大型体育馆消防安全设计方案及应用

1、大型体育馆消防安全设计方案及应用 现代体育场馆已经不再是仅满足体育比赛的需要,其设计还要考虑购物、娱乐、办公、餐饮等功能。随着我国举办国内外大型赛事的机会越来越多, 大型体育场馆的设计也越来越表现出复杂性与多学科性。综合看来,体育建筑的发展呈现出以下特点: 功能多元化、与城市总体规划密切结合、重视赛后利用、新技术新材料的大量应用。体育馆是室内进行体育比赛和体育锻炼的建筑, 由于其本身属于空间结构复杂、人员密集的场所, 在增加了一些新颖的设计元素后, 通常会给建筑防排烟、防火分区设置、人员安全疏散等的设计带来困难。 对于大型体育馆出现的消防安全问题, 前人开展了大量的研究。宋延斌等人针对济南奥林

2、匹克体育中心存在疏散距离超长、安全出口数量不足的问题, 提出相邻防火分区安全出口互相借用、内环道设置避难区或准安全区的解决方法。李黎丽针对某体育会展中心防火分区面积超出规范规定的情况, 分析了火灾在各层之间蔓延的途径, 通过加强联系部分的耐火等级来阻止火灾蔓延, 对通道进行 曲改直、窄改宽的改进, 最后通过计算机模拟分析火灾安全性。很多研究人员对大型体育馆建筑不符合规范要求的情形, 提出采用性能化防火设计的思想, 通过提出初步解决方案, 并利用计算机模拟火灾发展过程和人员疏散过程, 比较可用疏散时间aset和必需疏散时间rset, 判定体育馆的消防安全性。 1 体育馆消防设计的问题 随着体育馆

3、建筑消防问题的凸现,我国于2003年颁布了体育建筑设计规范( 以下简称 体规)。在其他消防规范中, 也涉及到体育建筑的防火要求, 如建筑设计防火规范( 以下简称 建规) 、建筑内部装修规范等。但从总体上看, 我国现行防火规范有关体育馆的要求过于原则, 条文也太粗略。虽然 体规在原有规范基础上引入了专门的设计规范, 但是仍大大滞后于社会技术的发展。 ( 1) 防火分区面积过大。防火分区划分的主要目的是防止火灾蔓延, 避免重大的人员伤亡和经济损失。防火分区的作用在于发生火灾时, 可将火势控制在一定的范围内, 以有利于消防扑救, 减少损失。 体规规定: 体育建筑的防火分区尤其是比赛大厅、训练厅和观众

4、休息厅等大间处应结合建筑布局、功能分区和使用要求加以划分, 并应报当地公安消防部门认定。 建规规定: 体育馆防火分区的最大允许建筑面积为2500m2, 建筑内设置自动灭火系统时, 该防火分区的最大允许建筑面积可增加1. 0倍。但由于大型体育馆建筑功能的需要, 防火分区的面积往往超过规范要求。体育馆特有的大空间性质, 决定了防火分区划分的困难, 现行规范对体育馆如何划分防火分区未做具体规定。 (2) 安全疏散问题。现行规范关于安全疏散距离、出口数量和疏散时间的规定是: 体育馆在34min内疏散完毕、体育场在6 8min内疏散完毕, 对应的体育馆总容纳人数不超过20000人。现阶段体育场馆的体型、

5、规模以及可容纳人数都和以往的情况有很大不同, 现行规范的安全出口数量、宽度以及疏散时间指标等要求可能不适应新型体育场馆的设计。体育场馆还存在防火分区面积过大导致疏散距离过长、疏散人数众多、疏散流线复杂等问题。 ( 3) 排烟系统设计。 体规和 建规对于体育建筑的排烟系统设计规定较为笼统,只是要求比赛、训练大厅设有直接对外的开口时,应满足自然排烟的条件; 没有直接对外的开口时, 应设机械排烟系统。无外窗的地下训练室、贵宾室、裁判室、重要库房、设备用房等应设机械排烟系统。 体育馆比赛大厅因其内敞空间高大, 在防排烟设计上与其他标准层高的建筑有很大不同。高大空间的排烟量确定一直是困扰设计人员的一个主

