大空間建筑物的火災(zāi)特點(diǎn)與性能化防火設(shè)計(jì)

陳延軍

（新疆消防總隊(duì)哈密支隊(duì)，新疆　哈密）

摘要：大空間建筑物是當(dāng)前主要的建筑形式之一，其火災(zāi)危險(xiǎn)性也與普通建筑火災(zāi)有很大差別。對(duì)于大空間建筑，傳統(tǒng)的防火設(shè)計(jì)方法并不適用。因此，本文在總結(jié)大空間建筑火災(zāi)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹了性能化防火設(shè)計(jì)方法。性能化防火是大空間建筑的消防設(shè)計(jì)的重要思路，能有效保護(hù)其消防安全。

關(guān)鍵詞：大空間建筑物；火災(zāi)特點(diǎn)；性能化防火設(shè)計(jì)

1　引言

火是光明與熱量的象征，在人類的發(fā)展中起到了至關(guān)重要的作用。與此同時(shí)，火也給人類的生產(chǎn)生活帶來(lái)了重要威脅和破壞，火災(zāi)是最常見(jiàn)的一種事故形式。隨著建筑物朝著巨型化、超高層的方向發(fā)展，建筑物內(nèi)人員密度越來(lái)越高，因火災(zāi)造成的人員傷亡和才慘損失也越來(lái)越嚴(yán)重。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界范圍內(nèi)，每年因火災(zāi)造成的損失達(dá)到整個(gè)國(guó)民生產(chǎn)總值0.2％～1％。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，火災(zāi)的數(shù)量與規(guī)模也有擴(kuò)大的趨勢(shì)。例如20世紀(jì)90年代發(fā)生的克拉瑪依友誼館大火和洛陽(yáng)東都商廈火災(zāi)，造成了大量的人員傷亡與惡劣的社會(huì)影響。尤其是大型化具有現(xiàn)代化、大型化和非標(biāo)準(zhǔn)化的大空間建筑不斷出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能繁多，導(dǎo)致火災(zāi)隱患多，而且危險(xiǎn)大。例如，2004年巴拉圭一大型超市發(fā)生特大火災(zāi)，造成超過(guò)500人死亡，400多人受傷。造成重大人員傷亡的主要原因就是商場(chǎng)安全出口的設(shè)計(jì)存在缺陷。設(shè)計(jì)容量為2000人的大型建筑的安全出口數(shù)量嚴(yán)重不足，而且消防設(shè)計(jì)和施工等方面都存在嚴(yán)重的問(wèn)題。

長(zhǎng)期以來(lái)，建筑物的消防設(shè)計(jì)方法都是依據(jù)格式化的建設(shè)法規(guī)與消防設(shè)計(jì)規(guī)范，例如建筑物防火設(shè)計(jì)規(guī)范，地下車庫(kù)消防設(shè)計(jì)法規(guī)等。格式化的消防設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明了，流程清晰，方便設(shè)計(jì)與施工單位操作實(shí)行。這種簡(jiǎn)單的消防設(shè)計(jì)方式對(duì)于減少建筑火災(zāi)的發(fā)生，提高建筑物的防火耐火等級(jí)起到了重要作用。然而，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，一些非常規(guī)的大型建筑越來(lái)越多，傳統(tǒng)的消防設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不再適用。因此，性能化防火設(shè)計(jì)的概念就應(yīng)運(yùn)而生了。

本文首先對(duì)大空間建筑物的火災(zāi)額點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，然后介紹了性能化防火設(shè)計(jì)的基本理論，最后以案例應(yīng)用的形式進(jìn)行說(shuō)明。

2　大空間建筑火災(zāi)的特點(diǎn)

