中庭建筑防火设计研究

中庭建筑防火设计研究

1国内城市中庭建筑的发展作为一个共享空间，中庭可以将建筑内部的接触性渗透到最大范围内，形成整个内部空间的视觉效果，从而满足人们的购物、休闲、办公和观察的需要。因此，中庭的概念在世界各地的许多建筑设计师中被广泛使用，并被各种形式的建筑所使用。随着我国城市商业的发展,一些具有以中庭为特色的建筑在我国许多城市如雨后春笋般不断涌现,有些已经成为城市地标性的建筑。如上海的金茂大厦,中庭高达152m,直径达27m。而对于中庭这种特殊的建筑类型,目前我国尚无一套较完善、科学的法规来规范其防火设计研究,提出合理的设计方法,“规范”中存在着对中庭建筑定义不明确,且对形式多样的中庭要求过于单一的特点,在日常的建筑防火设计审核中不能满足实际工作的需要。因此,开展中庭建筑防火设计研究,完善现有的消防技术法规对建筑中庭的设计规范要求已成为当前消防工程领域的迫切需求。2定义2.1人性定义中庭是建筑内部带有玻璃顶盖的内院,是以一个大型建筑内部空间为核心,综合多种使用功能,引入自然构景要素,着意创造环境和休闲氛围的场所。2.2短边面积、短边面积和面积截面积目前在建筑界和业内人士比较认同的定义是:短边长度不小于6m(或半径不小于6m),横截面积不小于100m2,且其共享空间不低于三层的带有顶盖的室内庭院。3家庭火灾的风险3.1防火防烟分隔,以密闭保护中庭作为共享空间在丰富大型建筑内部空间的同时,也为消防安全带来了极大的挑战。如果单从安全系数考虑对中庭进行防火防烟分隔,将势必破坏中庭的空间感和视觉美感,就失去了中庭存在的意义。但中庭建筑的上下空间连为一体,空间一般比较大,一旦发生火灾,火势和烟气可不受限制地迅速扩大,将影响整幢建筑安全和内部人员人身安全。3.2无阻隔的通道中庭既是联系各功能区域之间的枢纽,又是社交的场所,人员众多,一旦发生火灾,疏散量大。特别是一些商业建筑,在商场购物的顾客或娱乐场的游人,一般只知道他们进来的路线。故对大部分人来说,主要的无阻挡的通道应是电梯或自动扶梯,对楼内步行楼梯位置并不熟悉。火灾时,大量人员同时疏散,势必出现拥挤、混乱,造成疏散通道堵塞,加上火场内烟气浓度大,有害气体成分多,极易造成群死群伤的悲惨局面。3.3方向扩散,损失严重中庭空间形似烟囱,当大楼发生火灾、室内火场温度升高时,往往形成“烟囱效应”,烟气顺着中庭快速向垂直和水平方向扩散,造成火势迅速上窜蔓延,甚至将导致大量人员伤亡,带来不可估量的损失。如:1967年比利时布鲁塞尔伊若巴施格百货商店二楼起火,共造成325人死亡。此次火灾由于建筑中庭部分未设防火分区,中庭设置的感烟探测器未动作,中庭的“烟囱效应”使烟气迅速扩散,火势迅速扩大,楼内人员无法安全、迅速疏散,大量人员窒息死亡。3.4中庭屋顶自动报警系统设计规范的要求普通的探测器只能探测到20m以下的火灾,而很多的中庭贯穿整个建筑,在30m以上,而且中庭的顶棚还是烟气聚积的主要场所,如果按照现行的《火灾自动报警系统设计规范》中规定探测器必须安装在顶棚的位置,那么当烟气到达中庭顶棚的时候,火灾已经发展了一段时间,有可能着火层以上的楼层已有烟气扩散,就不能起到及时报警的作用。3.5普通螺钉过滤器从中国初始测定中庭内装阀为10m现行《自动喷水灭火系统设计规范》第6.1.1条规定:采用闭式喷水灭火系统场所的最大净空高度为12m。根据该条规定,高于12m的中庭不能采用闭式系统,普通喷头已经不能满足保护要求。但不设喷水灭火系统则无法保护和控制中庭火灾的范围,使中庭完全裸露于火灾之中,增加了中庭的火灾危险性。3.6确定退火方向火灾时,建筑物的各主要出口有可能被紧急疏散的人员所占用,迫使消防员另外寻找进攻路线;当火灾蔓延成空间立体火灾,难以确定起火点,很难正确判断应当从何处切断火势,消防员要在数个楼层同时展开灭火战斗行动,牵涉的灭火力量大;而且,烟气迅速扩散并充满中庭,将严重影响人员疏散和灭火战斗行动。4家庭装饰设计4.1平面布局设计4.1.1防火分区的划分现行规范将整个中庭作为一个独立的防火分区在水平方向上与中庭相连的其他使用区域作了分隔。但就竖向分隔上,并没有采取可行的分隔措施,而中庭作为竖向共享空间,笔者认为仅仅以防火分区面积来进行划分不太合理。防火分区的划分应根据不同使用功能区域加以区别对待,应根据建筑空间高度的不同、建筑内火灾荷载的不同、建筑内消防系统设计的不同来划分,从而对建筑的防火分区设计提出不同的要求。