基于deac的建筑防火性能化模拟研究

基于deac的建筑防火性能化模拟研究

1大推动中国博物馆建筑高度分析保定市关汉卿大剧院和博物馆是一座集会议、展览、休闲、娱乐于一体的综合文化建筑。建筑群主要功能包括关汉卿大剧院、电影城、博物馆和名人苑等部分,总建筑面积为66745m2,其中地上建筑面积49320m2,地下建筑面积17425m2。大剧院包括一个1403座的观众厅和一个334座的多功能厅;影城包括9个放映厅,总座位数为1449座;博物馆为大型博物馆,建筑规模为21227m2。大剧院部分地上主体4层,局部8层,博物馆部分地上3层,大剧院檐口高度为21.35m,博物馆檐口高度为23.68m。整组建筑被一个连续的金属屋顶连接为一个整体的螺旋曲面屋面,屋顶檐口从博物馆入口处始,至大剧院入口处止,呈逐渐升起的姿态,屋顶檐口的高度为13.25～23.68m。以舞台塔为中心,屋顶的另一条轨迹边线呈螺旋上升形态,高度从32.15～40.15m。建筑中心为螺旋形结构钢架,最高点高度为60.25m。沿中心舞台塔内环覆盖玻璃屋顶,该处下方为半室外空间。目前,我国剧院建筑没有专项防火设计规范,主要依据GB50016-2006《建筑设计防火规范》和GB50045-95(2005年版)《高层民用建筑设计防火规范》进行设计。从人员疏散的角度分析,保定市关汉卿大剧院人员主要活动的室内部分的最高高度(4层)距离首层地面16.5m,五层人员活动的半室外屋顶平台距离首层地面22.5m,博物馆人员可到达的高度(3层)距离首层地面13m。虽然大剧院局部6～8层的上人高度超过24m,其中最高的8层达到35.8m,但这些楼层的房间为设备用房和控制室,平时无人,检修和演出时房间内的工作人员数量也很少,且工作人员熟悉疏散路径,能够很快找到疏散出口。此外,虽然大剧院舞台的高度达到40m,博物馆大厅的高度达到28m,但主要为空间效果及造型等方面的需要,并没有给人员疏散带来困难。人员的疏散条件与普通高层建筑有较大差别,而与普通多层建筑相似。因此,该建筑按现行国家标准GB50016-2006进行防火设计。2需要性能设计解决的问题2.1大推动私家车防火分区根据GB50016-2006规定,一、二级耐火等级民用建筑当设有自动灭火系统时,地上建筑最大允许防火分区建筑面积为5000m2。大剧院贯通首层至4层的观众休息厅为一个防火分区,因为使用功能及建筑构造的特殊性,无法使用防火墙和防火卷帘在各层进行防火分隔,总建筑面积为6177m2;博物馆2层及3层的开放展厅因为受屋顶结构影响,无法设置防火卷帘,与首层的名人苑大厅连通,为一个防火分区,总建筑面积为5409m2。以上防火分区的建筑面积均大于5000m2,不能满足GB50016-2006第5.1.7条的规定。2.2安全决策消耗2.2.1接收点设置在把楼梯间GB50016-2006第5.3.13条第3款规定:楼梯间的首层应设置直通室外的安全出口或在首层采用扩大封闭楼梯间。当层数不超过4层时,可将直通室外的安全出口设置在离楼梯间小于等于15m处。大剧院有4部疏散楼梯(如图1所示)、博物馆有1部疏散楼梯(如图2所示)不能直通室外,需要通过门厅或休息厅到达室外,疏散楼梯的出口至通向室外的出口的疏散距离超过15m。2.2.2大剧院礼堂大剧院观众厅的池座和楼座内的部分观众需要通过相邻防火分区的休息厅再到达室外或疏散楼梯内。图3～图5显示了观众厅各层通往休息厅的出口。2.2.3防火系统的安全疏散需要设置在楼间GB50016-2006第5.3.2条规定:公共建筑内的每个防火分区、一个防火分区内的每个楼层,其安全出口的数量应经计算确定,且不应少于2个。根据GB50016-2006第5.3.13条的规定,一、二级耐火等级的其他民用建筑中直接通向疏散走道的房间疏散门至最近安全出口的最大距离不应超过40m,若该房间疏散门位于袋形走道内,则至最近安全出口的最大距离不应超过22m。建筑物内全部设置自动喷水灭火系统时,其安全疏散距离可增加25%。GB50016-2006第7.4.4条规定:建筑物中的疏散楼梯间在各层的平面位置不应改变。大剧院的6～8层为设备房和控制室,受建筑构造的影响,只布置了一部疏散楼梯,且该疏散楼梯在5层进行了转换。