所謂大空間建筑物的標(biāo)志就是內(nèi)部空間很大，例如商場(chǎng)、劇院、禮堂、大型倉(cāng)庫(kù)和一些超高層建筑物的中庭等等。大空間建筑物具有寬敞舒適、功能多樣化的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為主流的設(shè)計(jì)方式之一。在國(guó)內(nèi)，對(duì)于空間高度大于5m，容積大于10000m³的建筑物都成為大空間建筑。例如，北京機(jī)場(chǎng)航站樓，建筑面積約為30萬(wàn)平方米；上海浦東機(jī)場(chǎng)航站樓，建筑面積為28萬(wàn)平方米；上海大劇院，建筑面積為7萬(wàn)平方米；建筑總高度40m。一般情況下，大空間建筑可以分為四類^［1］。

（1）占地面積大，高度相對(duì)較低，例如商場(chǎng)。

（2）占地面積大，具有一定的高度，例如大型會(huì)場(chǎng)、禮堂。

（3）具有一定的面積和高度，例如超高層建筑物的中庭。

（4）占地面積超大，且高度大于10m，例如機(jī)場(chǎng)航站樓，大型倉(cāng)庫(kù)。

對(duì)大空間建筑進(jìn)行建筑防火設(shè)計(jì)時(shí)，需要明確了解該類建筑的火災(zāi)特點(diǎn)，以及火災(zāi)發(fā)展規(guī)律，才能針對(duì)性的做好防火工作。大空間建筑物具有獨(dú)特的空間特點(diǎn)，因此其火災(zāi)特點(diǎn)與普通建筑火災(zāi)有很大的區(qū)別，總體來(lái)說(shuō)，主要有以下三個(gè)特點(diǎn)^{［2，3］}。

（1）火災(zāi)發(fā)展不受空間限制。一旦發(fā)生火災(zāi)后，由于建筑空間巨大，防火分隔非常困難。而且大空間的對(duì)流會(huì)帶來(lái)充足的空氣，使火焰蔓延迅速，非常容易發(fā)展成大規(guī)模的火災(zāi)，從而造成重大人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失。

（2）毒性大，燃燒猛烈。大空間建筑物一般都屬于功能性較為復(fù)雜或者人員較為密集的場(chǎng)所，可燃物種類較多，而且存在大量易燃高分子裝修材料。這些材料在燃燒過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體，例如CO、H₂S、HCN等，在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)致人死亡。

（3）傳統(tǒng)消防器材難以發(fā)揮作用。首先，由于建筑較高，在火災(zāi)發(fā)生初期，煙氣上升到頂棚時(shí)密度已經(jīng)大大降低，普通的感煙和感溫探測(cè)器很難檢測(cè)到。等探測(cè)系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)，火災(zāi)已經(jīng)初具規(guī)模，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)也會(huì)由于高度過(guò)高所起作用不大。主要原因有兩個(gè)：一是空間太高，自動(dòng)噴水系統(tǒng)在下落過(guò)程中很快被蒸發(fā)；二是高溫火場(chǎng)會(huì)很快破壞管道，系統(tǒng)很難持續(xù)滅火。

（4）安全疏散困難。大空間建筑物內(nèi)，火災(zāi)蔓延速率很快，煙氣與隨之?dāng)U散，建筑物內(nèi)的能見(jiàn)度下降很快。而且此類建筑物中一般人員較多，大部分人對(duì)逃生路線不熟悉，建筑中心與安全出口的距離也會(huì)比較遠(yuǎn)，很容造成人員心理恐慌，引發(fā)重大人員傷亡事故。

（5）滅火撲救困難。大空間建筑物一般都是位于建筑群中，或者被其他部分包圍，發(fā)生火災(zāi)后，消防人員很難直接進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)滅火。而且由于火災(zāi)和煙氣蔓延較快，很難判斷火源的準(zhǔn)確位置。另外，著火面積較大，容易導(dǎo)致消防供水不足，消防器材數(shù)量不足。

（6）容易發(fā)生倒塌事故。以鋼結(jié)構(gòu)為主體的大空間建筑物，在火災(zāi)發(fā)生后，剛才本身由于火場(chǎng)的熱效應(yīng)，其屈服強(qiáng)度下降很快。據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，當(dāng)溫度為550℃時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度下降一半，到600℃時(shí)，鋼材的全部強(qiáng)度和剛度就會(huì)喪失，即使經(jīng)過(guò)專門的防火涂料進(jìn)行處理，在高溫下仍是一大隱患。所以大空間建筑物更容易發(fā)生倒塌事故。