象中庭这样的建筑形式,笔者认为应该充分考虑高度因素,从体积上来进行防火分区的划分。可采取类似于防火卷帘、防火分隔水幕进行分隔的形式在中庭内进行纵向区间的划分,将火灾、烟气控制在一定范围之内。当然,鉴于中庭结构的上下贯通性,对中庭的装修和建筑材料采用不燃材料,在中庭内控制可燃物的种类和数量,尽可能不放置可燃物,减少中庭的火灾荷载,从而降低中庭内发生火灾的可能性。4.1.2区域内喷雾防护的设计目前建筑上采用的防火分隔措施主要有:防火墙、防火卷帘、防火门、窗、防火玻璃和水幕。对于中庭建筑,由于其使用功能的复杂性和不确定性、人员密度和火灾荷载都较大等特点,合理进行防火分隔十分必要。但如果单纯按照规范的一些条文去执行,其实际工作是很难开展的。因此,在实际工程中,应根据建筑空间的特点灵活地使用不同的防火分隔措施。(1)在回廊中设置自动喷水灭火系统。为了防止因为烟气在竖向空间的流动速度过快,而影响系统保护的有效性,建议使用快速响应喷头以提高系统对于烟气蔓延的反应速度。(2)回廊走道设置隔墙。隔墙耐火极限应不低于高层建筑公共走道墙体的耐火极限值即1.0h,且应砌至楼板底部,同时走道上所开设的门窗的耐火极限宜不小于0.6h或在这些开口部位上方设置洒水喷头直接保护,如采用透明玻璃分隔,建议采用耐火时间不小于1h的防火玻璃,并在其两侧安装加密喷淋系统予以保护。(3)与中庭回廊相通的房间设置能够自行关闭的乙级防火门窗,而与中庭相通的过厅、通道则要设乙级防火门或耐火极限不低于3h的防火卷帘。与中庭回廊相通的乙级防火门窗应与火灾自动报警系统联网,因为这些门窗是中庭与房间的有效防火分隔,万一火灾时房间门窗没有关闭,那么中庭的烟火很可能通过敞开的门窗蔓延至其他区域,甚至是楼梯间,从而扩大火灾的破坏性和影响人员的安全疏散和生命安全。而通过与火灾自动报警系统联网,平时也可处于敞开状态,但在收到火灾报警信号后,门窗能自行关闭,但内部的人员可将门推开进行逃生。(4)对于人员较多,设置防火卷帘会影响人员疏散的回廊等处可采用水幕系统。对水幕系统的设计要求是一定要形成水幕带,其有效宽度不应小于6m,喷头布置不少于3排,喷头的供水强度为2～3L·(s·m2)-1。水幕系统的启动可采用自动或手动开启装置,确保火灾发生时水幕系统起到防火隔烟作用。4.2从最小烟量的确定无论是多层建筑的中庭,还是高层建筑的中庭,《建规》及《高规》均明确要求设置排烟设施,对排烟量均作了相同的要求,即:设置机械排烟设施的中庭,其排烟量以中庭为单位,按换气次数确定,中庭体积小于17000m3时,其排烟量按其体积的6次/h计算;中庭大于17000m3时,其排烟量按其体积的4次/h计算,但最小排烟量不小于102000m3/h。规范也说明,由于国内目前尚无实验数据及理论依据,因此也参照了国外相关资料。然而,根据国外研究表明,仅仅根据中庭体积来确定排烟量是不合理的,采用换气次数法计算排烟量的方法过于简单、粗糙,不能解决结构形式、造型以及功能上越来越复杂化和综合化的中庭建筑的烟气控制设计。防排烟的目的就是有效地将上层烟气排出或不让烟气进入,使之不会下降到对人、物构成危害的高度。因此,在实际设计中,适宜将两种排烟方式有机结合起来使用。一方面,应当坚持设计面积足够大的自然排烟口,另一方面,在那些不宜采用自然排烟的局部区域,或排烟口无法加大的局部区域,安装排烟风机。为了减少风机运行时对室内空气流动的搅动,宜采取多台风机合理分布安装,同时,在建筑物顶部设计的蓄烟池也有助于增强排烟效果,并可限制烟气的蔓延。在大面积和大空间建筑中,这种措施更为适用。4.3安全配置设计4.3.1中庭建筑人员安全疏散设计的规范要求与性能化设计方法疏散的基本原则是使建筑物中的人能尽快地离开火灾现场,到达安全区。“安全区”可以是室外空地,也可以是室内安全地段。一般地说,建筑发生火灾后,将楼内人员尽快疏散到楼外的安全区域是最保险的手段。由于现行规范对中庭建筑的人员安全疏散没有具体的要求,故在对中庭建筑的人员安全疏散设计时,采用规范要求与性能化设计方法相结合的方法进行设计。建筑物发生火灾后,其中的人员能否安全疏散取决于两个特征时间,一是火灾发展到对人构成危险所需的时间,或称可用安全疏散时间(ASET,AvailableSafetyEgressTime),一个是人员疏散到达安全区域所需要的时间,或称所需安全疏散时间(RSET,RequiredSafetyEgressTime),如果人员能在火灾达到危险状态之前全部疏散到安全区域,便可认为该建筑物的防火安全设计对于火灾中的人员是安全的。