摘要：电子洁净厂房作为国内建设的新兴厂房，其面积和复杂程度较之以前都有了很大的提升，其特殊的生产工艺以及作为大空间建筑使建设面临着许多以前从未遇到过的挑战。消防作为保障生产以及建筑物和使用人员安全的关键，本文以中芯绍兴MEMS和功率器件芯片制造及封装测试生产基地项目为例，对该项目的防火分区以及安全疏散两方面进行了探讨，旨在为大型电子洁净厂房消防设计提供参考。
关键词：电子洁净厂房；防火分区；安全疏散；疏散小巷
引言
集成电路是国家的基础性战略性产业，中国是全球最大的集成电路应用市场，然而目前我国传感器核心芯片约80%以上依赖进口，物联网中使用的微机电系统几乎全部依赖进口。2015年中国集成电路进出口逆差仍为1613.9亿美元，进口额超过石油列第一位，国内集成电路产品的自给率偏低，同时国内生产的集成电路产品技术水平仍然差世界水平约2个技术代，生产企业的规模偏小，企业经济效益偏低。国家对集成电路产业的发展高度重视，将建立起自主可控的集成电路产业体系列为国家推进战略性新兴产业规模化发展的重点任务之一，并颁布了《中国制造2025》以及《国家集成电路产业发展推进纲要》，给予了集成电路发展强有力的支持。
在对集成电路强大的需求以及国家强有力支持的背景下，技术先进、质量可靠的制造基地是提高产品良品率的主要瓶颈之一，重要性不言而喻。然而不管是技术还是厂房建设，对于国产集成电路来说都处于起步阶段，产业发展任务十分艰巨。对于这样一个相对而言还未成熟的产业建设，将会遇到很多未知的困难。
本文将讨论在中芯绍兴MEMS和功率器件芯片制造及封装测试生产基地项目中，遇到的最基本的消防设计的问题。
1.电子洁净厂房项目概况
中芯系列有一套较为成熟的生产工艺流程，在国内多地建设有芯片厂房，在厂房建设方面有较为丰富的经验。此次建设的芯片厂房为丙类多层厂房，耐火等级为一级，长144.6米，宽99米，建筑高度为23.95米，地上三层，局部四层，占地面积为14777平方米，建筑面积为47252平方米。
主要布置：一层为生产辅助区，层高6.8米，放置各类辅助设备、辅助用房，二层为技术下夹层，层高6.1米，三层为洁净生产区，层高7.7米，上方为技术上夹层（2.9米）及局部四层（占屋面面积不大于1/4）作为辅助用房。
2.电子洁净厂房防火分区设计
2.1防火分区设置难点及解决方法
按照《洁净室厂房设计规范》要求，该芯片厂房可定义为丙类多层厂房，根据《建筑设计防火规范》3.3.1条规定，即使设有自动喷淋灭火系统，每个防火分区面积不得超过12000平方米，且疏散距离不得超60米。但由于芯片厂房的连续生产工艺性质，如果设置防火墙，主要的三层洁净区将很难满足工艺的使用要求以及实际的运行使用情况；如果设置防火卷帘，则长至少达到99米且高为10.6米，其自身重量过大会导致机械性能难以满足；如果设置防火水幕，对消防水量的极大需求以及水量的排放很难实现；且由于工艺需求，为了保证生产区的洁净度，采用上送侧回的回风方式，二层与三层间格子梁楼板上布置华夫板（即洞洞板），无法密封使达到楼板1.5h的耐火极限的要求。故在进行了广泛的调查研究后，我院（信息产业电子第十一设计研究院有限公司）于2009年与其他机构协助中国电子工程设计院编写了《电子工业洁净厂房设计规范》。在其中防火和疏散篇中，允许了丙类及以上生产的电子工业洁净厂房的洁净室中“在设有高灵敏早期火灾报警探测系统后，其每个防火分区的最大允许建筑面积可按生产工艺要求确定，且安全疏散距离可按工艺需要确定，但不得大于本条第2款（即满足《建筑设计防火规范》GB50073的相关规定）规定的安全疏散距离的1.5倍”。高灵敏早期火灾报警探测系统即空气采样系统（简称VESDA，全称为Very Early Smoke Detection Apparatus），主要安装在回风井道中，通过主动对空气进行采样，探测烟雾粒子，并对烟雾浓度进行分析，相比较于常规的感烟探测器，能在早期不可见烟的状态下，提前预警（图1为不同类型的火灾探测器的对比图）。
2.2此项目防火分区及站房设置概况