3　性能化防火設(shè)計(jì)基本方法

3.1　基本概念

性能化防火設(shè)計(jì)起源于英文performance-based design（以建筑物表現(xiàn)為依據(jù)的設(shè)計(jì)），就是以建筑物的具體使用功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為依據(jù)采取針對(duì)性的防火設(shè)計(jì)與措施^［4］。性能化防火所的主要原理就是一句火災(zāi)科學(xué)、燃燒學(xué)和建筑結(jié)構(gòu)學(xué)等，根據(jù)建筑物的使用功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)建筑物的火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行模擬，得出火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展和熄滅的規(guī)律，已經(jīng)火場(chǎng)對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的影響的數(shù)據(jù)；然后運(yùn)用消防工程學(xué)的方法，確定建筑物的性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)指標(biāo)；最后，考慮不同火災(zāi)場(chǎng)景下人員的額疏散以及消防設(shè)施的配備情況，確定相應(yīng)的消防設(shè)計(jì)方案。

美國(guó)消防工程師協(xié)會(huì)編寫的防火工程手冊(cè)（Handbook of Fire proteetion Engineering，SFPE）是公認(rèn)的消防性能化防火設(shè)計(jì)的重要依據(jù)^［5］。根據(jù)該手冊(cè)的介紹，性能化防火設(shè)計(jì)的主要程序如圖1所示。

3.2　性能化防火設(shè)計(jì)的內(nèi)容

根據(jù)圖1的流程圖可以看出，性能化防火設(shè)計(jì)主要包括準(zhǔn)備階段，定量計(jì)算階段、方案評(píng)估和報(bào)告編制階段。下面本文對(duì)這幾個(gè)階段進(jìn)行詳細(xì)闡述^［6］。

3.2.1　準(zhǔn)備階段

準(zhǔn)備階段的主要任務(wù)就是對(duì)建筑物進(jìn)行評(píng)估，得出和消防設(shè)計(jì)的項(xiàng)目參數(shù)，確定防火目的與目標(biāo)，然后根據(jù)具體的工程設(shè)計(jì)目標(biāo)評(píng)估備選方案的可用性。性能化防火設(shè)計(jì)第一個(gè)重要的內(nèi)容就是確定防火目的，這主要包括^［7］：①保證人員的生命安全；②保護(hù)財(cái)產(chǎn)和資產(chǎn)；③保證建筑物的功能正常運(yùn)行；④最大限度降低火災(zāi)損失。

當(dāng)對(duì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)估和確定了防火設(shè)計(jì)目標(biāo)后，設(shè)計(jì)人員就可以把防火設(shè)計(jì)的工作轉(zhuǎn)化為一系列具體的參數(shù)。表1給出了防火目的、火災(zāi)損失目標(biāo)以及工程設(shè)計(jì)目標(biāo)的示例要求。由表1可以對(duì)項(xiàng)目性能化設(shè)計(jì)的各個(gè)方面進(jìn)行確定，防火目標(biāo)、設(shè)計(jì)目標(biāo)與判定依據(jù)示例見(jiàn)表2。

3.2.2　定量計(jì)算階段

定量計(jì)算階段就是以項(xiàng)目火災(zāi)場(chǎng)景為基礎(chǔ)，選擇適合的火災(zāi)發(fā)展曲線，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬得到火災(zāi)發(fā)展情況^［8］。

火災(zāi)場(chǎng)景就是對(duì)火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展到熄滅的一種描述，包括這個(gè)過(guò)程中建筑物內(nèi)煙氣溫度等參數(shù)變化情況。設(shè)置火災(zāi)場(chǎng)景主要考慮的因素包括以下幾個(gè)方面：①起火前狀況；②點(diǎn)火源與可燃物；③火災(zāi)蔓延途徑與方式；④室內(nèi)人員分布情況。

