建筑的防火安全设计探讨

  来源:安全管理网 
评论:  更新日期:2018年11月11日

随着建筑业的发展,一种以建筑内部空间为核心综合多种功能的空间结构形式——中庭,在我国的高层建筑中使用的越来越为频繁和成熟。如上海的金茂大厦、港汇商厦、连卡佛等许多高层建筑,都设有贯穿若干层或全楼的中庭。中庭的出现,在创造了一个引人注目的共享环境的同时,也带来了特殊的火灾危险性。中庭的高度(通常在20米以上)会大大降低自动喷水灭火系统的有效性,而贯穿全楼或多层的封闭大空间与楼层间的不完全隔离,无法有效延缓火、烟由着火层向其他楼层的蔓延,随着火场温度的升高,如无完善的送风、排烟系统设计,中庭还可能产生明显的烟囱效应,造成火势迅速上窜蔓延,甚至将导致大量人员伤亡,带来不可估计的损失。以下我们了解中庭的一些情况及对中庭建筑的防火安全设计进行探讨。 
  一、概况 
  1.1 中庭的概念 
  短边长度不小于6m(或半径不小于6m),横截面积不小于100m2,且其共享层数不少于三层的带有顶盖的室内庭院。设有中庭的建筑称之为中庭建筑。 
  1.2 防火设计中中庭的分类 
  根据防火分隔设计所配备的消防设施,中庭一般可分为以下三类: 
  1.2.1 天井式中庭 
  它是指用耐热的防火玻璃从建筑中分隔出来的高大空间,除了用于交通目的之外无其它使用功能。这类中庭由于采用了防火玻璃分隔,一般不会出现太大的问题,火灾时利用机械排烟可达到控制火灾蔓延的目的。 
  1.2.2 开敞式中庭 
  它是指除部分房间装有玻璃分隔之外,多数层间与中庭完全相通。这类中庭在火灾时的主要威胁来自与中庭直接相通的疏散通道及回廊,因此,需设计烟气控制系统防止烟气进入疏散通道。 
  1.2.3 封闭式中庭 
  它是指用普通玻璃分隔出来的空间,具备使用功能,通常可作为娱乐场所或餐厅。封闭式中庭在火灾中即使整个空间充满烟气,危险性也不太大,考虑周围的回廊,房间全渗进烟气,通常要设置机械排烟装置防止烟气扩散。 
  二、中庭的火灾危险性 
  “中庭”能使建筑的内部空间达到最大范围连接性,并形成整体的内部空间视觉效果以及大面积自然采光,其庄重美观、内部采光性能好、环境舒适,但同时也带来了一系列新的问题。例如: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,其中260人死于四楼食堂,损失约70亿丹。此次火灾是由于建筑中中庭部分未设防火分区,中庭设置的感烟探测器未动作,由于中庭的烟囱效应,使烟气迅速扩散,火势扩大,起火45分钟后,玻璃屋顶很快遭到破坏,一部分钢结构被烧而倒塌,楼内人员无法安全、迅速的疏散,从而造成了此次悲惨事件。 
  中庭建筑的火灾危险性: 
  2.1 易燃、可燃物多 
  中庭大部分都设置于宾馆和商贸楼等公共场所,满足诸多功能的需求,建筑标准高,内部装修豪华,在装潢过程中,为追求效果,大量使用木质,化纤及高分子合成等易燃、可燃材料,发生火灾时极易形成气体火灾且难以控制。 
  2.2 易性形成“烟囱效应”,烟火蔓延快 
  烟囱效应是指由建筑内、外部空气的温度及密度差而引起的在建筑内部垂直的方向上的自然空气流动现象。中庭空间形似烟囱,当大楼发生火灾,室内火场温度升时,往往形成“烟囱效应”,风助火势,火借风威,烟气顺着中庭快速向垂直和水平方向扩散,造成竖向、横向延烧。 
  2.3 疏散困难大 
  具有中庭的建筑一般都有相当的高度,电梯、自动扶梯是主要的垂直交通工具。火灾时因断电致使电梯和自动扶梯不能使用,人员只能依赖楼梯进行紧急疏散。然而,这类建筑一般供人员使用的步行楼梯设计时位置安排的比较隐蔽,每天进出的大量非固定人员对楼内结构不熟悉。火灾时,大量人员同时疏散,极易出现拥挤、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。 
  2.4  灾扑救困难大 
  2.4.1 消防队同时要在数楼层进行灭火,需要调集大量兵力;
  2.4.2 消防队员不得不沿着疏散人员逃生的相反方向进入,这就会在出入的通道上相撞; 
  2.4.3 火灾迅速扩大,应当阻止火势扩大的开口很多,很难确定从何处着手; 
  2.4.4 烟雾迅速扩散并充满空间,严重影响消防活动; 
  2.4.5 火灾时,屋顶和壁面玻璃爆裂散落,对消防队员构成威胁。
  三、中庭建筑的防火安全设计 
  由于中庭建筑存在上述的火灾危险性,尤其以烟气的火灾危险性最大,火灾统计资料说明,火灾死亡的人数中,由于烟熏死亡的占一半以上,在被火烧死的人当中多数也是因为先中毒、窒息晕倒后被火烧死的。日本“千日”百货大楼火灾,死亡的人118人当中就有93人是被烟熏死的。因此,有必要在中庭设计一种合理的烟气控制系统以阻止着火空间的热气流和有毒烟气通过中庭向公共空间扩散是极其重要的。下面本人就以防排烟设计为重点谈谈中庭建筑的防火安全设计。 
  3.1 防排烟设计 
  中庭的防排烟设计是一个比较复杂的问题,检验防排烟系统能否及时、有效的防排烟,必须满足以下的目的: 
  (1)在人员撤离所需时间内,利用排烟设施保持大容量空间建筑出口的有序环境; 
  (2)控制并减少烟在着火区向附近空间扩散; 
  (3)在着火区外提供有利条件,使之有助于消防人员进行搜索和救援行动,及探明和控制火势; 
  (4)保护生命和财产的损失; 
  (5)火灾发生后使烟散去。 

