大型倉庫防火分隔帶設(shè)計(jì)和預(yù)期財(cái)產(chǎn)損失研究

張 軍，周德闖，汪 箭＊

（1.合肥市消防支隊(duì)，合肥，230061；2.中國科技大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026）

0 引言

為滿足現(xiàn)代建筑在保持其功能性、美觀性設(shè)計(jì)的同時(shí)不降低消防安全水平的要求，建筑防火性能化設(shè)計(jì)方法已在許多國家得到應(yīng)用［1］。倪照鵬［2］指出，英國于1985年完成了建筑規(guī)范，包括防火規(guī)范的性能化規(guī)定。新規(guī)范規(guī)定“必須建造一座安全的建筑”，但不詳細(xì)規(guī)定應(yīng)如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。因此，根據(jù)這樣的規(guī)定，只要建筑審核官員認(rèn)為設(shè)計(jì)所采用的消防措施能提供不低于規(guī)格式規(guī)范規(guī)定的安全水平，建筑設(shè)計(jì)者就可以采取任何消防措施。何亞平［3］指出，如果火災(zāi)危險(xiǎn)性增加后，能夠采取其他消防強(qiáng)化措施，使得建筑的防火等級(jí)不低于火災(zāi)危險(xiǎn)性，即安全裕度大于零，那么這種情形也是可以接受的；防火等級(jí)與火災(zāi)危險(xiǎn)性之間的關(guān)系，類似于承重能力與荷載的供求關(guān)系。

大型倉儲(chǔ)物品庫具有面積大、物品堆積密集等特點(diǎn)，建筑結(jié)構(gòu)的特殊性、空間規(guī)模的超大性、火災(zāi)荷載的可變性使其火災(zāi)特性有別于普通建筑。對(duì)于普通公共建筑來說，人員安全是消防設(shè)計(jì)的首要安全目標(biāo)［4］，而對(duì)于大型倉儲(chǔ)物品庫，由于其內(nèi)部一般僅僅存在少量員工，這些員工通常對(duì)倉庫道路和出口的布置較為熟悉，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)能較快撤離到室外安全地點(diǎn)。鑒于大型倉庫主要功能是存儲(chǔ)貨物，因此除了要保障人員安全外，防止火災(zāi)在倉庫內(nèi)的大面積蔓延，降低火災(zāi)的財(cái)產(chǎn)損失也極為重要。本文結(jié)合某大型倉庫的消防性能化設(shè)計(jì)實(shí)例，通過對(duì)防火分隔帶的計(jì)算和火災(zāi)預(yù)期財(cái)產(chǎn)損失的定量分析來評(píng)價(jià)其消防安全水平。

1 項(xiàng)目概況

該大型倉庫為單層結(jié)構(gòu)，建筑面積為145279m2，包含冰箱生產(chǎn)車間、收料倉庫、出料倉庫及相關(guān)周邊配套設(shè)施等，建筑耐火等級(jí)為二級(jí)。按照項(xiàng)目基本工藝對(duì)倉庫建筑面積的要求，收料倉庫占地面積達(dá)到15360m2才能滿足冰箱產(chǎn)品堆放的基本需要，其中大部件倉庫建筑面積達(dá)到9600m2，小部件倉庫建筑面積達(dá)到5760m2，才能滿足物流的基本要求，每個(gè)區(qū)塊內(nèi)初始設(shè)立的防火分隔帶寬度為6m?；竟に嚰拔锪鲗?duì)收料倉庫及區(qū)塊面積的大小要求如圖1所示。

圖1 工藝和物流對(duì)收料倉庫的面積要求Fig.1 Space requirements of processes and logistics on the warehouse

按照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范 GB 50016－2006》第3.3.2條和第3.3.3條的規(guī)定［5］，設(shè)置自動(dòng)滅火系統(tǒng)的單層倉庫的最大允許占地面積為12000m2，單層倉庫每個(gè)防火分區(qū)的最大允許建筑面積為3000m2。該大部件收料倉庫占地面積已達(dá)到15360m2，最大防火分區(qū)的面積達(dá)9600m2，占地面積和防火分區(qū)面積均超出國內(nèi)消防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。如按規(guī)范劃分防火分區(qū)，則不能滿足本項(xiàng)目的工藝要求，因此需采用性能化方法進(jìn)行消防安全設(shè)計(jì)。