6、要问题。在常规的防排烟设计中, 类似体育场馆大空间的排烟量设计主要是根据对中庭排烟量的要求进行,即 排烟空间体积小于1.7万m3时, 排烟量按其体积的6次/ h换气计算, 体积大于1. 7万m3时, 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10. 2万m3/ h。对于体育馆的超大空间, 按照上述方法计算的排烟量往往非常大, 给设计与施工带来很大的难度, 设计人员也常常对如此大排烟量的必要性产生疑问。同时, 由于体育馆大空间类似一个巨大的蓄烟舱, 在火灾初期可以容纳大量烟气而不致威胁人员的安全, 这也是要考虑的重要因素。 ( 4) 结构防火问题。体育建筑由于比赛需要, 其空间跨度

7、一般均较大, 其屋顶则多采用钢网架体系。从结构防火看, 必须考虑对钢网架结构进行防火保护。 建规规定: 一级耐火等级的建筑物的屋顶承重构件的耐火极限为1. 5h, 二级耐火等级的建筑物的屋顶承重构件的耐火极限为0. 5h。这两个数值相差较大, 如何定性体育建筑的耐火级别就显得很重要。另外, 由于体育馆高大、空间开敞的特点, 在发生火灾时, 其受到火的直接威胁可能很小, 确定合适的保护时间对钢结构保护材料选择有较大的影响。如果不对钢网架进行具体分析而对整个体系采用统一的防火要求, 会严重影响建筑美观, 并有可能造成过度保护或保护不足, 造成投资浪费或安全性下降。 ( 5) 火灾探测监控。 建规规

8、定: 超过3000个座位的体育馆观众厅等部位应设自动报警装置。但对于体育馆建筑, 消防监控的重点和难点在于比赛大厅大空间的火灾探测。针对体育馆高大空间, 采用何种火灾监控方式, 才能设计出安全适用、技术先进、经济合理的消防报警系统, 是首先要解决的问题。与其他大空间建筑相同, 体育馆大空间的火灾探测也是一个令人困惑的问题。体育建筑中, 一般人员众多, 为了赢得更多的疏散时间,对火灾自动报警系统的要求更高。体育馆大空间内部一般较高, 根据gb50116- 98火灾自动报警系统设计规范, 对于超过12m的空间, 常规的点型感烟探测器已经不适宜。 ( 6) 自动灭火系统。一般认为, 在大空间内水系灭

9、火方式仍然是最适宜的, 在可燃物不是很集中的大空间, 或者被水作用后损失很大的大空间场所, 考虑有效性和可行性, 大面积安装喷洒喷头会造成两种后果: 一是结构上不合理, 二是作用效果受高度的影响大。 建规规定: 3000个座位以上体育馆、观众厅的吊顶上部, 以及贵宾室等要安装自动喷水灭火设备。实际上, 我国现有的自动喷水灭火系统及喷头, 一般工作高度为8m; 采用快速响应早期抑制喷头, 工作高度可以达到12m。但是对于12m以上的高大空间体育馆尚无法采用固定自动喷水灭火系统。 2 解决方案 针对以上常规消防设计遇到的困难, 参照国外的相关做法, 并通过国内大量工程项目实践, 提出一般性的解决思

10、路和方案, 为体育馆项目提供设计参考。 ( 1) 防止火灾扩大蔓延。防火分区面积超出规范要求是大型体育馆经常出现的问题。增大防火分区面积将会增加火灾大面积蔓延的可能性。同时, 由于疏散距离 增加、人员数量增多, 也将导致人员疏散的危险性增大。因此, 针对防火分区扩大问题, 应该从保证人员疏散、控制火灾规模和防止火灾大面积蔓延等方面进行分析, 采取必要的消防措施以保证人员安全, 尽可能减少财产损失。具体措施有: 提高固定装修耐火等级、设置防火隔离带、用钢化玻璃划分防火单元等。 ( 2) 阻止烟气危害人员。防排烟系统设计的主要目标是提供相对安全的区域, 保证人员在疏散过程中不会受到火灾烟气的伤害。

11、设计时要根据被保护区域内的可能火灾规模、设计烟气层高度等参数确定必需的排烟量。一是火灾规模。体育馆大空间内的火灾主要来自观众席看台和比赛场地内。观众席火灾一般来自座椅、仪器设备和装饰物, 比赛场地内的火灾一般来自搭建的舞台、办公组合家具等。在火灾规模设计中, 要综合考虑场地使用中可能出现的各种情况, 以包含大多数可能出现的火灾规模。二是烟气层高度。体育场馆内的看台一般都沿着一定的斜面布置,观众所在位置的高度是变化的, 所以应保证最高看台观众所在位置2. 0m以上的高度不受烟气侵扰。三是排烟量。对于采用机械排烟的系统, 排烟量应根据确定的火灾规模和设计烟气层高度确定。对于采用自然排烟的系统, 其

