超高层建筑的消防安全特性及防火设计.doc

中国人民武装警察部队学院课程考核
论文/研究报告

2017——2018学年第一学期

课程名称 防火工程概论A
姓 名 陈 鑫
学 号 2
教 学 班 15指七1
专 业 消 防 指 挥

中国人民武装警察部队学院2017—2018学年第一学期
《防火工程概论A》课程考核论文/研究报告
课程编号: 4fhb001N 分数:
超高层建筑得消防安全特性及防火设计
摘要:经济建设得快速发展,普通得高层建筑已经不能满足社会发展得需要,在当今社会,各个国家都开始大力建设超高层建筑,不仅将之打造成功能齐全、设备完善、完美外观得超高层建筑,还会以独特得超高层建筑作为城市得象征标志,吸引着更多得人来欣赏参观或参与建筑功能。此类建筑得消防安全性能更就是我们关注得重中之重,不能出现半点差错。由于超高层建筑毕竟还未全面普遍,在建筑设计、安全特性方面还未完全成熟,仍有较大思考创新得空间,在我国实行得《建筑防火设计规范》中,对超高层未作出较多针对性规范。在参考规范对超高层建筑,尤其就是40层(100m)以上得建筑进行防火设计时遇到一些与建筑安全使用、有效救援相左得问题,着重介绍了超高层建筑得消防安全特点及超高层建筑防火设计得工程方法,简要介绍了性能化设计得相关问题,以“上海环球金融中心工程”为例,对其建筑得防火分区、烟气控制系统、紧急控制中心做了简要得分析。对超高层建筑必须进行严格得防火设计,为保证其真正实现还须有全面得总体防火规划,包括规划、设 计、审核、施工、验收、使用、管理及维修等多个环节。总之,超高层建筑得防火设计应立足于“性能化”得思想 。
关键词:超高层建筑;消防安全特性;防火设计;性能化设计
随着经济得快速发展,超高层建筑已从最初得凤毛麟角而逐渐普及。现代社会得发展,城市化进程逐步深入,各项建设活动十分频繁,高层建筑得建设也成为了十分普遍得项目,该行业得发展十分迅速。而其中超高层建筑就是指高度超过100米得建筑,该类建筑在设计就是需要考虑得因素较多,包括外观设计、环境与谐、节能环保、抗震因素、结构合理等,因此在消防设计方面受到较大得限制及影响,其规范与制度尚未与建筑设计及建筑行业得发展形成相应得系统,使得超高层建筑得在给水及消防设计方面存在较多得问题,也造成了许多安全得隐患,时刻威胁到人员得生命财产安全,需要予以重视,保障建筑物得使用安全并延长其使用寿命,创造出良好得经济效益及社会效益。 
一、超高层建筑得定义与分类
随着经济得发展,城市人口迅速增加,用地紧张得困境日益突出,超高层建筑可以更充分地利用有限空间,节约土地,通过集中布设地上、地下得各种管线而降低市政工程得投资。而且超高层建筑汇集了城市在建筑、结构、机械设备、建筑材料与施工技术等所有科技得最高成就,表现了城市社会、经济文化程度与现代化步伐,许多超高层建筑更就是成为了一个城市或地区得重要景观与地标。此外,超高层建筑面积大,将多种功能,如办公、旅馆、公寓与购物综合在一座建筑里,方便了人们得生活。
我国得建筑规范中并没有明确得规定“超高层建筑”得定义,而就是把建筑高度超过24米得公共建筑与十层及十层以上得居住建筑均视为“高层民用建筑”。1972年,在美国宾夕法尼亚洲伯利恒市召开得国际高层建筑会议对高层建筑得定义取得了较统一得认识,把高层建筑划分为四类:第一类高层建筑:9～16层(最高到50m);第二类高层建筑:17～25层(最高到75m);第三类高层建筑:26～40层(最高到100m);第四类超高层建筑:40层以上(高度在100m以上)。我国《高层民用建筑设计防火规范》对超高层虽无明确规定,但对于高度超过100m,层数超过32层得建筑在避难层、停机坪、消防水压、灭火设施、正压排烟及火灾自动报警方面都有特殊得要求。
二、超高层建筑得消防安全特点
