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基于性能化安全标准的建筑防火设计——以上海浦东某家居商业广场为例_杂志文章
基于性能化安全标准的建筑防火设计——以上海浦东某家居商业广场为例
发布时间:2018-04-26浏览次数:223返回列表

陆德伟

中图分类号TU892

文献标识码B

文章编号1003-739X-( 2010) 06-0046-04

摘要该文针对国内建筑防火设计现状,根据上海浦东某家居商业广场性能化防火设计实例,具体阐述和探讨了性能化防火设计的方法和发展思路。

关键词性能化防火设计安全标准

1性能化防火设计思想的引入

目前建筑防火设计有两种设计思想,一种是传统的满足规范规定性指标要求的方法,按照规范对防火设计的明确要求,对建筑防火系统进行设计,已经广泛采用,产生了良好效果;另一种是性能化防火设计方法,它立足于火灾危害分析及火灾发生发展的假想,有利于解决复杂建筑的消防设计。消防安全是一个整体,孤立设计、以满足消防规范为第一的传统设计手法决定了其不可能满足建筑使用要求,必然要引入以满足消防安全为先导的性能化防火设计方法,解决建筑多元化、复杂化带来的消防安全难题,同时火灾探测与扑救的智能化、自动化和消防技术的革新为性能化防火设计提供了现实条件。20世纪80年代起发达国家对此投入了大量研究,建立了性能化防火设计相关规范和方法,性能化防火设计思想已经发展成为火灾科学研究和应用的热点。

1.1防火设计发展的需求——现行消防技术规范的局限性

我国现行消防规范建立在大量建筑火灾事故的经验教训基础上,是长期的火灾科学研究试验和消防实践的结晶,具有很强的可靠性与针对性,可操作性强,便于设计遵循,能够有效保证消防设计安全,但在实践中也存在以下的局限性:

·现行技术规范未涵盖和明确规定一些特殊、大型项目。随着社会经济、技术的快速发展,建筑大型化,技术综合化,体量高大,功能复杂,规范存在滞后性。

·现行规范包含越来越繁复的限制性条文,却缺乏统一明确的消防安全度标准,安全性能的目标反而弱化了,容易造成消防投资的片面和浪费。实践中个别设计者罔顾设计的合理性和防火原理,存在设计僵化、牵强附会、生搬硬套条文的现象。

·某些条文实施确有困难,存在与实践相脱节的现象。由于规范编制与管理单位主要是公安消防部门及其下属研究机构,专于火灾研究,一般缺乏建筑设计实践经验,少数条文不能结合实际,在不同规范之间或同一规范的不同条文之间经常出现矛盾、逻辑混乱、表述模糊等。

·在一定程度上阻碍设计、技术的创新。限制设计者创造力的发挥,使建筑设计千篇一律,不利于新消防技术和产品的采用,很难满足技术进步的要求。

由于以上原因,消防规范经历了频繁的修订,并且继续面临修订的压力,这在一定程度上影响了规范的严肃性、权威性,削弱了执行力度。

1.2防火设计理念的革新——性能化防火设

计的基本思想

性能化防火设计是基于消防安全标准上的一种新的防火设计理念,关注于具体安全目标的实现,不拘泥于规范的限制性规定。它根据建筑物的具体情况,运用工程分析和计算机模拟量化分析计算,分析可燃物的燃烧特性与分布、火灾成因与发展过程、烟气蔓延过程、消防设施的配置运作、消防救援系统、安全疏散系统,判定设计对象在假设火灾场景下(通常为最不利情况)应该达到的消防安全指标,从而由设计者确定防火措施,实现最优化的消防安全设计方案。设计人员在保证消防安全的前提下,可以根据不同的建筑功能和性能要求,使用成熟的评估工具来分析在不同的火灾状况下建筑的防火安全性能,灵活采取更加切实有效的方法,达到拯救生命、减少火灾损失、节省消防成本的目的。

1.3实践的呼吁——浦东家居商业广场防火

设计的需求选择

上海浦东某家居商业广场防火设计地下两层,地上六层,总建筑面积达24hm2,属高层建筑,特大型商业中心。地下二层为汽车库,地下一层至地上六层均为家居商场,标准层平面尺寸达195.5m×161.5m,并且从地下一层到地上六层由环廊围合成多个共享的开敞空间,人员与货物集中,火灾负荷大,火灾危险性大。很明显底层平面人员疏散距离远超30m,无法满足规范要求,同时即使在底层采用扩大防烟楼梯间前室设计,居中部分疏散楼梯间也不可能直通室外安全出口(图1)。建筑多处超出消防规范要求,需要通过性能化设计实现消防安全。