12、排烟量确定的方法与机械排烟系统相同。然后可以通过火灾模拟软件对初步设计的通风排烟条件、排烟量进行模拟, 验证排烟效果, 在此基础上对设计进一步优化。 ( 3) 控制可接受疏散时间。为了达到可以接受的安全水平, 需要对体育馆设计进行专门的人员疏散分析。由于人流组织比较复杂, 常规的疏散设计方法难以确定人员的疏散时间。解决这类问题的有效方法是设置准安全区、合理布置安全出口、增加疏散宽度、优化人员疏散流线、改直简化疏散路径通道、加强指示标志引导作用、采用计算机模拟仿真等,对各种可预见的场景进行分析,找到影响人员疏散安全性的问题并加以解决, 以达到可接受的安全水平。参照国际的做法, 并经过综合分析,

13、确定疏散人数超过20000人的大型体育场馆的疏散设计时间最大不超过8min, 即 8min原则。通常人员以正常速度通过安全出口的时间小于8min时, 不会出现激动、焦虑和紧张的情绪, 可以保证人员的安全疏散。 ( 4) 钢结构温升计算。体育馆的钢结构体系要具体分析是否应进行防火保护, 需要对发生火灾后的整体结构温升分布进行计算, 以判断哪些部位需要进行防火保护以及保护强度。一是火源位置。分析建筑的使用功能、平面布置、火灾荷载的种类, 考虑建筑内所有可能会发生火灾的部位、所有可能受影响的结构, 应重点考虑建筑结构的关键部位,如结构杆件的最大受力处、结构薄弱点。二是火灾规模。火灾规模应综合考虑建筑

14、消防设施的安全水平、火灾荷载分布及种类、建筑空间大小、统计资料、试验结果等确定。通过个案计算, 对钢结构各部位的耐火安全性能做出具体评价, 可以有针对性地提出兼顾安全与经济美观的防火保护方案。一般来说, 钢结构柱容易受到火灾影响, 要加强防火涂料保护, 体系顶部梁受到火灾影响的危险性小。 ( 5) 大空间火灾探测。在体育馆比赛大厅内, 当点型火灾探测器不适用时, 可以采用适合高大空间的先进火灾探测器, 如双波段图像火灾探测器( 简称 双波段探测器) 。双波段探测器属于智能型火灾探测设备, 具有火焰探测功能, 适用于大空间和其他特殊空间场所。系统具有多种火灾识别模式, 可以有效消除由于外界环境及

15、系统偶然因素引起的误报, 可靠性高, 定位精度高, 100m距离处的定位误差不超过3. 6m, 可以实现火灾的早期准确探测。 ( 6) 自动消防炮灭火系统。在大空间建筑消防系统中, 灭火的有效性与经济性尤为突出。近年来广泛应用的自动消防炮系统可替代水喷淋系统, 大大提高灭火效果, 同时保证建筑物的整体美观。采用与火灾探测器联动的自动消防炮是火灾探测与定点扑救相结合的主动式火灾防治系统, 可以实现大空间火灾自动报警与空间定位联动灭火的统一。在火灾自动报警并进行着火点空间定位后, 系统自动控制消防炮进行定点扑救。自动消防炮的最大射程可达50m以上, 可以很好地解决体育馆大空间自动灭火难的问题。并且

16、只对着火区域进行灭火,对无火区域基本没有影响或影响很小, 减少了扑救过程中造成的损坏。 3 工程实例应用 某体育馆内共设置6000多个固定坐席, 2000多个活动坐席, 固定和活动坐席以及场地中央坐席总数可达到8000多个, 属甲级体育馆, 耐火等级按一级设计。 3. 1 防火分区面积 首先, 由于看台区和比赛场地之间不能有墙体遮挡视线, 所以看台部分和比赛场地必须在同一防火分区内。其次, 由于该建筑顶部采用钢桁架结构, 看台周边墙体延伸至钢桁架内并进行防火封堵的难度较大, 二、三层观众休息厅也通过顶部与比赛场地及看台空间连通, 使得比赛大厅、看台以及二、三层人员休息平台位于同一个防火分区,

17、该防火分区建筑面积约18000m2。虽然规范中说明体育馆观众厅防火分区的最大允许建筑面积可以适当放宽, 但并未明确说明允许放宽的幅度和条件, 这给设计带来了困难。 解决方案: 在超过规范面积要求的防火分区内选择不同位置设置起火点进行模拟, 看火灾能否大面积蔓延,以确定现有防火分区划分方式是否可行。设置火灾场景如表1所示。 表1 火灾场景设置 3.2 人员疏散 在人员疏散方面, 比赛大厅在进行比赛或演出时人数众多, 且根据设计体育馆在0. 0016. 9m各水平高度位置均可能有观众坐席,人员疏散流线复杂, 同时整个比赛大厅疏散出口分布在三个不同的水平高度, 而除0.00m疏散出口能直接疏散至室外

