關于大型工業建筑的性能化防火設計的探討

趙巍

（內蒙古消防總隊包頭消防支隊，內蒙古　包頭）

摘要：文章針對大型工業建筑的結構特點做了分析，并結合實際從管網布置、自動噴水滅火系統、人員安全疏散和防火分區等方面對該類建筑的性能化消防設計的應用進行了探討，以期對優化工業建筑的防火設計方案，為工業建筑進行合理的防火保護設計提供參考。

關鍵詞：大型工業建筑；性能化設計；防火

1　引言

隨著我國經濟建設的發展，大型工業建筑越來越多。這類建筑在體積、空間、使用功能等方面同一般建筑相比較，具有更現代化、大型化和非標準化的趨勢。然而，現行的消防設計技術規范主要針對的對象為一般建筑，雖然具有一定的科學性，但應用到大型工業建筑的消防設計中，會不可避免地出現與現行消防規范發生偏差的現象。這些偏差主要體現在防火分區設計、安全疏散設計、火災自動報警系統設計、自動噴水滅火系統設計和防排煙系統設計等多個方面。大型工業建筑的特點決定了它本身的消防設計必然在某些方面要在現行消防規范的基礎上做出突破，所以對此類建筑的防火設計比較適合采取性能化設計的思路，即確定安全目標，實施安全目標的方式可靈活選擇。與傳統“處方式”建筑防火設計相比，以性能化為基礎的建筑防火設計的優點體現在更科學、更安全、造價和維修費更低。

大型工業建筑的性能化設計方法是建立在消防安全工程學基礎上的一種新型建筑防火設計方法，它是運用消防安全工程學的原理與方法，根據建筑物的結構、用途和內部可燃物等方面的具體情況，對建筑的火災危險性和危害性進行定量的預測和評估，得出最優化的防火設計方案，從而為工業建筑提供最合理的防火保護。

2　大型工業建筑的火災特點

大型工業建筑火災特點與一般建筑火災特點的不同主要表現在以下幾個方面。

2.1　面積大、火災荷載大

大型工業建筑特點為大跨度、高空間。建筑中空氣充足，內部空調、照明等電器設備多，電器火災隱患尤為突出。火災會在短時間內達到猛烈燃燒階段，發展蔓延速度快，造成撲救困難。此外工作時人員多，一旦發生火災，會使疏散比較困難，極有可能造成人員的大量傷亡。

2.2　高度高

這樣會導致火災時煙氣大量集中在建筑物頂部。實驗證明，排除空間較高建筑內的煙氣比排除空間較低建筑內的煙氣要困難得多。對于這類建筑頂部排煙而言，較低的可以直接在屋頂設天窗進行排煙，而較高的則往往不能進行自然排煙，其排煙效率也隨其高度的增加而降低。另外，目前一些大型工業建筑設置的排煙機，排出的除煙氣外，還會滲入大量空氣。且高度越高，滲入的空氣量越大，煙氣被稀釋，減少了排煙機的排煙量，降低了排煙效率。

2.3　鋼結構為主

大型工業建筑在進行結構設計時，鋼結構以其質量輕、機械性能好、安裝機械化程度高、施工方便等優點成為大跨度結構設計的首選，然而鋼結構卻有一個致命的缺點：不耐火。鋼材雖然是不燃材料，但在火災高溫作用下，其力學性能如屈服強度、彈性模量等卻會隨溫度升高而降低。當溫度達到300℃時，鋼材的屈服強度即開始逐漸消失。在550℃左右時，降低幅度更加明顯，遇到火災時一般15min左右就會失去承重能力。部分工業建筑采用鋼結構屋架，若防火處理不好，火災時屋頂很容易垮塌，造成撲救困難。

3　性能化方法

這里以一丙類三級大型木器加工廠為例，該廠具有以下特點。①占地面積大：首期占地236畝，單邊長度（351m×493m），二期占地295畝，待全部建成之后，廠區南北距離近1km。然而廠房設計時對一旦發生火災，輸水管線的沿程損失、消防水泵的選配、是否進行分區供水，以及遠程啟動消防設備并沒有加以綜合考慮。②建筑面積大：該加工廠的面積有幾十萬平方米。單體建筑成組排列，單體建筑面積一般為6000～8000m²。③建筑高度高：該大型木器加工廠廠房普遍高度在10～12m，局部建筑甚至更高。④個別區域由于受到建筑布局的限制，疏散寬度不能滿足要求。