由于芯片厂房投资巨大，设有昂贵的设备和仪器，建造费用昂贵，同时体积、面积大，疏散路线曲折，且对洁净度要求高，火灾后若一旦关闭空调系统，即使再恢复洁净度也无法达到要求，而极早期火灾报警探测器的引进，减少了洁净电子厂房因火灾造成的不必要的损失。故此芯片厂房在条件允许的情况下，在贯通二层与三层的回风井道伴有高速气流处，设有灵敏度严于0.01%obs/m的高灵敏早期火灾报警探测系统，按照《建筑设计防火规范》及《电子工业洁净厂房设计规范》，两层可划分为一个防火分区，疏散距离不超90米，满足规范要求。此厂房的防火分区的设置的原则采用的是生产区与技术支持区分开，洁净区与非洁净区分开，成品库、材料库与其他区域分开，以及危险性类别较高的气化区单独设立防火分区，该厂房除洁净区的一个防火分区外，另设有11个防火分区。由于气化区每日的加药需求，且存放火灾危险性较大的物质，为甲类、乙类物质（将火灾危险性较大的生产部分占本层建筑面积的比例控制在5%以内），故单独划分防火分区，并直接对外疏散，满足疏散要求。排气机房需要对外排气，故靠外侧设置，直接对外疏散。变电站由于电缆较贵，为了节省成本，一般分开布置多个变电站减少不必要的走线。
图1 不同类型的火灾探测器报警阈值与火灾情况的关系
3.电子洁净厂房安全疏散优化设计
该芯片厂房遇到的疏散难题，主要为一层中心区域，由于厂房较大，且要保证其他站房的完整性，不得穿越其他站房疏散，即使尽可能多的设置疏散走道，然而为了优先满足工艺使用需求，中心区域的最不利点的最短疏散距离仍然超过60米。为了满足疏散距离、保障使用人员安全的要求，方案一为延长疏散所要求的距离，同二层、三层一样设置高灵敏早期火灾报警探测系统；方案二，提高走道的安全级别，设置避难走道达到疏散要求；方案三，缩短实际疏散距离，通过设置疏散小巷将对外疏散通道向内缩短至满足疏散要求。本篇文章将就这三个不同的方案做不同的利弊讨论。
3.1方案一：设置高灵敏早起火灾报警探测系统
为增加疏散距离要求，同洁净区一样设置高灵敏早期火灾报警探测系统。相比较于传统的烟感探测器，一台高灵敏早期火灾报警探测仪的预警虽然更为早期以及准确，但其覆盖面积有限，且由于是非洁净区，空气流通的速度相对较慢，需要覆盖至厂房内的每块区域，而厂房面积较大，由此会导致建造成本增加。更重要的一个原因，并没有规范明确了在厂房或者仓库的非洁净区内设置高灵敏早期火灾报警探测系统能增加疏散距离。《电子工业洁净厂房设计规范》规定的为洁净区设置高灵敏早期火灾报警探测系统，类似的《数据中心设计规范》，规定的是主机房内（对空气中颗粒度有一定要求）装有高灵敏的吸气式烟雾火灾报警系统时，距离可以增加50%。目前理论上虽然一层可以通过设置高灵敏早期火灾报警探测系统在阴燃阶段提前预警，但实际上一层非洁净区灰尘较大，虽然可以通过滤网和管路自清洗功能避免管路收到污染（《火灾自动报警系统设计规范》GB50116-2013），但其会导致高灵敏早期火灾报警探测系统的维护成本增高，增加探测器的工作难度。并且该厂房一层对外出入口较多，救援难度低，没有高速气流干扰，点式烟感系统容易预警，且厂房一层设备价值相对较低，以及高灵敏早期火灾报警探测系统其高昂的造价，设置的必要性较低，可行性也需要实践检验。
3.2方案二：设置避难走道
提高走道的安全级别，设置避难走道，解决大型建筑中疏散距离过长的问题，疏散时人员只要进入避难走道，就可视为进入相对安全的区域。避难走道的设置需满足一些相应的规定，根据《建筑设计防火规范GB50016-2014》第6.4.14条，避难走道应符合的规定：
1）“避难走道防火隔墙的耐火极限不应低于3.00h，楼板的耐火极限不应低于1.50h”，相比较于疏散走道两侧耐火极限不低于1.0h的隔墙，该绍兴中芯项目可通过设置蒸压加气混凝土砌块墙或者钢筋混凝土墙（有防爆要求的房间）解决；
2）“避难走道直通地面的出口不应少于2个，且设置在不同方向”，由于厂房本身的使用要求，有较为便利的内部环线通道，此条可通过设置贯通南侧部分厂房的两个不同方向的对外出入口解决；
3）“避难走道的净宽度不应小于任一防火分区通向该避难走道的设计疏散总净宽度”，该芯片厂房轴网间距为4.8米，可将整轴设为避难走道，满足任一一个防火分区通向避难走道的疏散总净宽度；
4）“避难走道内部装修材料的燃烧性能应为A级”,地面、墙体、吊顶等需选用燃烧性能为A级的材料，如混凝土硬化剂地面、水泥砂浆地面等，然后对于芯片厂房日常使用需求来说，由于需要一直搬运化学物品、液体等，使用类似环氧耐磨之类较易清洁的地坪是十分必要的，而燃烧性能达到A级的且满足使用需要的只有水性环氧，而水性环氧质地较软，并不耐磨，不适用于一直要走叉车的地坪，此为一处规范与实际使用需求冲突的地方，也是该厂房较难设置避难走道的原因之一；