基于“性能化設(shè)計(jì)倉庫安全水平不低于處方式設(shè)計(jì)倉庫”的設(shè)計(jì)理念，即如果采用替代的消防安全設(shè)計(jì)方案能夠達(dá)到不低于現(xiàn)行規(guī)范要求采取的消防措施所能達(dá)到的安全性能，則這樣的替代設(shè)計(jì)方案也應(yīng)該是可以接受的。把這個(gè)設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到本項(xiàng)目中，可以理解為兩點(diǎn)含義：第一點(diǎn)，本項(xiàng)目倉庫防火分區(qū)面積超出規(guī)范要求，如果采取其他消防加強(qiáng)措施，現(xiàn)有性能化設(shè)計(jì)倉庫的安全水平不低于處方式設(shè)計(jì)倉庫的安全水平，即現(xiàn)有倉庫的火災(zāi)危險(xiǎn)性不高于處方式倉庫，那么這是可以接受的；第二點(diǎn)，本項(xiàng)目倉庫在進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)后，需要達(dá)到建筑的防火等級(jí)不低于火災(zāi)危險(xiǎn)性，即安全裕度大于零。作為兩點(diǎn)含義的論證依據(jù)，為達(dá)到人員安全疏散和降低火災(zāi)損失的目標(biāo)，還需將安全目標(biāo)進(jìn)一步描述為設(shè)計(jì)目標(biāo)，例如：通過設(shè)置防火分隔帶，阻止火災(zāi)在堆垛之間的蔓延、減小火災(zāi)規(guī)模；噴涂防火涂料，加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)耐火保護(hù)，延長鋼結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間等。篇幅所限，本文以大部件收料倉庫為例，對(duì)大型倉庫進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，分析噴淋系統(tǒng)失效情況下的火災(zāi)發(fā)展事件樹，對(duì)防火分隔帶設(shè)計(jì)的有效性和預(yù)期財(cái)產(chǎn)損失進(jìn)行分析。

2 防火分隔帶的設(shè)計(jì)

2.1 火蔓延規(guī)律及熱釋放速率分析

經(jīng)危險(xiǎn)源辨識(shí)［6］，該收料倉庫內(nèi)的第Ⅰ類危險(xiǎn)源為冰箱，包括冰箱外殼紙包裝和冰箱材料不發(fā)泡塑料，火災(zāi)荷載較大。第Ⅱ類危險(xiǎn)源為電動(dòng)拖車和電動(dòng)叉車電氣起火，以及生產(chǎn)管理人員攜帶的帶電設(shè)備和人員的誤操作和違規(guī)行為等。倉庫中的冰箱主要以堆垛形式存放，火災(zāi)在堆垛內(nèi)沿著排列的傳播蔓延如圖2抽象表示，其中每個(gè)格子代表一組單元（9個(gè)冰箱）。假定起火點(diǎn)位于堆垛側(cè)邊為A處的一組單元，起火之后，火災(zāi)會(huì)沿橫向和豎向方向分別向其兩側(cè)蔓延。按單元被引燃的先后順序?qū)⑺袉卧纸M，火焰蔓延的先后順序可表現(xiàn)為A→B→C→D→E→F→G→H。由此可以看出，火災(zāi)在堆垛內(nèi)蔓延首先呈金字塔狀蔓延，然后呈斜屋狀蔓延，直至蔓延至整個(gè)堆垛。

圖2 單元A起火后，火災(zāi)在堆垛內(nèi)蔓延Fig.2 The order of fire spreading from unit A

以EFRA［7］開展的單個(gè)冰箱的燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，每組單元（9個(gè)冰箱）的熱釋放速率約有1.62MW。假設(shè)一個(gè)堆垛的火災(zāi)熱釋放速率基本等同于將各時(shí)間段中起火單元熱釋放速率曲線的疊加結(jié)果，按照快速t2火［8，9］的設(shè)計(jì)方法，本項(xiàng)目大部件收料倉庫中最大一個(gè)堆垛在1473秒時(shí)可達(dá)到最大熱釋放速率102MW。