下面僅就幾個方面來討論性能化設計在實際中的應用。

3.1　管網布置

根據《建筑設計防火規范》（GB 50016—2014）（以下簡稱《建規》）第8.3.3條，具有下列條件之一者應設消防水池。

（1）當生產、生活用水量達到最大時，市政給水管道、進水管或天然水源不能滿足室內外消防用水量。

（2）市政給水管道為枝狀或只有一條進水管，且消防用水量之和超過25L/s。

同時《建規》第8.6.1條：室內消火栓超過10個，且室內消防用水量大于15L/s，室內消防給水管道至少應有兩條進水管與室外環狀管網連接。并應將室內管道連成環狀或將進水管與室外管道連成環狀。

結合本廠工程特點，消防管網布置上可以如下設置。

（1）室內外消火栓系統采用市政和消防水池、水泵房兩路供水，在管網布置上，室外消防給水管應布置成環狀，水泵房向環狀管網的輸水干管供水的輸水管不應少于2條，當其中一條發生故障時，其余干管應仍能通過消防用水總量。

（2）室內消火栓（消火栓數量>10個）給水管至少應有兩條進水管與室外環狀網連接，并應將室內管道連成環狀或將進水管與室外管道連成環狀。從安全度的角度分析，減少環節有利于安全度的提高。室內消防給水管道應盡量利用室外消防管道共同構成室內環網。這樣就將室外消防給水管道和室內消防管道兩個環節簡化為一個環節，從而提高了供水安全度，也簡化了管網，同時也便于管理。

3.2　自動噴水滅火系統

自動噴水滅火技術已經被證明是最有效的控火和滅火的消防技術手段。它具有工作性能穩定、適應范圍廣、安全可靠、控火滅火成功率高和維護簡便等優點。一個快速反應噴頭就可以基本將火災控制在其保護范圍內（約9.3m²的范圍內，只需要啟動兩、三個噴頭就能對一般初期火災進行有效控制）。由于這種噴頭滅火、控火及時，滅火效果好，應設置在性質重要或火災危險性較大、人員集中不易疏散、外部增援滅火與救生較困難的建筑物或場所。控火、滅火是設置自動噴水滅火系統的目的，這個目的是通過系統的正常啟動和噴水過程中來實施的。

根據《建筑設計防火規范》第3.2.1條對丙類生產廠房防火分區的規定：耐火等級為三級的丙類生產廠房最大允許面積為3000m²，設置自動滅火設備時，防火分區最大允許占地面積可按增加一倍，同時根據《建規》第8.7.1條面積超過1500m²的木器加工廠必須設置閉式自動噴水滅火設備。所以設置自動噴水滅火系統的木器加工廠，經濟建筑面積為6000m²。本廠的單體建筑面積為6000～8000m²，顯然不符合要求。

同時，《自動噴水滅火設計規范》第4.3.2條又規定“室內凈空高度超過8m的大空間建筑，其頂板或吊頂下可不設噴頭”，此條規定主要考慮到噴頭安裝高度太高，熱敏元件將達不到預期效果，所以這樣規定。但此條明顯適用于某些建筑的中庭或共享空間等，不適用于高大型廠房建筑，所以在實際設計中，不能套用此條規定不設噴頭，不加保護，應綜合考慮建筑物（或構筑物）的使用功能，火災危險部位以及建筑物高度等因素，合理布置噴頭。因干式報警閥報警后管道內充滿氣體，噴頭爆破后先要排走管道內的氣體，然后才能噴水滅火，這樣就會造成一定的噴水延遲，從而導致滅火延遲，因此在效率上低于濕式自動噴水滅火系統。然而濕式噴水滅火系統由于適合安裝在室內溫度不低于4℃，且不高于70℃能用水滅火的建筑物內，所以也不合適。由于木材怕水，綜合考慮，在這間加工廠內適合使用重復啟閉預作用系統（Recycling Preaction System）。這種系統具有自動啟動、自動關閉的特點，可以防止因系統自動啟動滅火后，無人關閉系統而產生不必要的水漬損失。它也具有多次自動啟動和自動關閉的功能，在火災復燃后也能進行有效撲救。這里還有一個問題，那就是本廠廠房一般高度10m以上。噴頭的滅火效果很大程度上取決于噴頭的選擇和布置的合理性。當噴頭距地面高度大于8m時，普通噴頭熱敏元件的動作會受到影響從而導致延遲。而目前美國等國家都在大力使用的各種快速反應噴頭雖然對空間高度不超過12m的大型建筑的自動噴水滅火系統有較好表現，但需依賴進口，且價格較高。我認為，在本廠車間設置閉式噴頭時，噴頭設置不宜超過8m，這樣就能夠很好的解決問題。

