙、丙类液体管道不应穿过防火墙。其他管道如必须穿过时，应用非燃烧材料将缝隙紧密填塞。2.1.6建筑物内的防火墙不应设在转角处。如设在转角附近，内转角两侧上的门窗洞口之间最近的水平距离不应小于4m。紧靠防火墙两侧的门窗洞口之间最近的水平距离不应小于2m，如装有耐火极限不低于0.9h的非燃烧体固定窗扇的采光窗（包括转角墙上的窗洞），可不受距离的限制。2.1.7设计防火墙时，应考虑防火墙一侧的屋架、梁、楼板等受到火灾的影响而破坏时，不致使防火墙倒塌。2.2利用防火卷帘进行防火分隔一般应满足以下要求：2.2.1当采用以背火面温升作耐火极限判定条件的防火卷帘时，其耐火极限不应小于3 h，如双轨、双帘无机防火卷帘和气雾式等特殊防火卷帘。2.2.2当采用不以背火面温升作耐火极限判定条件的防火卷帘时，其防火卷帘两侧应设独立的闭式自动喷水灭火系统保护，系统喷水持续时间不应小于3 h，喷水强度不应小于0.5Lsm，喷头间距应为2m2.5 m，喷头距卷帘的垂直距离宜为0.5 m。23 用水幕进行防火分隔应满足以下要求：2.3.1喷头布置应为3排，防火水幕带的有效宽度不应小于6m。供水强度不应小于2 Lsm，喷水延续时间不应小于3 h。2.3.2水幕上部不应有可燃构件和可燃物。2.3.3水幕上部空间较大时，水幕应同时喷向上部，防止烟火从水幕上部空间蔓廷。自动扶梯、开敞式楼梯和防火墙上根据需要开设的孔洞均应设置防火卷帘或水幕进行分隔。2.4高层建筑中庭防火分区面积应按连通的面积叠加计算。当超过一个防火分区的面积时，应符合下列规定：2.4.1房间与中庭回廊相连的门，应设能自动关闭的乙级防火门；2.4.2与中庭相连的过厅、通道应设防火门或防火卷帘；2.4.3中庭每层回廊应设火灾自动报警系统、自动喷水系统。2.4.4净空不超过12m的中庭可采用自然排烟，但可开启的天窗或高侧窗的面积不应小于该中庭地面面积的5，其他一律采用机械排烟设施。 2.5利用增加火灾自动报警系统和自动喷水灭火系统，达到防火分区增加一倍面积的目的（包括局部增加自动灭火系统，防火分区增加相应一倍面积）。一般的，对于大空间建筑宜采用非接触式火灾探测器，主要是光束对射式或图像式探测器，自动喷水灭火系统喷头采用大水滴快速反应喷头或远程数控水炮。从而达到满足大空间探测和扑救火灾的需要。2.6利用性能化设计方法进行防火分区设计在大空间建筑的防火设计中应用“性能化”防火设计的方法，可以解决“处方式”设计安全性不确定的问题，使大空间建筑的消防安全性得到有效的保证。2.6.1对大空间建筑进行“性能化”防火设计，首先必须要设计火灾即建立火灾场景模型。在建立火灾场景模型之前，应首先判断不同区域 的火灾类型，火灾类型不同，燃烧速度、放热量及火灾的时间就不同，那么数学模型也不同。火灾荷载的大小、可燃物的性质、通风条件是决定火灾严重性的三个重 要因素。大空间建筑的火灾模型要考虑到空气供给速度及材料的分布情况。由于这种建筑的空间较大，较易获得建筑物外环境风量补偿，因此空气供给速度也较快。而材料的分布与建筑的使用功能有着直接关系。2.6.2通过对火灾的模拟，即放热量大小和持续时间的确定，可以得出对整个建筑各个部分构件耐火性能、防火分区、防排烟、安全疏散等各方面的要求。2.6.3对耐火性能、防火分区、防排烟、安全疏散等各方面进行安全检验，若不符合防火要求，应反复进行校对，直到满足安全性的要求为止。从“性能化”设计的步骤可以看出：“安全检验”是“性能化”设计区别于“处方式”设计的一个重要方面，因此，在大空间建筑的防火设计中应用“性能化”的设计方法，可以使建筑的消防安全性得到更有效的保证。3.1大空间建筑设计的复杂性3.1.1对于大空间建筑，由于其使用功能的复杂性和不确定性、人员密度及火灾荷载都较大的特点，所以合理进行防火分隔十分必要。在一般大 空间建筑中，常规的防火分隔物还是可以适用的。但是对于一些具有特殊功能的大空间建筑，这些防火分隔还是有一些弊端，例如展览馆、体育场、大型工业建筑 等。在实际工作中，还必须结合实际，根据建筑空间的特点灵活利用以上六种方法进行防火分区的划分。3.1.2由于大空间建筑与一般建筑在火灾现象方面存在较大差异，因而必须从整体分析大空间建筑发生火灾时所具有的性能特性为出发点，进而 实施防火安全综合设计。虽然在大空间