5）“防火分区至避难走道入口处应设置防烟前室”且在其前室及避难走道分别设置机械加压送风系统。由于机械加压送风的需求，需在避难走道设置一定高度的吊顶，并且需要设置配套的机房以及管井。防烟前室的设置也会占用其他站房的面积，且需要开设乙级防火门至避难走道以及甲级防火门至前室，增加建造成本的同时，造成站房使用上的不便；
6）“避难走道内应设置消火栓、消防应急照明、应急广播和消防专线电话”。总而言之，设置避难走道的方法，会占用站房的使用面积，造成使用上的不便，增加厂房的造价，但能较好的保证人员疏散的安全，符合设计规范。
3.3方案三：设置疏散小巷
将直通室外的疏散口内移至满足疏散要求，设置类似疏散小巷，见图二中框出处为内凹的外墙，箭头为疏散口。现有规范中并没有对于疏散小巷的定义及解释，但经常存在于实际中，解决类似人员密集场所以及大型建筑疏散距离过长的问题。
其设置与避难走道异曲同工，在疏散小巷两侧设置耐火极限不小于3.0h的墙体，且小巷净宽不小于3.0米。一方面为了确保人员安全疏散，疏散小巷两侧不设置任何直通小巷的疏散门，另一方面为了业主将来更好的管控，在小巷两侧开门会造成流线混乱，此项目就遇到在搬运码头处，原来的厂内搬运口靠外侧，但由于疏散小巷的设置，对内搬运口则必须内移，由此造成搬运码头空间的浪费，但从大局考虑，疏散小道的设置对整体使用更为方便。虽然将对外疏散门向内移动后，满足疏散距离，使最不利点的疏散距离不大于60m，但疏散小巷仍然存在问题，如果真的发生火灾后，虽然小巷与室外直接相连，但由于进深较深，该芯片厂房最深的疏散小巷进深有24米，且二层楼板会覆盖于疏散小道上方，如有烟气扩散，将会导致烟气在角落处聚集，没有办法同室外一样较好的通风扩散。但根据实际情况，该厂房一层层高为6.8米，层高较高，就算烟气由厂房内扩散出去后，也会聚集在较高处，对人员的疏散影响较小。
该做法相比较方案二优点为：较为简易，造价较为低廉，且对内部站房及实际使用的影响较小，既保障了疏散安全，又满足使用需求；
缺点为：存在安全隐患，没有避难走道的安全等级高。在不考虑经济的前提下，避难走道的规范设置要求与实际使用相冲突，权衡利弊之下，并与消防沟通后，设置疏散小巷。
图2 厂房一层疏散小巷及安全出口示意图
因此，该芯片厂房一层采用方案三解决疏散问题，通过设置疏散小巷减少实际疏散距离。虽然在满足了工艺使用需求的前提下解决了大空间疏散距离较长的问题，且更为经济、实用，但仍然存在安全隐患。对于其他项目来说，该方案是优于其他方案，仍需根据当地实际情况，因地制宜，权衡利弊后，选择最合适的方案解决消防难题，保证使用人员的生命安全。
4.结论与建议
1）本文以中芯绍兴MEMS和功率器件芯片制造及封装测试生产基地项目的消防设计为例，简单的讨论了洁净厂房中洁净区的防火分区的布置及非洁净区的疏散问题。其中通过设置高灵敏早期火灾探测系统，在满足使用工艺需求的前提下解决了洁净区防火分区的问题，以及通过布置疏散小巷，解决了一层非洁净区的疏散距离过长的问题。
2）《建筑设计防火规范》是一个大方向，对于不同类别的建筑仍需要有不同的设计规范来补充完善，对防火分区的划分应根据实际使用需求以及建筑的情况（使用人数、空间高度、不同荷载、不同消防系统等）提出不同的要求，不可一概而论。目前有很多规范与使用冲突的地方仍需解决，例如方案二中提到的避难走道的装修做法与使用需求冲突，如果为了满足规范，将会导致实际使用中出现很多问题。科技不断发展，技术日新月异，在面对这种冲突时，是否可以有一个两全其美或者退而求其次的方案来解决这种冲突。对于规范上还未有明确规定的消防设计，例如方案一与方案三，是否可以通过性能化的设计，建立火灾模型分析其可行性，对类似的开放性设计采取包容却又严谨的科学态度对待。
参考文献
[1]姚铁峰､唐浩､程永玲,浅谈大型工业厂房的消防设计,建筑科学,2014(3).
[2]梁福生,某PDP大空间洁净厂房消防设计的几点探讨,建筑设计管理,2012(3).
[3]上海市消防协会,新《火灾自动报警系统设计规范》对极早期火灾报警系统的影响,当宁消防网,2014.
个人简介
王雅婷，1993年2月，女，汉，江苏省苏州市太仓市人，研究生学历，助理工程师，研究方向：电子洁净厂房的消防设计。
论文作者:王雅婷
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/9/16
标签：厂房论文; 走道论文; 洁净论文; 火灾论文; 小巷论文; 分区论文; 灵敏论文; 《基层建设》2019年第16期论文;