由于只有一部疏散楼梯,6层和7层的最大疏散距离超出了规范的要求。3性能化防火设计目标的初步调整方案针对需要进行性能化防火设计的问题,根据保定市关汉卿大剧院和博物馆性能化防火设计目标、功能目标和性能目标,依据国家有关建筑防火规范及其防火原则,同时考虑项目的功能需求,提出了以下初步调整方案。3.1防火分区3.1.1燃烧性能评估(1)休息厅仅作为通道及人员临时休息场所使用,内部不应摆放沙发、软椅等高分子易燃材料制成的座椅,应尽量选用不燃材料制成的轻质桌椅。(2)休息厅内装修材料的燃烧性能等级不应低于B1级,且应尽量采用不燃材料装修。(3)3层休息平台的吧台只能使用电加热,不应使用燃气加热。(4)休息厅内净高超过12m的中庭部位应设置消防水炮或大空间智能型主动喷水灭火装置进行保护。(5)休息厅内净高超过12m的中庭部位应设置红外光束感烟火灾探测系统、光截面图像感烟火灾探测系统等适宜大空间使用的感烟火灾探测系统。(6)休息厅内的中庭开口部位设置高度不小于500mm的挡烟垂壁,各层回廊和中庭顶部分设排烟系统。3.1.2增加前室墙设置条件的范围和高度(1)防火分区内装修材料的燃烧性能等级不应低于B1级,且应尽量采用不燃材料装修。(2)首层名人苑中固定展览物的制作材料的燃烧性能等级不应低于B1级。(3)2层的专题展厅使用防火墙及甲级防火门与相邻区域分隔,同时增设通往办公区的甲级防火门和阶梯,并在办公区增设乙级防火门,形成通过楼梯间的前室,使专题展厅内的人员可通过办公区的疏散楼梯进行疏散。(4)3层咖啡厅只能使用电加热,不应使用燃气。(5)净高超过12m的中庭部位应设置消防水炮或大空间智能型主动喷水灭火装置保护。(6)净高超过12m的中庭部位应设置红外光束感烟火灾探测系统、光截面图像感烟火灾探测系统等适宜于大空间使用的感烟火灾探测系统。(7)2层及3层的展厅吊顶下方设置高度不小于1m的挡烟垂壁以延缓展厅发生火灾后产生的烟气对其他区域人员的影响。若吊顶镂空率大于50%,挡烟垂壁可设置在吊顶内。3.2安全决策消耗3.2.1疏散楼梯的安全设计(1)大剧院观众厅西侧的两个疏散楼梯的出口走道处原设计的防火卷帘改为防火墙和甲级防火门,办公室使用耐火极限不低于2h的不燃烧实墙和乙级防火门与走道进行分隔,观众厅通往走道的门应为甲级防火门。该直通室外的疏散走道应采用不可燃材料装修。(2)大剧院观众厅东侧的疏散楼梯首层出口处使用防火卷帘和甲级防火门形成直通室外的疏散走道,防火卷帘处再设置固定的高度不小于500mm的挡烟垂壁,纪念品商店使用耐火极限不低于2h的不燃烧实墙或C类防火玻璃与走道进行分隔,开口处设置乙级防火门或火灾时能自行关闭的防火玻璃门(可通过电磁门吸控制防火玻璃门的开启)。该直通室外的疏散走道应采用不可燃材料装修。(3)大剧院观众厅南侧的疏散楼梯的出口通往休息厅。通过上文对休息厅的性能化防火设计调整方案增强休息厅的安全性,保证疏散楼梯内的人员通过休息厅再到达室外的安全性。该疏散楼梯内人员疏散的安全性将通过模拟计算确认。(4)博物馆名人苑中部的疏散楼梯的出口通往礼仪大厅。通过上文对名人苑的性能化防火设计调整方案增强名人苑的安全性,保证疏散楼梯内的人员通过礼仪大厅再到达室外的安全性。该疏散楼梯内人员疏散的安全性通过模拟计算确认。3.2.2休息厅内外引气排放气大剧院观众厅内的部分疏散门通向相邻防火分区(休息厅),人员需通过休息厅内直通室外的出口或疏散楼梯间疏散。通过上文对休息厅的性能化防火设计调整方案增强休息厅的安全性,保证观众厅内的人员通过休息厅疏散的安全性。观众厅内人员疏散的安全性通过模拟计算确认。3.2.3疏散楼梯间及走道的设置大剧院的6～8层仅布置设备房和控制室,这些房间平时无人,检修及演出时人数也很少,且工作人员对疏散路径熟悉,在火灾发生时可以很快找到疏散出口疏散。因此,大剧院6～8层可只设置一部疏散楼梯。为进一步提高人员疏散的安全性,提出如下优化设计方案:(1)大剧院6～8层内所有的房间均采用防火墙和甲级防火门与相邻区域分隔,内部需设置火灾自动报警系统、自动灭火系统和排烟系统。(2)6～8层的疏散楼梯间应按防烟楼梯间设置,楼梯入口前需设置防烟前室。(3)在5层的楼梯转换处,6～8层疏散楼梯间的出口应直接通向5层疏散楼梯间的前室。