18、, 其他高度疏散出口均需要经过二层或三层休息平台才能到达室外。 所有比赛大厅内人员主要通过下面三条疏散路线疏散: 一是0. 00m出口: 临时看台比赛场地疏散通道室外; 二是6. 00m出口: 看台6. 00m观众休息厅室外; 三是10. 20m出口: 看台10. 20m观众休息厅6.00m观众门厅室外。 在确认体育馆比赛大厅人员疏散安全性时, 着重对上层人员的疏散安全进行考察, 计算模拟上层人员疏散时必须经过的位于10. 20m和6. 00m标高观众休息厅的安全性。 比赛大厅人员经过首层6个疏散出口疏散时, 原设计中比赛大厅周围6个疏散出口的总宽度约22. 4m左右, 疏散出口宽度对于可能通

19、过比赛场地疏散的人群来说已经足够。在几个出口连接的通道或门厅均安全的情况下, 比赛大厅的疏散效率是可以保障的。但是, 原设计中无论是门厅还是通道,均属于首层其他防火分区, 且均直接连通功能区, 一旦首层功能区发生火灾, 烟气会极大地影响通过6个出口疏散的比赛大厅内的人员安全。 解决方案: 对比赛场地四周出口及其连通通道设计进行调整。可以从首层防火分区内单独划分专用疏散通道, 通道与其他防火分区通过防火墙隔断, 在与其他防火分区连通位置设防火门, 使疏散通道与首层其他功能区分隔。 结果分析: 通过两个疏散场景的模拟计算可知, 即使考虑火灾影响建筑某部疏散楼梯不能使用的情况下, 体育场内观众全部疏

20、散至安全区的行动时间也仅为430s。因此, 对比赛场地四周原设计出口和连接通道的设计进行调整是合理的。 3. 3 消防水炮灭火系统 在观众席、观众厅、比赛场地上方及空间大于8. 0m的场所设置消防水炮灭火系统, 设计流量按40l/ s, 火灾延续时间为1h。消防水炮系统采用稳高压给水系统, 独立供水管网。自动消防炮与双波段探测器或光截面探测器联动, 进行空间自动定位并锁定火源点, 自动启动电动阀喷射灭火, 也可以采用远程手动灭火和现场手动灭火。消防水炮工作压力为0. 80mpa, 布置保证任何着火点同时有2门水炮的水射流到达。消防水炮可以具备雾柱转化功能, 起到高效灭火、控火和不伤害人员的作用

21、。 3. 4 排烟系统设计 比赛大厅( 比赛场地和看台)、二层及三层观众休息厅、训练馆、一层门厅均采用设置可开启天窗或者高侧窗的自然排烟系统, 利用顶棚及高侧窗的电动排风口做为排烟口, 排烟口面积均满足 建规对体育馆等高大空间建筑所要求的 不小于该场所平面面积的5%的要求。但是, 由于比赛大厅空间高大, 烟气能否顺利通过天窗排放到室外需要经过模拟确定。另外, 二、三层休息厅作为比赛场馆内绝大多数人员疏散时需经过的区域, 这两个区域本身发生火灾时, 采用自然排烟系统是否能够为人员提供足够长的疏散时间也需通过烟气模拟验证。 结果分析: 火灾发生在比赛大厅内时, 如果看台区发生火灾, 受火灾规模较小、比赛大厅空间较大等多方面影响, 烟气在整个模拟过程中均没有沉降到距离比赛大厅地面2m高度以下空间, 人员疏散不会受到火灾的影响;比赛大厅发生火灾时, 顶棚自然排烟口排出大量烟气, 且烟气大部分由位于起火点上方的排烟口排出。因此, 比赛大厅内设置的自然排烟系统能够在火灾中有效排出烟气, 维持建筑内长时间的安全环境。 3. 5 屋顶钢结构保护 按照规范要求, 建筑内钢结构应进行防火保护, 以达到与其功能相应的耐火极限。此工程中屋架钢结构按照规范已采用外喷涂防火涂料的措施进行了防火保护, 其耐火极限达到1. 5h。但考虑到建筑的重要性, 业主及设计方要求在火灾模拟时对钢结构进行判断, 确定是