由于收料倉庫危險(xiǎn)性等級(jí)為倉庫危險(xiǎn)級(jí)II級(jí)，建筑最大凈高13.5米，故采用K＝360，74℃，端壓力0.45MPa的ESFR快速反應(yīng)噴頭，按照國際慣例12個(gè)噴頭進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算流量為158L／S，火災(zāi)延續(xù)時(shí)間為1小時(shí)，該參數(shù)高于《自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50084》標(biāo)準(zhǔn)［10］。噴淋系統(tǒng)會(huì)顯著影響火災(zāi)熱釋放速率的大小，如果噴淋系統(tǒng)有效，早期火災(zāi)將被抑制，此時(shí)受損的冰箱數(shù)量很少。如果噴淋系統(tǒng)失效，那么火災(zāi)會(huì)增長到一個(gè)堆垛的熱釋放速率；如果噴淋系統(tǒng)失效、防火分隔帶也失效，那么火災(zāi)將會(huì)蔓延至整個(gè)防火分區(qū)的所有堆垛。

2.2 防火分隔帶設(shè)置

NFPA 92B［11］給出了為避免因火源熱輻射引起火蔓延的最小距離計(jì)算方法，如式1所示。

其中，其中，R為可燃物與火源中心的距離，m；Q為火源的熱釋放速率，kW；q″為臨界引燃輻射熱流量。

本文中火源具有面積大且動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，為確定防火分隔帶的最佳寬度，分別采用點(diǎn)源模型、線源模型和面源模型進(jìn)行計(jì)算。下面根據(jù)堆垛火災(zāi)原型建立點(diǎn)火源、線火源和面火源模型，如圖3所示。

圖3 點(diǎn)源（a）、線源（b）和面源（c）模型算法示意圖Fig.3 Schematic diagram of point source（a），line source（b）and area source（c）model

（1）點(diǎn)火源模型

如圖3（a）所示，將著火碼垛產(chǎn)生的熱釋放速率集中到碼垛中心點(diǎn)位置，著火點(diǎn)離目標(biāo)點(diǎn)A的距離L＝a／2＋R，由式（1）得：

根據(jù)面積為a2的著火碼垛產(chǎn)生的熱釋放速率符合t2火的發(fā)展規(guī)律，有·a2＝αt2，因此

代入（2）式得

其中，R為著火碼垛的最小安全距離；α為火災(zāi)增長速率，為0.047kW／s2；q″為臨界引燃輻射熱流量，取 NFPA 92B建議值10kW／m2；為單位面積燃料的熱釋放速率，參照NFPA92B標(biāo)準(zhǔn)，塑料堆垛的單位面積熱釋放速率為300kW／m2；t取t2火增長至火源最大功率102MW的時(shí)間1473s，以上參數(shù)取值下同。點(diǎn)源模型計(jì)算得堆垛之間防火分隔帶最小寬度為7.23m。

（2）線火源模型

如圖3（b）所示，將著火碼垛產(chǎn)生的熱釋放速率均分到中心線上，在中心線上取微元△x，微元對(duì)A點(diǎn)處產(chǎn)生的輻射為：

在a長度范圍內(nèi)，對(duì)此式進(jìn)行從0到a取積分并整理，即可得著火碼垛對(duì)A點(diǎn)的總輻射強(qiáng)度q。

求解方程取正值，方程的解為：

q取臨界輻射引燃熱通量10kW／m2時(shí)，代入數(shù)據(jù)，求得最小安全距離R＝0.006544t。t取t2火增長至火源最大功率102MW的時(shí)間1473s，計(jì)算得堆垛之間防火分隔帶最小寬度為9.64m。

（3）面火源模型

如圖3（c）所示，將著火碼垛產(chǎn)生的熱釋放速率均分到堆垛面上，在面上取微元dxdy，微元對(duì)A點(diǎn)處產(chǎn)生的輻射為：

在a2的面積范圍內(nèi)，對(duì)上式進(jìn)行面積分并整理，即可得著火碼垛對(duì)A點(diǎn)的總輻射強(qiáng)度q。為單位面積燃料的熱釋放速率300kW／m2，102MW的熱釋放速率對(duì)應(yīng)340m2的燃燒面積，因此a值為18.44m；利用mathematica軟件對(duì)式（10）進(jìn)行數(shù)值積分，計(jì)算得當(dāng)q為臨界輻射引燃熱通量10kW／m2時(shí)，堆垛之間防火分隔帶的寬度為8.68m。

以上點(diǎn)源模型、線源模型和面源模型計(jì)算的防火分隔帶最小寬度分別為7.23m、9.64m、8.68m，線源模型和面源模型計(jì)算結(jié)果最為接近，鑒于面源模型積分計(jì)算的不便性，文獻(xiàn)［12］建議在工程應(yīng)用中使用相對(duì)簡單的點(diǎn)源和線源模型。從以上計(jì)算結(jié)果看，點(diǎn)源模型計(jì)算的防火分隔帶寬度最小，線源模型計(jì)算結(jié)果9.64m最為保守，因此本文保守取防火分隔帶寬度為10m，并建議工程估算采用線源模型為宜。