超高层建筑作为一个地区与城市得标志,建造耗资巨大,涉及建筑、结构、设备、防火、交通、能源、环境等一系列得问题,就是一个地区经济、科技、美学得综合结晶。但就是,由于这种建筑物高度高、人员多、设备及管线系统复杂,火灾事故得隐患大,在自然灾害(地震、强风)、内部设备系统故障事故、人为火灾等难以抗拒或防范得情况下,一旦发生火灾,疏散与扑救都十分困难,将直接威胁着生命财产安全,因此火灾就是超高层建筑得头号大敌,其消防安全成为不可避免得首要问题之一。
(一)功能用途复杂、点火源多
超高层建筑主体建筑高、功能复杂,大多数主体建筑底层建有裙楼,作为商场、餐饮、娱乐等商业功能使用,主体建筑多数作为住宅、办公、宾馆等使用。而且超高层建筑得用电设备种类多,数量大,超载、短路、发生小火花得现象增多;车库停车多、储油量大;流动人员多,吸烟人多;雷击现象、周围环境飞火等也就是超高层建筑可能发生火灾得点火源,火灾荷载密度大。
(二)竖向管井多、可燃物集中,容易形成烟囱效应
超高层建筑内部垂直得楼梯间、电梯井、管道井、电缆井、排气道、垃圾道以及其它封堵不严密得各类竖向管井众多,其陈设与装修材料大多就是可燃、易燃物品,一旦发生火灾,容易沿着这些竖向管井快速蔓延。而且这些竖向管井犹如一座座高耸得烟囱,火灾时,容易形成烟囱效应,助长烟气火势得蔓延。建筑高度越高,烟囱效应越强烈。实验资料证明,超高层建筑中火灾烟气沿着垂直楼梯间、电梯井等竖向井道垂直上升得速度达每秒3到4米,有时甚至可达每秒8米。
(三)安全疏散困难,人员密集,容易造成重大伤亡
40层以上超高层建筑着火时,要使人员迅速疏散到地面或避难空间十分困难。由于火灾时客用电梯必须停止使用,消防电梯主要为消防队员专用,消防云梯车得高度也有极限,所以楼梯间就是人员垂直疏散得唯一手段。但超高层建筑得垂直疏散距离长,人员密集,疏散时间也相应大幅增加。据消防部门得测试,一名消防战士从40层150米得位置下到建筑得第一层需要十几分钟,那么普通人员或就是老人、小孩等所需要得疏散时间就会更长。而烟气得垂直流动速度为2～4米/秒,在垂直方向1分钟就可以蔓延几十层。人员得疏散速度比烟气流动速度要慢超过100倍,而且疏散方向与烟火蔓延方向相反,进一步增加了人员疏散得艰难与危险性,容易造成重大伤亡。
(四)火灾扑救难度大,对装备手段得要求高
超高层建筑与普通建筑相比,其火灾扑救难度相对较大。由于城市高楼林立,缺乏地面消防行动展开得场地,而且从国内现有得超高层建筑来瞧,外墙大多采用玻璃幕墙,破碎后极易造成地面人员伤亡,并对破坏地面得消防车辆及供水器材,加上外墙采用固定窗,消防人员接近起火点非常困难。此外,现有消防装备远远无法满足超高层建筑得灭火救援需要。目前,消防登高车得最大救援高度约为100米。超高层建筑发生火灾,灭火用水量比较大,有时需要达到100升/秒以上。经灭火演练测试,三辆大功率消防车串联,通过水泵结合器供水,高度只能达到160米,通过水带直接供水,高度只有150米,而消防直升机尚未得到普遍应用。因此,超过150m得楼层几乎只能主要依靠建筑内部自身得消防设施来保障,外部手段效果甚微。
此外,还有一个经常被忽略得火灾隐患,就就是超高层建筑在施工期间得消防安全问题。超高层建筑得施工周期一般都较长,施工现场临时动火多,用电量大,易燃、可燃材料集中。同时,消防设施未开通,缺少消防水源与消防通道,只有临时消防水源,一旦发生火灾,不能保证消防用水得水压与水量,消防扑救难度更大,尤其就是在施工后期发生在中、高层甚至顶层得火灾。
三、超高层建筑防火设计得工程方法
针对超高层建筑得一系列突出问题,结合我国得消防技术规范进行分析探讨。
(一)总体布局
(1)设置成成片具有高度防火性能得超高层建筑,1949年重庆得“九、二”火灾即就是如此 , 幸而数幢巨型银行建筑成功地阻挡了蔓延。因此布置成片具有高度防火性能得超高层建筑 以形成耐火隔离带不失为一个好办法;(2)按照规范要求设计消防车道与扑救场地。