2浦东家居商业广场的性能化防火设计 过程

性能化防火设计包括两项内容,即保证建筑内人员安全疏散的性能设计,保证建筑构件耐火的性能设计。应根据火灾发展与烟气运动规律、建筑空间结构和人员疏散的特点结合分析,分别计算建筑火灾发展到对人构成危险所需的时间( ASET)和从火灾发生到人员疏散至安全场所需要的时间(REST),比较这两个特征时间,来确定建筑物防火设计是否达到性能化防火中人员安全疏散的要求。为达成消防安全设计目的,应遵循一定的防火设计流程,根据上海市消防安全性能化工作实施细则,浦东家居商业广场的消防设计过程和RJA消防技术咨询(上海)公司所做的半室外空间烟气控制及人员安全疏散分析报告,大致可以分为4个基本阶段。

2.1设计准备阶段

本阶段确定性能化防火设计的工程范围与内容,一般只需对建筑物一项或某几项内容进行性能化分析,但需要对建筑物的使用功能、环境、工艺特征和人员特征进行研究,建立合理的消防安全目标,并将消防安全目标转化为定量的性能判断标准,以实现防止火灾和控制火势扩大、保证人员疏散安全、提供灭火救援条件为防火设计的最终目的,提高消防投资效率。

浦东家居商业广场从地下一层到地上六层由环廊围合成数个大型共享空间,形成一个贯穿整个商场的下沉式广场,为营造舒适的购物环境.准备在共享空间项部设高出屋面5m的顶棚。环廊区与营业区之间连通口较多,当火灾发生时,烟气会扩散至整个楼层,并且上升的烟气在上部形成烟气层,会以一定的速度下降,影响人员疏散和消防救援活动,大量火灾事例已经说明烟气中毒与缺氧窒息是火灾中人员伤亡的主要因素。本工程共享空间总高度达41.6m,在底层有入口大厅等自然补风口,在顶棚侧壁设计自动排烟窗后,可形成合理的气流组织(图2)。

通过以上分析,本项目需要通过性能化防火设计重点解决下列问题:a环廊与营业区防火分隔的安全性;b预测烟气对安全疏散的影响,确定共享空间达到半室外空间性能要求的烟气控制方案,解决大空间防排烟设计难题:c解决疏散距离超长问题,计算全楼人员疏散时间,分析危险来临时间,评估疏散性能。

火场中影响人员疏散安全的能见度、毒性、热辐射和热对流,其中任何一个参数不满足其判定标准,则此时的环境就对人员产生严重影响。本项目采用以下疏散性能指标(表1)。

2.2量化分析阶段

本阶段要选择合适的定量分析方法,建立计算机模型;确定代表性火灾场景与相应的火灾变化曲线,分析建筑平面布局、火灾荷载及分布、人员分布与状态、环境因素;通过场模拟和区域模拟,对假想火灾场景进行量化分析和模拟计算。人员能不能在遇险之前从建筑内最不利位置疏散到安全地点,即ASET>REST,决定了人员是否能够安全疏散。两者可以分别从火灾场景模拟过程和人员安全疏散模拟过程得到,如果疏散所需时间小于危险来临时间,则疏散是安全的。

(1)火灾危险性分析与火灾场景假设

浦东家居商业广场在性能化量化分析阶段首先对环廊空间与商铺区分隔的安全性进行分析,分析验证17m宽环廊区形成防火隔离带的具体要求,通过热辐射模型计算隔离带需要的有效宽度,保证一侧商铺火灾时火焰不会辐射蔓延引燃环廊另一侧商铺,经计算两侧商铺间距最小隔离宽度应满足9m,实际设计环廊区宽度17m,共享空间洞口宽度10m,两侧走道各宽3.5m,可以保证防火隔离带的有效性。环廊区按2000m2上限划分防烟分区,顶棚下设火灾时自动下降的无机布质挡烟垂帘,顶棚底部四周侧面采用自动排烟窗。

采用美国NIST开发的FDS火灾模拟软件模拟火灾场景,假设临近环廊的一个商铺发生火灾,可燃物面积为40m2,火灾初期喷淋系统失效,火灾立即增长并将潜伏期忽略,火灾规模达到20MW峰值,烟气蔓延到环廊,并通过孔洞在垂直和水平方向蔓延,非常保守地设定火灾场景如表2。