3.3　人員安全疏散

2004年8月1日，巴拉圭首都亞松森北郊超市發生大火，營業員為防止顧客偷東西溜走而關閉了超市安全疏散出口，使顧客逃生無門，釀成死亡500多人，數百人受傷的特大火災事故。這起火災事故，把此類大型建筑在消防安全疏散方面存在的問題，擺在了我們面前。安全疏散設計是建筑防火設計的一項重要內容，可以避免建筑內部人員因火燒、煙氣中毒及建筑構件倒塌破壞而造成傷害，為消防指戰員迅速撲滅火災及搶救遇難人員提供便利條件。

但是在傳統的人員安全疏散設計中，設計人員的主要任務是依照規范的要求保證一定的出口個數、出口寬度和疏散距離等，這種方法在一般建筑中是可行的，但是若將這種方法運用到一些大型工業建筑的疏散設計中則顯然是不合適的。

實際上，影響人員疏散的因素除了出口個數、疏散寬度和疏散距離外，還應該包括建筑物內的煙氣溫度、毒性、熱輻射和結構的損傷與破壞等各種因素。這就意味著應該將這些影響因素作為一個綜合的系統來對待。現行規范中雖然也包含了對煙氣控制和結構的要求，但是對各種因素之間的相互作用沒有做詳細的說明，特別是沒有定量地說明各因素之間對人員疏散安全性的影響程度。也就是說，傳統的疏散設計主要考慮建筑布局對疏散的影響，缺乏綜合的定量分析。而在性能化的疏散設計中，強調控制火災的發生和蔓延，同時考慮到如果火災沒有控制住時人員的安全疏散。將建筑物內全體人員疏散到安全地點之前不應受到火災的危害作為設計目標，疏散的安全性是通過疏散時間（T_REST）和危險來臨時間（T_ASET）的分析比較來判斷的。其中疏散時間和危險來臨時間的計算中綜合考慮了各種可能發生的火災場景下，建筑物及其消防系統得影響。

T_ASET表示從火災發展到對人構成危險所需的時間，T_REST表示人員從火災發生到疏散至安全場所所需要的時間。這里涉及兩個公式。

①總疏散時間：T_REST=T_det+T_response+T_travel

②人員安全疏散的評價標準：T_ASET>T_REST=T_det+T_response+T_travel

其中T_det、T_response、T_travel分別表示人們意識到有火災發生的時間，人員在疏散前的時間，開始疏散到結束的時間

那么，從上式可以看出，T_ASET越大，T_det+T_response+T_travel越小人員安全性就越大。影響T_ASET的因素很多，包括水噴淋系統和防排煙系統是否可以及時開啟等因素。這里就防排煙系統進行分析。據火災統計分析，火災過程中使人員致死的主要原因是煙氣和熱，占火災中死亡人數的75％～95％。加工廠一旦發生火災，會在房間上部形成熱煙氣層，下部為冷空氣層，在房間一定高度上存在一內外壓力相等的中性層，在中性層上方著火房間壓力大于室外壓力，若中性層以上區域有通風口，則熱煙氣會流向室外；若中性層以上區域有通風口，則由于中性層下方壓力小于室外壓力，室外冷空氣會向著火房間補充。此時比較適合使用自然排煙。但是如前文所說“排除空間較高建筑內的煙氣比排除空間較低建筑內的煙氣要困難得多。對于這類建筑頂部排煙而言，較低的可以直接在屋頂設天窗進行排煙，而較高的則往往不能進行自然排煙，其排煙效率也隨其高度的增加而降低”。所以此時自然排煙不能滿足要求。應采用機械排煙，比如采用“空氣幕墻”。它是利用吹吸氣流形成流動的空氣幕墻，實施防煙分隔，形成防煙分區，同時排放高溫氣體和有毒氣體。由于加工廠內部空間大，可以利用空氣幕墻將其劃分為多個防煙分區，同時使廠方內部的空氣被排出，使火災處于缺氧狀態，有利于撲滅火災。