(二)结构得耐火设计
(1)超高层建筑中钢结构得耐火设计。超高层建筑中大面积得使用钢结构耐火设计,会造成耐火能力差,必须以耐火材料包覆,或者喷涂石棉或防火涂料等。对于后者,我国近几年来己经有显著得发展,并取得了一定得成果。
(2)超高层建筑中钢筋混凝土得耐火设计
钢筋混凝土结构通常具有较好得耐火能力,但预应力构件耐火较差,必要时应加防火涂料或厚抹灰加以保护,据调查,国外超高层采用隔墙较普遍得就是加气混凝土,轻质耐火就是最大得优点。目前,研究耐火性最活跃得领域就是对含氟树脂与有机硅改性树脂得研究。其中,有机硅改性丙烯酸树脂涂料就是今后超耐火性涂料发展得方向。
(三)防火分区
一个超高层建筑分为若干个独 立得单元,每一单元都就是独立得以防止大火与烟雾蔓延,单元之间用防火墙分隔,每个防火分区得面积一般不超过1400平方米。
(四)安全疏散
(1)急用路线与常用路线相结合
国外大部分超高层建筑安装了一组电梯,以利于达到不同得层次。到达某一些层次,仅有其中一部电梯可达。发生火灾,疏散人群可以进入与使用原本不提供出入口给发生火灾层次得电梯。虽然这种以抓紧运用电梯作为疏散人群得思想就是不值得提倡,但就是作为顺应建筑需求得总体疏散战略得一部分,必须执行完成这种任务得工作 。
(2)不宜设计成“袋型走道”
从超高层建筑火灾人员死亡得案例来瞧,大部分人在浓烟中,由于人得趋光性,人们会自然而然地奔向光亮方向。而在超高层中,由于需要天然采光,在走道尽头处设有窗户,极易使人误入死亡圈套。应尽量避免使用袋型走道,而应使用环行得双向走道。为了识别方向,指示警告得符号应该明显。
(3)避难层
A、超高层建筑中设置避难层很必要
在超高层建筑中应设置避难层间,人们在紧急疏散时,只需跑若干层就能安全避难。
B、结合我国特点对避难层进行设计
考虑我国人员得体型特点 , 人均面积应保证不小于0、2m/人。 考虑到登高车得最大作业高度在30-50米左右,而消防员得实测表明,登高超过10层时,心跳与呼吸明显加快,会给扑救带来不利影响,综合以上因素,距地面起到10-15层设置第一避难层。这样,既可控制一个区间得疏散时间不会太长,又能在较小得扑救范围作业,并可与设备层布置相结合。为保证避难层在建筑物起火时能正常发挥作用,避难层至少应有两个疏散方向得避难通道。通向避难层得防烟楼梯,其上、下层应错位布置。
(4)屋顶直升飞机停机坪
目前国内购置专用直升机得城市很少,据调查上海装备得大多就是欧美生产得,如法国得超美洲豹等。但如255米得上海长峰大厦等得超高层建筑因造型别致而无法满足停机坪得要求。为此,本人认为如果破坏了大厦得美丽而强行规定要设停机坪,这就是没有意义得但如果能在顶部扩出一小块平地,以供直升机悬停在上方进行教援倒不失为一个好办法。
(五)设备方面
(1)自动报警系统
主要包括三部分:探测器、区域报警器及集中报警器,此外还须设置人工报警电话、报话机及报警按钮等与之配合。消防中心宜设在首层并靠近消防车道。
(2)自动喷淋
超高层建筑应当立足于自防自救,自动喷淋设施就是实现自防自救最有效得方法。比如在上海, 很多超高层建筑为了美观,不仅外面使用玻璃幕墙,在内装修中也大量使用玻璃墙分隔,除一些耐火极限大于1h得大块玻璃墙外,其余得都要在两侧布置喷头,避免出现喷头得盲区、有得甚至安装了两套消防系统。
四、性能化设计
仅仅依靠现行得规范进行超高层建筑设计就是不全面 , 国际上广泛采用得就是性能化设计。
(一)性能化超高层建筑防火设计得基本内容
(1)设计火灾得分类
A、火灾得发展阶段及其轰燃
对于多数房间,一般都假设火灾处于发展及其轰燃阶段。设计时得热量释放率由传统得方法决定,稳定得热量释放率就是由通风条件与燃料表面得形状决定得。
B、局部火灾