可用安全疏散时间ASET就是从起火到火灾构成危险状态的时间间隔,所需安全疏散时间RSET就是从起火到人员成功撤离这些危险区域所必需的时间,因而,保证人员安全疏散的基本条件是:ASET>RSET。4.3.2防火门、窗鉴于中庭的建筑类型与高层民用建筑里的观众厅、展览厅、商场营业厅等基本相似,因此可参照《高规》第6.1.7条,室内任何一点至最近的疏散出口的直线距离,不宜超过30m。因为根据中庭防火分区设置的要求:房间与中庭回廊相通的门、窗,应设自行关闭的乙级防火门、窗;与中庭相通的过厅、通道等,应设乙级防火门或耐火极限大于3h的防火卷帘分隔,我们可以这样理解:中庭内任何一点到最近的与中庭相通的过厅、通道、房间,即到了另一防火分区,过厅、通道和房间门即可认为是最近的疏散出口,对于回廊式中庭建筑来说,中庭的直径距离可长达60m,中庭的最大面积为S=3.14×900=2826m2,与中庭的防火分区面积3000m2相一致。4.4水枪灭火系统根据《自动喷水灭火系统设计规范》第6.1.1条规定,民用建筑设置闭式喷水灭火系统场所的最大净空高度为12m。因此,对高度小于12m的中庭,可以设置闭式自动喷水灭火系统。而对高度超过12m的中庭,根据国外的先进经验,可借鉴设置以下自动消防给水系统:(1)小型水枪灭火系统在日本、英国的一些展厅、体育馆等大空间建筑内开始采用与火灾探测器联动的小型水枪灭火系统——可自动探测和对焦的“走查型”喷水器,这种消防设施在中庭中的使用将是十分方便和有效的。这种水枪可方便地安装在中庭的侧墙上,能根据探测到的火灾位置定向喷水灭火,其最大的射程在15m左右,有助于控制烟气流动和冷却烟气。为了充分发挥水的灭火作用,在水中加入一定的可增强水灭火性能的添加剂也值得考虑。(2)自动消防炮灭火系统自动消防炮灭火系统,早期是一种常用于大型露天油库、码头等的灭火系统,近年被越来越多地用于展厅等大空间、中庭场所。自动消防炮灭火系统融入了自动控制技术,可以远程控制并自动搜索火源,对准着火点自动喷洒灭火,可与火灾自动报警系统联动,既可手动控制,也可实现计算机自动操作,适宜用于扑救中庭等大空间内的早期火灾。4.5火灾探测器的布置中庭建筑形式的多元化和功能的重叠组合,给自动消防报警系统提出了更高的要求。对大体积、大高度中庭的火灾自动探测的可靠度问题,传统的火灾自动报警系统很难解决,有必要对适合中庭建筑的火灾自动探测报警系统予以研究。对以烟气流动为主的中庭,应该选择感烟式探测器。目前国际上较通用的一种办法是在中庭内每隔10m左右的间距布置一对自动红外对射型火灾探测器,但由于来自日光和人工光源的影响,这种方式在有采光功能的中庭内不适合,且在截面尺寸较大的空间内,其可靠性也受到置疑,此类中庭最好选用点型(离子、光电)感烟式探测器,而在内置式中庭内,可在合适的情况下选用线型(激光、红外光束)感烟式探测器。当火势扩大,温度不断升高,感温式探测器才能发挥作用,因此此类探测器在中庭内主要布置在顶棚,当顶棚空间温度或温度上升速率达到一定值时,就发出报警信号,并同时启动喷淋保护。同时应考虑到日常运行中,建筑物内部用能设备和人群的散热及太阳辐射热都汇集到中庭的顶部,感温式探测器的温度设定值要综合考虑。由于CO是火灾烟气的主要产物,也是危害人员生命的主凶,当可见烟气被发现时,CO可能早就扩散到人员所在区域,在火灾案例中,常有当人们发现浓烟时,有人已经因吸入CO而无力逃生。因此,有必要在人员密集场所布置CO探测器。如果在中庭内放置有易燃可燃物品,为了预报早期火灾,可在中庭内布置火焰探测器,对夜间火灾探测非常有效。火灾探测器、火灾报警器宜选用同一厂家的配套产品。4.6中上部建筑钢结构设计要求中庭结构主要以钢结构为主,其承受的构件大都是采光玻璃,对其所需的耐火极限应根据中庭在建筑物中的位置、中庭内火灾荷载的大小以及钢结构对主体建筑的影响提出不同的要求。对于中上部就是主体高层建筑的,其钢结构的耐火极限应不小于1.5h(参照楼板的耐火极限要求),采光玻璃也应为1h以上的防火玻璃,对于展览馆、商场等火灾荷载较大的建筑中的中庭,其钢结构耐火极限应高些,而办公楼、宾馆等建筑的中庭,其钢结构耐火极限要求可