 

  基于上述目的,对于那些通过中庭连接的楼层,最重要的一点是确保人们从各层之间向有保护的疏散通道(前室 、楼梯间)疏散时烟和热控制在人们所能忍受的范围内,中庭建筑火灾时烟的生成和流出分为几个阶段,着火房间发生的火灾,经开口向中庭等相邻空间流动,或在中庭底层发生火灾,烟气向上部流动;烟气在流动过程中卷吸周围空气在火焰上方升起,形成烟柱。根据烟气的流动特征,我们可以对中庭的控制采取以下几种方法; 
  (1)利用中庭顶部的排烟设施,将烟层保持在与中庭相通的最高居住面上部,称之为对流贯穿式排烟法; 
  (2)利用挡烟垂壁等辅助设施形成贮烟仓,将起火层产生的烟气就地排除,阻止烟气进入中庭,称之为起火间排烟法; 
(3)将烟气引入中庭四周的回廊(或阳台),回廊与中庭之间设置挡烟垂壁,将回廊作为贮烟仓,利用回廊内的排烟系统,将烟气排除,称之为回廊排烟法; 
  (4)对于高度较高,或层数较多的中庭,下面几层中采用对流贯穿式排烟,使烟层的高度符合这几层的疏散要求,上面几层中庭采用挡烟垂壁,使烟气不侵入上面几层的中庭,称之为混合排烟法。 
  (5)对于高度较低或层数较少的中庭,可以借助室内外气体温度差引起的热压作用和室外风力造成的风压作用而形成的室内烟气和室外空气的对流运动进行排烟,称之为自然排烟法; 
上述中庭的排烟方法其适用条件有所不同,我们根据其中庭形式的不同区别对待。 
  3.1.1 对流贯穿式排烟法 
  对流贯穿式排烟法由于其对中庭建筑的辅助要求最少,因此是比较理想的方法。但对其使用却有条件上的限制,根据国外资料表明,第一、当烟气质量流量达到150—200Kg/s时,烟气控制系统将不再具有实用价值;第二、如果烟气卷吸冷空气使热量损失较大,烟层会出现比预想的高度低很多的情况,实验数据显示当烟气比周围环境温度仅15—20℃时,利用自然和机械排烟系统排烟都将是无效的,因此理想的烟层应保持较高温。 
  3.1.2 起火间排烟法  
  由于对流贯穿式排烟对于三层以上的中庭已经受到限制,因此一些层数多,沿中庭四周布置的大型商业厅可以采用起火间排烟法,将烟气控制在起火间内,防止向其它区域扩散,可采用设于火灾区域内的专用排烟设备,也可以与通风和空调系统兼用。向中庭敞开部分应设置固定挡烟垂壁或由火灾自动报警系统联动的活动式挡烟垂壁,挡烟垂壁的设置应使烟层的底部不低于垂壁的底部,防烟分区可选择在2000㎡左右,烟气的形式按轴对称烟缕确定。 
  3.1.3 回廊排烟法 
  对于中庭建筑中常见购物中心,这类中庭四周布置许多单元商店,每个店的面积较小,如果每个商店均要设置排烟设备是非常困难的,而且绝对是不经济的,因为排烟系统要运用于每一个店,甚至是小店铺,才能保护整个建筑,况且排烟系统的控制又很复杂。如果火灾在着火间形成,烟气将经过房间开口流入回廊,再向中庭扩散。为了防止烟气涌入中庭,应该在回廊将烟气排除,因此回廊边缘设置挡烟垂壁,利用回廊作为“贮烟仓”,回廊内的排烟设备将烟气排除。 
  3.1.4 混合排烟法 
  对于结构较为复杂,用途广泛的中庭建筑,可以采用混合排烟法。如常见的一些中庭建筑下面几层为公共场所,上面几层为办公场所,对于此类型的建筑,火灾时为确保下面公共层人员疏散的安全,可采用混合排烟法,即下部采用对流贯穿式排烟法,使烟层底部的高度维持在人员的居住面之上,而其它的楼层则与中庭封闭起来,封闭的方式可以采用设置卷帘等防火分隔方法。 
  3.1.5 自然排烟法 
  它利用高温烟气积聚在开敞的最高部位这一特点,在中庭的顶部设置面积大于中庭地面面积5%的天窗或高侧窗,统一将烟气排至室外。但这种排烟方法对中庭的高度有一定的限制,一般在2-5层之间。当中庭高度过高时,由于火灾初期烟气温度较低,烟气在上升过程中遇冷(如受空调影响等)而使其密度加大。当热烟气流到与其密度相等的空气高度时便转由水平方向扩展并随着温度的降低还会下降,使得烟气无法从顶部高窗排到室外。因此,对于使用性质极为重要的建筑在投资条件许可的情况下,虽然具有开启外窗的自然排烟条件,仍应采用可靠的机械防烟装置。 