(4)如图6所示,6层走道内进行正压送风,送风量按走道内最大两个入口门洞风速不小于0.7m/s计算确定(楼梯间入口的门洞不计算在内),走道内使用不可燃材料装修。走道一端的甲级防火门改为双扇门,两扇门的开启方向不同,以相互借用疏散。(5)7层机房不应直接向楼梯间前室开门,建议增设一条疏散走道通往疏散楼梯间,通往疏散楼梯间的2个门之间的距离不小于5m。为减小机房着火后对人员疏散的影响,机房的疏散门与楼梯间入口门之间的距离不应小于5m。4火灾场景与后果设定火灾场景是建筑物性能化防火设计和消防安全性能评估分析中,针对设定的消防安全设计目标,综合考虑火灾的可能性与潜在的后果,从可能的火灾场景中选择出供分析的火灾场景。通常,应根据最不利原则选择火灾风险较大的火灾场景作为设定火灾场景。根据保定市关汉卿大剧院和博物馆不同区域的用途及其可燃物数量与分布情况,结合建筑的结构特点、防火分隔以及主动消防设施的设置状况,共设置了3个火源位置,分析确定了8个具有代表性的设定火灾场景,见表1。火灾增长系数0.04689kW/s2。5火灾扩散和煤气流的分析运用火灾动力学模拟软件FDS对建筑内的火灾及烟气蔓延情况进行模拟计算,得到各火灾场景下的火灾蔓延及烟气流动状态。5.1基于建筑实际应用,根据建筑的使用功能和空间特性,可根据烟气的运动规律计算火灾场景,可把烟气层温度变化分对于火灾蔓延控制目标,主要利用火灾发展分析工具,根据建筑的使用功能和空间特性等设定相应的火灾场景,模拟烟气的运动规律,计算烟气层的温度,并以此判断能否将火灾控制在设定的防火区域内。5.2烟气层温度根据相关试验,可燃物品被引燃所需的最小热流为10kW/m2。火灾的辐射热为10kW/m2时,约相当于烟气层的温度达到360～400℃时的状态。因此,将360℃作为火灾在防火区域间蔓延的极限温度,即烟气层温度大于该值时,火灾将通过热辐射在防火区域间蔓延;当烟气层温度小于该值时,可认为火灾不会通过热辐射的方式在防火区域间蔓延。5.3大院和博物馆建筑内烟气运动情况fds分析FDS是通过数值方法求解湍流方程分析燃烧过程中的烟气扩散和热传导,包含燃烧模型、热辐射模型和热解模型等。通过分析预测烟气的流动状态并获得有关火灾的热动力学参数,验证建筑内的消防设施能否阻止火灾烟气达到影响人员疏散安全的极限值。针对设定火灾场景,运用模拟软件FDS对建筑内烟气运动情况进行模拟分析,得到如下结论:(1)大剧院和博物馆的公共大厅体量大,高度高,蓄烟空间大,在自动灭火系统和排烟系统均有效的情况下,火灾产生的烟气和热量能够被较快地排出,能见度下降缓慢,除火源附近外,空间温度没有明显变化。(2)对于大剧院和博物馆的公共大厅,火灾发生在首层时,产生的烟气容易对上层人员的疏散造成影响,而火灾发生在其他层时,烟气不容易对下层人员造成影响。(3)在6层设备层的疏散走道内设置正压送风系统可以延缓烟气进入疏散走道内的过程,给人员创造更多的疏散时间。(4)对于博物馆,室外风速会影响自然排烟口的排烟效果,减少人员的可用疏散时间,因此高侧窗在建筑两侧应尽量均匀布置,且应注意开启方式,尽量采用下悬窗,以减小室外风的影响。(5)各安全出口附近清晰高度处各项参数的极限值如表2所示。6员工安全配置工程的模拟分析6.1人员疏散时间对于人员安全疏散的设计目标,主要应满足人员在火灾环境下安全疏散到建筑的室内外安全区域的性能要求。因此,需要对人员可用疏散时间和人员必需疏散时间进行比较,其中人员可用疏散时间(TASET)为从火灾发生到火灾发展至威胁人员安全疏散时的时间间隔;人员必需疏散时间(TRSET)为人员从火灾发生到疏散至安全区域所需要的实际时间。为实现安全疏散的功能目标,疏散设计应满足综合判定标准:TASET>TRSET。6.2疏散安全性分析该项目各区域通过计算机人员疏散模拟软件进行计算得到的TRSET,与各火灾场景下的TASET进行比较,判断各区域内人员疏散的安全性。其结果如表3、表4所示。7火灾危险性下的安全疏散通过对人员的疏散模拟分析,并与火灾烟气模拟计算结果进行比较,可以得出以下结论:(1)在自动喷水灭火系统和机械排烟系统均有效的情况下,对于各个设定火灾场景和疏散场景,大剧院和博物馆内的人员均能够在危险来临之前通过