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摘要：随着我国国民经济的不断发展，各种高大空间建筑不断涌现，如大剧院、音乐厅、会展中心、候机楼、体育馆、大卖场、图书馆、科技馆等建筑像雨后春笋般层出不穷，迅速兴起。这些建筑是一种具有高大、内敞空间的特殊的公共建筑，多为人员密集、可燃物多、火灾危险性大且扑救困难的场所，这些场所一旦发生火灾，大量物体燃烧时将产生温度很高的有毒和可燃气体，它们四处流窜，引发瞬间爆燃，给疏散与扑救造成困难，以致人员中毒、窒息、伤亡，并且造成很大的经济损失。为了防止和减少火灾的危害，保护国家财产和人身安全，要求在高大空间公共建筑的防火设计中加强性能化防火设计具有十分重要的现实经济意义。我国目前主要根据“指令性”的防火设计规范来指导建筑设计中的消防安全措施设计，随着我国经济建设和城市化的迅速发展，我们身边出现了越来越多的大型复杂的现代化建筑物。本文以某大型商贸城为工程实例，运用性能化防火设计方法，研究探讨突破传统的防火策略，并验证了设计方案的可行性。
关键词：大空间；公共建筑；性能化防火；设计技术；应用研究
1、前言
社会发展的需求，我国涌现了一大批大型公共建筑特别是超大空间建筑，这些建筑与以往建筑相比更追求视觉上的通透性，这类大空间建筑的防火设计也成为建筑设计的一大难题。性能化防火设计，是运用消防安全工程学的原理及方法，在考虑到火灾发生、发展和蔓延的基本规律的基础上，结合实际火灾中所积累的经验，并通过对建筑物形状、结构、用途及其内部可燃物等方面进行综合分析和计算，从而确定性能指标和设计指标，然后再预设各种可能起火的条件和由此所造成的火灾烟蔓延途径以及人员疏散情况，来决定最佳消防安全工程措施，并加以评估，从而核准预定的消防安全目标是否已经达到；最后再视具体情况对设计方案做出调整及优化。与“处方时”设计相比较，性能化设计方案更关注是否能够实现“保证人员疏散和灭火救援不受火灾烟气影响”这一目标，而不是局限于满足规范要求最低排烟量。
2、大空间建筑火灾防治特征
由于建筑结构的特殊性和使用功能的具体需要，大空间建筑的火灾发生与普通建筑有着明显的差别，主要表现在以下几个方面。
2.1火灾控制难度大
大型建筑防火往往为了控制烟气蔓延，在建筑物内设置防烟分区，但是大空间建筑内无法有效的采取分隔措施是一大难题。例如在馆厅式建筑内，解决迅速排烟问题是尤其重要的，应研究有效的自然排烟和机械排烟的方法。中庭往往是大型高层建筑的组成部分，它将多个楼层相连。而中庭的底部通常是火灾最可能发生的位置，因此烟气控制不仅要解决顶部排烟，还需解决防止烟气由起火楼层流入中庭及由中庭反流到其他楼层的问题。
2.2探测预警机制的局限
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，且大都安装在顶棚。大空间建筑中，一般层高比较高，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，能够达到启动探测器的时候，火灾已经形成了很大的规模，或者已经造成了很大的损失，延误了早期灭火的有利时机。
2.3人员的安全疏散相当困难
大空间建筑相应的就意味着是繁华的公共场所，人员高度密集式必然的，而且这些人员一般都没规律，呈现自由活动的游离状态。一旦发生火灾，在较短的时间内将人们迅速安全疏散是一件极为困难的事情。无论在现场指挥、逃离通道设置方面，都已呈现混乱局面，加上人们心理素质的高低不同，慌乱中的人们很难以听从指挥，给疏散进一步造成困难。
3、工程实例
3.1项目概述
大型商场是一类有代表性的大空间公共建筑，本文选取北京市某新建大型商贸城为设计实例，讨论研究性能化防火设计技术的应用（见图1）。该商贸城包括A#、B#区两部分，占地面积36000m²，总建筑面积71800m²。A#、B#区各由10栋地上三层的单体建筑组成，各栋建筑屋面高度均小于16.8m。各栋单体建筑之间设有6.5m～13.8m的室外通道，防火间距和消防车道符合《建筑设计防火规范》（GB50016—2014）（以下简称《建规》）要求。
图1 商贸城平面布置示意图
3.2防火设计难点