(2)对危险来临时间(ASET)的分析预测

在危险来临时间的分析计算中,为保证计算精度,建立FDS模型时,模拟区域包括了整个建筑空间,划分了精细的模型网格,准确定义首层开口区域气流。分别对自动排烟窗16%、20%、24%、28%的开窗比例进行试算,通过模拟计算,当自动排烟窗面积达到顶棚投影面积28%时,在模拟的1200s时间内,环廊区大部分烟气基本被控制在顶棚储烟仓内,顶棚下方的共享空间形成半室外空间,模型中温度、可见度、烟气浓度满足疏散安全指标,能保证火场一定的安全性,可供地下一层至六层人员安全疏散及消防救援行动。FDS模拟结论:浦东家居商业广场的防火设计可以保证人员安全疏散的时间超过1200s,即ASET≥1200s。

(3)人员紧急疏散设定

运用STEPS软件分析人员在紧急状态下的疏散状况。STEPS软件可以模拟办公区、体育场馆、购物中心等人员密集场所在正常和紧急情况下的快速疏散。浦东家居商业广场标准层划分为1 2个防火分区,设计21部防烟楼梯间,环廊区半室外空间单独设6部楼梯,室内均设火灾报警系统和自动喷淋灭火系统。固定铺位、营业厅、走道人数和疏散宽度计算依据上海市地方标准《大中型商场防火技术规定》(沪消发[2004] 352号)的要求计算,得到各防火分区人员总数《表3)。

在软件中商场楼层平面被细分为网格系统,将墙壁等阻挡物加入作为边界或障碍物,设置为实心格,空地设置为空格:将行人加入网格环境,每个空格可站1人:对模型内每个人员与周边疏散出口计算分值,疏散距离、对出口的熟悉程度、出口附近拥挤程度、出口宽度都计八分值,分值越高则人员选择该方向疏散出口的概率越大:楼梯用倾斜面或连接线连通:可以直观表示人员在模型中按照疏散规则的移动情况,并且根据行人拥挤状况,自动对行人的行走速度进行调整;对营业人员、工作人员、顾客等不同人群可以按年龄、性别分组定义其步行参数和延迟时间等属性,在本模型中只模拟了有行动能力人员,残疾人假设通过帮助逃离。

(4)疏散安全分析及评价

通过STEPS对疏散的仿真,可以直观了解人群的运动信息,对设计进行优化并评估疏散效果。人员疏散计算时间包括:火灾探测与报警时间、人员感知与反应时间、人员疏散行动时间。根据本项目家居商业性质、各防火分区计算人数、各防火分区安全出口分布与宽度,通过STEPS软件得到模拟火灾时各楼层人数按时间变化的图片,计算出人员疏散时间,验证人员疏散安全控制标准。图3为最不利楼层——六层在不·同时间人流分布和人数变化图。

模拟结果显示:从商场的任何一点都可以通过疏散通道安全疏散:不受到火灾中的烟气和火焰的侵害:不熟悉的人员容易找到安全的疏散通道:未发生过度的滞留或排队现象。根据模拟结果,疏散行动时间为249s,考虑到不确定因素,再乘以1.5倍的安全系数,报警时间与人员准备时间均按保守考虑,火灾探测与报警时间假设为60s,人群的延迟时间取120s,人员安全疏散计算时间REST =249×1.5+60+120=554s,未超过FDS模拟的火灾场景下火场能够提供的人员安全疏散时间ASET=1200s,并留有充足的安全余量(表4)。

2.3制定和评估消防设计方案

分析时可提出一系列初步方案,然后对此进行评估,产生可接受的备选方案,这是一个不断反复的过程:例如是否增加报警系统、自动喷水系统、变更不同耐火性能的建筑材料、更改通风排烟设计和疏散楼梯的布置等,评估时以方案是否达到消防设计安全目标为根本依据,最终产生优选方案。通过反复优化,结合本商业广场火灾危险性,除常规防火措施外,从设计、管理等方面采取如下措施:

①维持首层入口的畅通,投入运行后禁止在这些部位设置隔断,严禁在地下一层至六层的环廊处设置任何展位或可燃物。

②临环廊商铺采用C类防火玻璃隔断,商铺门亦采用同类玻璃门或乙级防火门。

③环廊和商铺的喷淋系统在湿式报警阀处应分开。

④自动排烟窗应在顶棚两侧均匀布置,火灾时可自动打开,也可由消防控制室远程开启,面积不小于顶棚投影面积的28%。考虑到由于维护不当在火灾时部分排烟窗可能失效,适当增大了排烟窗面积。