3 消防系統(tǒng)有效性分析和預(yù)期財(cái)產(chǎn)損失評(píng)估

3.1 有效性分析

建筑火災(zāi)一旦發(fā)生后，能不能在最短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)并撲救，將火災(zāi)控制在一個(gè)較小的狀態(tài)，以減小火災(zāi)的直接損失和人員傷亡，這很大程度上取決于該建筑物內(nèi)防滅火措施的有無和可靠性。該倉庫發(fā)生火災(zāi)后，影響火場(chǎng)環(huán)境的主要消防系統(tǒng)有噴淋系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)及防火分隔帶，由此建立該倉庫火災(zāi)的事件樹如圖4所示。需要說明的是，當(dāng)噴淋系統(tǒng)有效時(shí)，火災(zāi)將在初期階段被撲滅，此時(shí)受損的冰箱數(shù)量很小，因此對(duì)于大型倉庫來說，計(jì)算預(yù)期財(cái)產(chǎn)損失主要考慮噴淋系統(tǒng)失效時(shí)的事件。

對(duì)于排煙系統(tǒng)的有效性，相關(guān)的研究數(shù)據(jù)還不是很多。日本東京消防廳從1989年至1998年所作關(guān)于各種消防設(shè)備完好率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，排煙設(shè)備的設(shè)備完好率為97.4%［4］。因此本文倉庫排煙系統(tǒng)的有效概率按此統(tǒng)計(jì)數(shù)值取為97.4%。

對(duì)于防火分隔帶的有效性，暫時(shí)還缺乏這方面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，研究表明導(dǎo)致防火分隔帶失效的主要原因有飛火和分隔帶里面存在可燃物搭橋。在本項(xiàng)目中，著火后攜帶火星的紙箱碎片在一定條件下可能成為飛火；在倉庫運(yùn)營中，堆垛間叉車的存在將兩個(gè)堆垛的可燃物搭橋連接起來，如果發(fā)生火災(zāi)也可能導(dǎo)致火災(zāi)在堆垛之間的蔓延。由飛火導(dǎo)致的防火分隔帶失效概率取為0.026［13］；起火堆垛周圍叉車搭橋空間存在概率為最大堆垛周長除以倉庫內(nèi)道路總長，即（57×2＋20×2）／（120×2＋80×3）＝154／480＝0.32，根據(jù)運(yùn)營部門提供的數(shù)據(jù)，叉車一天24小時(shí)工作時(shí)間為早上8點(diǎn)至晚上10點(diǎn)，因此時(shí)間存在概率為14／24＝0.58，并假設(shè)發(fā)生火災(zāi)后，操作人員丟棄叉車的概率為0.5，那么叉車搭橋連接起火堆垛和相鄰堆垛導(dǎo)致分隔帶失效的概率為0.32×0.58×0.5＝0.0928。

在排煙系統(tǒng)有效情況下，防火分隔帶失效的概率為0.0928；排煙系統(tǒng)失效情況下，防火分隔帶失效的概率為0.026＋0.0928＝0.1188。有了這些消防系統(tǒng)的有效概率之后，根據(jù)圖4的事件樹即可計(jì)算出各個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景發(fā)生的概率，如表1。

圖4 噴淋系統(tǒng)失效下倉庫火災(zāi)的事件樹Fig.4 Event tree of warehouse fire while sprinkler system fails

表1 各個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景發(fā)生概率Table.1 The occurrence probability of fire scenarios

表2 火災(zāi)場(chǎng)景的模擬結(jié)果Table.2 Simulation results of fire scenarios

采用FDS軟件對(duì)表1中的4個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行模擬，得到每個(gè)場(chǎng)景的火災(zāi)蔓延程度如表2。從火災(zāi)場(chǎng)景的模擬結(jié)果可以看出，防火分隔帶設(shè)置10m寬可有效防止火蔓延發(fā)生，該模擬結(jié)果驗(yàn)證了線源模型關(guān)于防火分隔帶寬度的計(jì)算結(jié)果；現(xiàn)有6m寬的防火分隔帶無法阻止火災(zāi)蔓延，收料倉庫內(nèi)堆垛可燃物將會(huì)發(fā)生全面燃燒。