火災(zāi)是一種燃燒過(guò)程，這個(gè)過(guò)程的任意時(shí)間點(diǎn)上有產(chǎn)物生成和能量釋放。火災(zāi)發(fā)展過(guò)程釋放出的能量一般用熱釋放速率表示，受到可燃物燃燒熱，建筑物空間狀態(tài)以及通氣情況等多方面因素的影響。一般情況下，這個(gè)過(guò)程可以設(shè)定為一段增長(zhǎng)、一段穩(wěn)態(tài)和一段減弱的連續(xù)曲線，如圖2和圖3所示。

最后利用火災(zāi)模擬工具或軟件對(duì)火災(zāi)的發(fā)展進(jìn)行數(shù)值模擬，就可以得到可能發(fā)生的火災(zāi)過(guò)程的發(fā)展變化情況^［9］。目前國(guó)內(nèi)外用于火災(zāi)模擬的軟件很多，比較常用商業(yè)軟件或者開(kāi)源軟件的有CFAST、FDS、FLUENT。

3.2.3　方案評(píng)估與報(bào)告編制

根據(jù)性能化設(shè)計(jì)的目的和標(biāo)準(zhǔn)，以及火災(zāi)發(fā)展情況，就可以嘗試性的制定出數(shù)套套防火方案。每個(gè)設(shè)計(jì)方案應(yīng)該針對(duì)至少一種火災(zāi)場(chǎng)景，然后根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同的方案進(jìn)行評(píng)估，最終，經(jīng)過(guò)優(yōu)化改進(jìn)得出一個(gè)最佳設(shè)計(jì)方案^［10］。

得出設(shè)計(jì)方案后就可以正式編制性能化分析和設(shè)計(jì)報(bào)告。報(bào)告內(nèi)容應(yīng)包括以下幾個(gè)方面：設(shè)計(jì)工作人員；目的；采用方法；工程資料；性能判定依據(jù)；火災(zāi)場(chǎng)景；火災(zāi)發(fā)展曲線；采用的工具與算法；設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。

4　結(jié)論

本文首先總結(jié)了大空間建筑物火災(zāi)的特點(diǎn)，主要有：火災(zāi)發(fā)展不受空間限制；毒性大，燃燒猛烈；傳統(tǒng)消防器材難以發(fā)揮作用；安全疏散困難；滅火撲救困難；容易發(fā)生倒塌事故。由于與普通建筑火災(zāi)的顯著差別，需要對(duì)大空間建筑進(jìn)行性能化防火設(shè)計(jì)。然后本文詳細(xì)地介紹了性能化防火設(shè)計(jì)方法，為大空間建筑物的消防安全設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

［1］　賈紅剛.大空間建筑火災(zāi)特點(diǎn)與防火對(duì)策.湖北警官學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，（9）：134-135.

［2］　謝正良.大空間建筑性能化防火設(shè)計(jì)研究.上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

［3］　李引擎.建筑性能化防火設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［4］　劉曉平.高大空間建筑火災(zāi)性能化設(shè)計(jì)中的數(shù)值模擬，合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文，2005.

［5］　The SFPE guide to performance-based fire protection analysis and design，draft for comment，Society of Fire Protection Engineers，1998.

［6］　蔣永混高層建筑火設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

［7］　田玉敏.論“性能化”防火設(shè)計(jì)中的“設(shè)計(jì)火災(zāi)場(chǎng)景”.火災(zāi)科學(xué)，2003，12（1）：44-50.

［8］　廖曙江.火災(zāi)場(chǎng)景確定原則和方法.消防科學(xué)與技術(shù)，2004，23（3）：249-252.

［9］　周榕，李樹(shù)生，顧陽(yáng).FDS軟件在大空間火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào).2009，30（5）：508-512.

［10］　范維澄，孫金華，陸守香.火災(zāi)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法學(xué).北京：北京科學(xué)出版社，2006.