  3.1.6 排烟系统的补风  
  要有效地进行中庭的排烟,必须考虑补风,以替换被排放出去的烟气,补风量应不小于排烟量的70%,补充的空气可以采用自然的补风系统,如果可利用的进风口面积有限,可以考虑设置机械的补风系统。补风系统通过安全门入口的风速必需小于5m/S,以避免对这些出口疏散的人群造成伤害,补风口设于下部,补充的空气必须低于烟层,排烟时应采用相邻防烟分区补风,但补风口应远离排烟口,补风系统应与排烟系统联动起来。 
  3.2 防火分隔措施   
  在中庭建筑中开敞式中庭的火灾危险性最大,根据国内有关中庭防火设计规定并结合本人在学习中的体会,当中庭上下层连通的面积超过一个防火分区时,应采取以下的设计。 
  3.2.1 中庭回廊的防火设计 
中庭的每层回廊要设火灾自动报警系统和自动喷水灭火系统。对于中庭较高的回廊还应设防火卷帘。 
  3.2.2  房间,过厅等处的防火分隔 
  对于房间与中庭回廊相通的门窗应是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大于3小时的防火卷帘 。在一些要求不占空间、不影响建筑装潢的防火分隔设计中可以使用防火卷帘。卷帘平时收藏在吊顶上,发生火灾时可以自动或手动降下隔断火焰,若采用防火防烟卷帘还可以起到防火隔烟的双重功能。 
  3.2.3 水幕系统的设计与应用 
  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·㎡。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。 
  3.3 安装双自动系统 
  在中庭顶盖及各层走道、房间等部位遍设感烟探测器和自动喷水灭火系统。感烟探测器应与排烟天窗及自动喷水系统联动,并且由大楼的消防中心自动或手动控制。当火灾发生在中庭范围内而烟感器报警后,自动喷水系统就可立即启动。 
  3.4 中庭钢结构构件的保护 
  除了要对建筑整体作统一的防火设计外,还应充分考虑各种类型中庭结构本身的消防安全。中庭钢结构构件主要承受的是采光玻璃,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了不同的要求。对于中庭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。5小时(参照楼板的耐火极限要求),采光玻璃也应为1小时以上的防火玻璃,对于展览馆、商场等火灾荷载较大的建筑物的中庭,其钢结构耐火极限应更高些,而办公楼、宾馆等建筑的中庭,其钢结构耐火极限的要求可适当降低,封闭式中庭,其钢结构可不予保护。目前常用保护措施有三种:(1)冷却法。设置喷淋系统,火灾情况下对结构实施冷却保护。但对于设置了喷淋系统保护的中庭在考虑其应具有充分排烟量的同时,还应于中庭顶棚部分设计有效的“贮烟仓”。否则,火灾情况下喷淋设备会因其周围空间温度达不到动作温度而无法自动打开;(2)喷涂法。将防火涂料直接喷涂在构件表面,形成保护层,使钢结构构件的耐火极限达到或大于1小时;(3)包封法。外包不燃烧材料,使构件达到规定的耐火极限。三种方法相比之下,后两种措施更为安全有效和方便易行。  四、总结
  采取了以上多方面的措施,可以做到,当发生火灾时,感烟探测器首先报警喷水设备使立即启动,机械送风、排烟系统亦随之启动排除火灾产生的烟气。整个系统也可以由手动来启动。再加上自动喷水灭火系统的设置,有效的防火分隔措施和中庭自身的钢结构保护,中庭建筑的防火安全问题便基本上得以解决。 

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