3.4　防火分區

目前我國關于防火分區的規范主要有：《建筑設計防火規范》（GB 50016—2014）及《人民防空工程設計防火規范》（GB 50098—2009）等。這些規范參考了國內外有關正反兩方面的經驗，在實際使用中起到了很好的作用，極大地減少了火災損失。比如我國某教學大樓每層建筑面積2600m²的三層建筑物，因為沒有防火墻劃分防火分區，也無防火安全措施，在三層起火后，將該層建筑全部燒毀；而另一所宿舍占地1312m²，采用三道防火墻劃分了防火分區，火災后2/3的房間沒有被火燒毀。國外如英國、前蘇聯、日本、美國、澳大利亞等規范中均有關于防火分區的規定，其中澳大利亞的規范更為詳細。因此，從實際防火效果來看，也從防火設計審查來說，建筑的防火分區仍然是一項重要的指標，必須予以很好的保留，對一般建筑而言，應該嚴格遵守。

但我們也可以看出規范中最大的防火分區也只有6000m²，而目前一些地方出現的大型工業建筑面積往往達上十萬甚至幾十萬平方米，這些建筑如按傳統規范分區必然要將建筑化分成若干分區，在建筑功能上會受到不同的影響。這里需要著重說明的是：按照傳統的理解，設置防火分區就意味著采用防火墻、防火門窗、防火卷簾等分隔物對建筑空間進行分隔，從而將火勢限定在分區的范圍內。但是采取傳統的防火分區設置方式會使這類建筑在使用功能上大打折扣。事實上，若仔細分析防火分區的定義，防火分區的劃分還隱藏著另一層含義，即強調對“火勢發展范圍”的控制，也就是說控制火勢在限定范圍并不一定采取對空間進行實體分隔的方法（如設置噴頭），沒有必要片面追求被動的防火分隔。

通過上例可以看出，隨著建筑業的發展，傳統“處方式”防火規范已不能滿足新型建筑設計的要求，而性能化防火設計就能夠很好的解決此類問題。其實，要達到防止火災擴散和蔓延的目的有許多方法，如控制可燃物的數量、限制氧氣的供給等措施都可以防止火災大規模的蔓延，但是這些具體措施能否防止火災蔓延必須針對具體建筑。通過科學的計算分析，嚴格的理論或實驗證明可以達到阻止火災蔓延的目的，實際上這就是性能化防火設計的實質。

4　結束語

隨著我國經濟建設的高速發展，特別是我國加入世界貿易組織之后，各地均出現了許多不同類型的大型工業建筑，這些建筑無論從建設規模還是建設速度上都是前所未有的。因此建筑中所遇到的防火審查問題將會越來越突出。作為消防主管部門本身而言，必須改革現行的執法模式，修訂不適應新形勢的規范條文。但考慮到國情不同，自然條件不同，國外的規范又不能簡單完全照搬過來，同時各類建筑的結構形式千差萬別，傳統條文式規范的簡單修訂也很難適應這些建筑的多樣化的要求，所以性能化防火設計方法的推廣使用便是一條十分可行的途徑。建筑防火性能化設計是建筑設計方法發展的必然趨勢。以火災性能為基礎的性能化設計方法已成為世界各國建筑界與消防界的共識，目前，已有不少國家實行了防火性能化設計規范。我國的規范制訂部門也應盡快制訂出我國的性能化防火設計原則，通過法規的形式明確可以采用性能化防火設計建筑的具體條件，性能化設計的具體方法、步驟等，對消防審核部門進行具體指導。

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