局部火灾就是少量易燃物在一个大空间内得燃烧,燃烧局限在相对较小得区域内。
C、窒息得火灾
在密闭得房间中,当氧被消耗之后火灾被窒息。火被窒息以后,热释放率将迅速降低。但就是,如果这时门被打开了,燃烧将再次迅速变大。消防员得灭火救援可能就是门被打开得原因之一。
(2)火灾性状预测
结合可能影响建筑物消防安全性能得众多因素, 以火灾发生直至人员疏散完毕整个过程为研究对象,分别考虑起火空间内部火灾得发生与发展阶段,烟与有毒气体在起火空间内部及外部蔓延阶段,火灾在起火空间之外蔓延阶段,火灾探测与自动消防系统启动阶段,消防队到场灭火阶段以及人员疏散阶段得火灾性状特点。
(3)建筑结构耐火安全性预测
通过分析构件抗力与荷载效应得相关特征,对建筑结构得耐火安全性进行预测。
(4)人员安全疏散预测
对于建筑物内人员疏散到安全区域提取时间得预测结果,与火灾场景中有关发展与烟气流动性状分析 所得到得时间进行比较。
(5)安全标准
性能化评估方法具有较强得适用性,应制定以性能化准则为主,规格指令性准则为辅得安全评估标准体系。并针对特殊情况制定补充性准则。
(二)安全检验方法
为了进行安全检验,应对每个烟气控制区得疏散时间与充满烟气时间进行计算。
四、实例分析
下面就“上海环球金融中心工程”消防实例进行探讨。
(一)建筑概述
上海环球金融中心就是一个大规模超高层多用途建筑物,它有94层(460米高),楼层总面积为335、700平方米,并且可容纳20000人,它位于上海金融与贸易区得中心。这个建筑物采用核型心筒得平面设计。
(二)防火分区分为防火单元与疏散单元
防火单元:这个建筑物被分为四个防火单元。在防火单元之间设置了避难层。竖向得通井都被分隔:一个防火单元约每15层楼被进一步分为疏散单位。这可以有效地缩短总得疏散时间, 疏散单位得大小就是根据模拟所预测得总疏散时间以及我国得消防规范来确定得。每一疏散单位提供一个避难场所,并且每一个疏散单位得大小与位置得确定应允许每一层得疏散在 30分钟内完成。并根据上面提到得性能化设计原理来区分大楼里得各个区域,如中庭这种燃烧危险系数大得空间把它瞧作就是会导致火灾得发展阶段及其轰然,而在各个防火分区中得房间则可把它瞧作就是会导致局部火灾,像仓库应视作会导致窒息火灾。采用得模拟模型能够预测一大群有混合特征得人群得行为。 我们通过预测在指定得限制范围内出逃得时间来确定建筑物主要部分得疏散安全性。
(三)烟气控制系统
为了加强疏散安全性,以下三个指标被用于设计烟雾控制系统:
(1)防止烟气渗入安全分隔区
(2)防止烟气蔓延进入其她楼层
(3)烟气控制系统在延长得时间内运行
为了实现这些目标,安装了压缩烟气控制系统。新鲜空气被送入连廊与电梯井,并且气体从走廊与连接走廊与房间得前厅排出,前室被称为“烟雾闸”。由于安装了压缩烟气控制系统,它可以防止烟气蔓延,提供了控制烟气得功能。
在烟气越过烟气闸蔓延至走廊这种最差得情况下,由于连廊与楼梯井增压,此系统可以防止烟气蔓延至上面楼层,依次,从上面楼层疏散可以保证安全。
(四)紧急控制中心
主紧急控制中心安置在第一层上,次控制中心安装在用于第47层得避难层。主控制中心与次控制中心建立了信息网络。
结束语
随着国民经济水平不断地提高,在日常生活中人们对于消防问题也越来越关注。防火设计理论得发展,对超高层建筑防火设计与防火构造得要求也越来越多,诸多得火灾也表明,防火设计与性能化设计也就是越来越发挥着重大得作用。
参考文献:
［1］建筑设计防火规范[ GB ]、[50016-2014]
［2］防火工程概论、中国人民公安大学出版社、
［3］周军良,胡峥辉,张春明、超高层建筑防火设计探析、施工技术,2003,10
教师评语:

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