3.2 預(yù)期財(cái)產(chǎn)損失分析

基于以上各火災(zāi)場(chǎng)景的概率分析和FDS模擬結(jié)論，可以估算當(dāng)前設(shè)計(jì)10m寬防火隔離帶以及按照處方式設(shè)計(jì)的倉庫預(yù)期財(cái)產(chǎn)損失?，F(xiàn)收料倉庫內(nèi)總共約可堆放12000臺(tái)冰箱，一個(gè)最大堆垛約可堆放2000臺(tái)冰箱。當(dāng)噴淋系統(tǒng)失效、分隔帶有效時(shí)（概率0.0229＋0.8836＝0.9065），估算火災(zāi)損毀冰箱為2000臺(tái)；當(dāng)噴淋系統(tǒng)失效、分隔帶失效時(shí)（概率0.0031＋0.0904＝0.0935），估算火災(zāi)損毀冰箱為12000臺(tái)。按照處方式設(shè)計(jì)的倉庫，其防火分區(qū)最大面積可達(dá)3000m2，因此總共可堆放冰箱數(shù)可考慮為現(xiàn)有倉庫的0.3125倍，即12000臺(tái)×0.3125＝3750臺(tái)。當(dāng)噴淋系統(tǒng)失效時(shí)，由于沒有足夠?qū)挼姆阑鸱指魩?，火?zāi)將蔓延至整個(gè)處方式倉庫，估計(jì)火災(zāi)損毀冰箱為3750臺(tái)。各工況下的預(yù)期財(cái)產(chǎn)損失對(duì)比如表3所示。

表3 倉庫火災(zāi)的預(yù)期財(cái)產(chǎn)損失Table.3 The expected property loss of warehouse fire

由表3可以看出，設(shè)置10m寬分隔帶可把火災(zāi)預(yù)期財(cái)產(chǎn)損失約降低為原來6m寬分隔帶的1／4，而收料倉庫設(shè)置10m寬分隔帶的性能化設(shè)計(jì)方案比處方式設(shè)計(jì)倉庫的預(yù)期財(cái)產(chǎn)損失略小。實(shí)際上，處方式設(shè)計(jì)的倉庫并沒有防止堆垛間火蔓延應(yīng)設(shè)置防火分隔帶的概念，堆垛間的通道寬度可遠(yuǎn)小于10m，即可堆放冰箱數(shù)大于0.3125倍的計(jì)算臺(tái)數(shù)。這將導(dǎo)致全面燃燒損失冰箱數(shù)超過3750臺(tái)，因此處方式倉庫預(yù)期的財(cái)產(chǎn)損失將大于3750臺(tái)。綜上，可以得出性能化設(shè)計(jì)的收料倉庫低于處方式設(shè)計(jì)倉庫預(yù)期財(cái)產(chǎn)損失的結(jié)論。

4 結(jié)論及建議

本文運(yùn)用消防性能化設(shè)計(jì)方法對(duì)某大型倉儲(chǔ)物品庫進(jìn)行了消防系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和預(yù)期財(cái)產(chǎn)損失的評(píng)估，計(jì)算結(jié)果顯示：將倉庫原有的6m寬防火分隔帶拓展到10m的寬度，可以有效的防止火蔓延，并可以達(dá)到“低于處方式設(shè)計(jì)倉庫的預(yù)期財(cái)產(chǎn)損失”的安全目標(biāo)。主要結(jié)論及建議如下：

（1）在大型倉儲(chǔ)物品庫的性能化設(shè)計(jì)過程中，為體現(xiàn)“性能化設(shè)計(jì)倉庫安全水平不低于處方式設(shè)計(jì)倉庫”的設(shè)計(jì)理念，應(yīng)進(jìn)行必要的消防系統(tǒng)有效性分析和預(yù)期財(cái)產(chǎn)損失評(píng)估。

（2）在防止火蔓延的安全隔離帶寬度計(jì)算中，點(diǎn)源模型計(jì)算結(jié)果最小，線源模型和面源模型結(jié)果較為接近，且線源模型結(jié)果最保守，建議在工程應(yīng)用中使用較簡單的線火源模型進(jìn)行估算。

（3）為達(dá)到“低于處方式設(shè)計(jì)倉庫的預(yù)期財(cái)產(chǎn)損失”的安全目標(biāo)，建議進(jìn)行消防性能化設(shè)計(jì)前、消防性能化設(shè)計(jì)后、處方式設(shè)計(jì)方法三者預(yù)期財(cái)產(chǎn)損失的綜合對(duì)比。

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