为增强商贸城的整体性，提高商场氛围和顾客购物的舒适性，设计者在各栋单体建筑之间的室外通道上方加盖玻璃顶棚，使A#、B#区的各栋单体构成一整体室内大空间建筑。当设置顶棚后，通道所在空间性质由室外安全空间变为室内通道，导致原防火设计方案存在以下问题：
（1）A#、B#区各栋建筑之间通道在未设置顶棚时可视作室外安全区域，但增设顶棚后，这些疏散楼梯不能作为室外疏散楼梯，按《建规》第5.3.5条规定要求则应采用室内封闭楼梯间。
（2）该项目中建筑之间通道上方未设置顶棚时，人员疏散至通道内即可远离起火建筑；而设置顶棚后，这些疏散楼梯在首层的出口均位于通道内，与室外安全出口之间距离大于规范要求的15m，不满足《建规》第5.3.13条第3款的要求。
（3）《建规》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。原设计方案中，项目A#、B#区内每栋建筑为一个防火分区，20栋建筑总共设置20部疏散楼梯，不满足规范要求。
3.3性能化防火设计及分析
3.3.1设计目标
该商贸城设置玻璃顶棚后，会造成烟气无法顺利排出室外，逐渐在建筑之间的空间积聚并沉降，从而不能保证通道作为安全疏散的空间，给进入通道的人员带来生命威胁。
因此，工程项目设计目标是发生假定的火灾情形时，在提高通道自身安全性的前提下，拟采用在顶棚设置大面积自然排烟窗的方式，烟气通过排烟窗顺利排出，且不对建筑回廊内人员疏散安全构成危害。
3.3.2火灾及烟气控制策略
在火灾控制策略上，保证建筑内某个商铺发生火灾时，不在水平和垂直方向向其他商铺蔓延，导致火灾规模无限制扩大，详细设计要点如下：
（1）为防止火灾在水平方向向其他未着火店铺蔓延，要求各店铺之间的墙体应采用耐火极限不低于3h的防火隔墙，且不应开设门窗洞口。
（2）各栋建筑相邻店铺之间展示面一侧应设置宽度不低于1m的实体墙以有利于防止店铺火灾不会由展示面一侧开口之间蔓延。
（3）利用现有二、三层连廊作为防火挑檐，防止火灾在垂直方向蔓延。参考《建规》第5.3.6条对步行街的设计要求，为达到作为防火挑檐的目的，连廊宽度不应低于1.5m，该项目现设计中二、三层外廊宽度均在3.0m以上，可满足该规定的要求。
（4）为控制火灾规模，该项目中与各栋建筑之间通道直接连通的单个商铺单元的面积均小于300m²。在烟气控制策略上，加强通道自然排烟系统设计，即使烟气进入通道也能有排烟系统顺利排出室外，而不在通道空间内聚集沉降，使该空间可作为“准室外空间”使用，保证其具有较高的消防安全水平。具体排烟方案如下：
（1）排烟窗上部设置无任何阻挡物的开敞式排烟窗，排烟窗开窗形式为高侧窗，下部设置常开式百叶窗。
（2）每条通道上方玻璃顶棚开设的开敞式排烟窗和常开式百叶窗的有效面积不应小于对应通道地面面积的25%。
（3）为避免排烟窗开设方向单一受到室外风向影响导致排烟效果不理想，要求矩形顶棚四个方向均应开设自然排烟窗。
（4）为便于烟气的顺利排放，要求各通道上方顶棚百叶窗下沿距地面高度不应低于16m，开敞式排烟窗下沿距地面高度不应低于17m。
防火设计遵循国家相关规范，其目的是为了达到相应的消防安全目标。该项目主要保证的目标是：火灾烟气危害能得到有效控制，并且可保证建筑内人员在安全的环境下疏散出去。为验证上述安全策略是否可行，笔者将在后面部分设置有针对性的火灾场景，对空间的安全性进行模拟计算分析。
3.4设计评估分析
3.4.1火灾场景的设定
通过选取合适的火灾场景，计算的结果可明确判断不满足规范要求的设计方案给建筑消防安全带来的影响。该工程防火设计主要问题集中在顶棚覆盖的通道空间，因此假定火灾发生的位置在通道或通道两侧的商铺内，然后根据火灾载荷分布等确定火灾场景。（见表1）
表1 火灾场景设定参数
3.4.2模拟计算工具
在性能化计算分析中，为客观地对建筑内火灾
烟气蔓延特性进行定量分析，并对设计方案作出科学判断和优化建议，笔者采用以下软件工具做评估分析：
（1）模拟火灾发展和烟气蔓延特性采用FDS软件；
（2）模拟人员疏散采用STEEPS软件。
3.4.3安全疏散的判断标准
建筑内消防安全性能判定的主要原则为：在建筑某火灾危险区域发生火灾时，人员可用的安全疏散时间（ASET）足以超过需要的安全疏散时间（RSET），即ASET>RSET。根据相关技术规范，本文选择的人员疏散安全判定标准如下：
（1）如果热烟层距人员活动地面高度大于2m，则热烟层的温度不超过180℃；