2.4编制设计文件报告

由于目前相关规范和操作规定的滞后,性能化防火设计不能以明确的规范条文为依据,编制分析报告就显得十分重要。报告要对建筑物进行建筑、环境和人员特征的研究,说明进行性能化设计评估的范围及必要性,建立消防安全目标及性能判据,模拟和分析火灾场景,确定火灾危险和可能的后果,建立疏散策略,使用合适的量化分析工具,分析与比较结果,并提出与消防设计方案相对应的限制条件、消防安全管理要求。总之,报告内容要概括出性能化设计全部过程,说明设计意图、使用工具与方法、设计方案的细节,并且符合审查机构和业主的要求。

3浦东家居商业广场性能化防火设计的 若干启示

从浦东家居商业广场设计过程可以看到,性能化防火设计不仅能弥补规范疏漏和解决消防难题,而且能够提高防火设计针对性,节省消防投资,实现建筑技术、安全、经济的统一。考虑到性能化防火设计的时效性与可行性,推动性能化设计的措施可以归结为以下几点。

3.1共同发展观:性能化防火设计与传统规

范本质上的统一性

·性能化设计是建立在规范要求的基础上,作为规定性指标的补充,这意味着一幢建筑不可能全部只进行性能化设计,不遵守规定性指标。

·两者目标一致,可以互相验证,相互转化。性能化的归纳、总结成规律可形成规定性指标;规定性指标的细化、量化、数据模型表述也可转化为性能化标准。

·两者互补共存。性能性设计适用于新型、特殊的建筑设计,规定性指标适用‘于常规、普通的建筑设计。

3.2按部就班:技术标准、操作规章的配套

与设计流程的遵循’

性能化设计思想是火灾科学和工程安全发展的产物,但其实施尚缺乏明确的法律依据,技术标准不够统一且缺乏验证。可以借鉴建筑节能、抗震设计等领域做法,在现行规范中增加防火性能和安全目标的内容,作为对其它规定性条文的补充,把规范条文分为规定性指标内容和性能化安全标准内容,在此基础上,建立消防安全的量化标准,形成比较完整的技术标准体系。同时立法明确性能化防火设计的适用范围、监督审批程序、从业单位和人员的资格及应承担的法律责任、工程竣工验收程序等方面的内容,以法律法规的形式固定下来,使之有法可依,有章可循。

3.3集中管理:明确限定应用范围

为弥补现阶段性能化防火设计技术上存在不成熟可能带来的潜在风险,目前宜仅应用于超出现行技术规范适用范围的或依照现行规范进行设计确有困难且火灾危险性大的建筑,如大型的车站、机场、体育展览建筑和空间高大的商场等。对既有建筑的改造也可以运用性能化防火设计方法对消防安全状况进行评估,提出应对策略,消除火灾隐患。防止单纯把性能化防火设计作为突破强制性技术规范的工具,超范围滥用。应尽早介入建筑设计过程,避免防火设计出现根本性缺陷。有的建筑木已成舟,严重违反规范,建设单位试图用性能化防火分析对工程作些细节改动,通过消防验收,已经悖离了性能化防火设计的目的。

3.4加大研究:夯实性能化防火设计理论

基础

运用计算机进行火灾模拟分析已经成为火灾风险评估、性能化防火设计的重要手段,目前国内使用的烟气模拟、疏散模拟和火灾功率计算软件如FDS、 FLUENT、SIMULEX、STEPS等基本都是国外开发的产品,模型的基本假设、对火灾行为和火灾中人的行为的量化,都建立在国外的参考数据和标准基础上,缺乏国内的相关数据和标准验证,没有经过全面验证。由于火灾过程的复杂性,需要加强火灾规律的研究,加快我国的火灾数据库建设,为各种火灾预测、风险评估模型提供理论基础,希望及早开发出适合我国国情的、拥有自主知识产权的性能化分析工具。

参考文献

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3黄镇梁期待建筑防火设计制定系统的安全性能标 准和设计导引建筑学报,2008 (6):78-79

4安庆新实例与分析一现代体育场馆的性能化安全疏 散设计华中建筑,2006(7):82-85

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