（2）如果热烟层距人员活动地面高度小于2m，则热烟层的温度不超过60℃，且能见度不小于10m；
（3）如果热烟层距人员活动地面高度小于2m，CO2浓度不得超过1%（体积百分比），CO浓度不超过500ppm；
（4）在消防队可能控制火势以前，各层2m以下空间内的烟气温度不超过260℃。
3.4.4安全性评估分析
分别对该商贸城内设定的四种火灾和疏散场景进行模拟计算，火灾场景中还考虑了喷淋系统失效的不利情形组合，全面分析火灾烟气在建筑内的流动性。对顶棚下的通道作为“准室外空间”进行定量分析，验证该区域能否作为人员安全疏散使用。在场景Ａ中，火灾模拟到人员疏散结束的烟气温度场分布基本相同。除起火点正上方烟气温度较低之外，火灾烟气在上升到顶棚后，会沿顶棚下方设置的高侧窗排出建筑物，少量在空间内水平蔓延的烟气也迅速降温。在起火点以外的其他区域，烟气最高温度仅达到46℃左右，烟气未在顶棚下聚集。火灾场景设计火灾规模为4.0MW，在295s时火灾达到最大，火灾烟气释放量也达到最大，并一直保持该规模，模拟区域内的温度及其他参数也趋于稳定。说明在该火灾场景中，顶棚下空间可以看作准室外安全区域。
按3.4.3节的人员安全疏散判断标准和烟气蔓延特性参数（烟气温度、CO2浓度、CO浓度、能见度）的量化结果，可得出火灾场景A的人员疏散可用时间（ASET），符合安全疏散要求。（见表2）
表2 火灾场景A的模拟计算结果统计表
结果还说明，当火灾发生在通道时，受火灾烟气影响的区域通常是着火位置的上部（三层顶棚附近），场景A发生在一层，一层和二层除着火区域附近区域外，其他区域受到的影响非常小。同理，分析火灾场景B、C、D可验证设计方案是切实合理的。
3.4.5火灾扑救安全性分析
根据烟气模拟结果，火场环境除火源燃烧位置的温度较高外，其他区域人员活动高度内的温度均在100℃以下。在火灾发生30min内，不会威胁到救援人员生命安全的程度，而且配备了专业装备的消防员可耐受更为恶劣的环境。因此，在该项目顶棚下空间可提供不小于30min的安全救援环境，能保证扑救人员的安全。
3.5评估结论
模拟计算结果表明，该商贸城即使在通道本身发生火灾和商铺内灭火系统失效，商铺火灾规模较大的不利情况下，通道内火灾烟气的各项安全指标均可满足判据要求，不会危及人员疏散安全。此时，顶棚下方空间可定性为准室外空间，火灾烟气也不会对该区域内人员疏散构成威胁，可作为人员的安全疏散区。
4、我国加快性能化防火设计的措施
我国应该加快性能化规范及配套技术的研究步伐，充分发挥性能化设计的优越性。促进性能化设计技术的发展方面，笔者认为应该从以下几个方面做起：加强各种火灾预测模型和火灾风险评估模型的研究，拓展性能化设计方法的应用空间。积极向建筑设计师和建筑管理人员介绍性能化设计方法，让他们认识、理解并自觉接受性能化设计方法。出台可操作性强的相关性能化设计指南，使建筑设计师能尽快地掌握性能化设计方法。加强新材料、新技术研究，规范材料性能参数，建立和完善数据库，提供准确的性能化指标，为性能化应用积累基础性数据。深入研究火灾规律、火灾情况下建筑内人员逃生规律和构件变化规律，为各种火灾模型的建立提供坚实的理论依据，并拓展计算机技术在消防中的应用。制定性能化消防设计规范，为性能化设计方法的应用提供法律依据。
5、结束语
大空间建筑与一般建筑存在较大差异，因此在防火性能化设计方面必须以整体分析为出发点，进而实施防火安全综合设计。在此，对大空间建筑的“性能化”防火设计进行初步探讨，并希望以此抛砖引玉，在此基础上能进一步深入开展大空间建筑防火性能的理论与实验研究，逐步制定和完善大空间建筑的防火设计规范，达到其防火性能的总目标。
参考文献
[1]霍然，袁宏永.性能化建筑防火分析与设计[M].合肥：安徽科学技术出版社，2003.
[2]金磊；国外性能化防火设计与应用[N]；中国建设报；2003年
[3]祁晓霞，潘京；对大型专业商场疏散人数的调查研究[J]；消防科学与技术；2005年
[4]田玉敏；论"性能化"防火设计中的"设计火灾场景[J]；火灾科学；2003年01期
论文作者:王永亮
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/28
标签：火灾论文; 烟气论文; 建筑论文; 顶棚论文; 性能论文; 空间论文; 人员论文; 《建筑学研究前沿》2018年第32期论文;